煤质在线检测技术现状及发展趋势分析

煤质在线检测技术现状及发展趋势分析
赵忠辉;方全国
【摘要】针对煤质在线检测技术在煤炭行业应用日益广泛和迫切的现状,介绍了以瞬发γ中子活化分析和双能γ射线等为代表的7种典型常规和以多能X射线吸收法及激光诱导击穿光谱分析法(LIBS)等为代表的3种新兴的基于无放射源的煤质在线检测技术,着重分析了其基本原理、技术特点、技术成熟度与适用范围.通过分析可知,随着环保要求的提升,煤中硫分的检测需求将日益凸显,基于无放射源的综合煤质在线检测技术将成为发展方向.
【期刊名称】《煤质技术》
【年(卷),期】2017(000)004
【总页数】4页(P18-21)
【关键词】煤质在线检测;瞬发γ中子活化;双能γ射线透射法;多能X射线吸收法;激光诱导击穿光谱分析
【作者】赵忠辉;方全国
【作者单位】煤炭科学技术研究院有限公司检测分院,北京 100013;国家煤炭质量监督检验中心,北京 100013;煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室,北京100013;煤炭科学技术研究院有限公司检测分院,北京 100013;国家煤炭质量监督检验中心,北京 100013;煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室,北京 100013【正文语种】中文
【中图分类】TQ533
0 引言
煤质工业分析中，通常采用烧灼法进行实验室的离线分析，即须经过采样、破碎、缩分、制样等前处理环节，之后送至化验室进行分析，数小时后才能得出分析结果，不能及时获得煤质信息。

在线检测技术与传统的化学分析方法相比，能够实现煤灰分、水分等信息的快速检测，解决了传统方法的采样、制样、化验工序复杂问题，规避了结果滞后所导致的一系列问题，在大幅减轻工人劳动强度的同时可避免人为因素的干扰，检测结果更客观。

因此，在煤炭的生产、贸易和应用过程中，煤质在线检测技术具有广阔的市场需求。

各主要产煤国如中国、澳大利亚、英国、德国、美国、俄罗斯、波兰等在煤质在线检测研究方面一直走在前列，均有专门的机构从事相关研究。

由于煤炭在英国、德国、美国、俄罗斯等国能源结构中所占比例较小，因而近年来其在煤质在线检验研究方面投入力量减小[1]。

1 煤质在线检测技术现状
煤质在线检测技术核心的检测为灰分检测，其他检测包括水分和热值等指标的检测。

随着环保要求的提升，煤中硫分的检测需求也日益凸显。

1.1 灰分在线检测
具有代表性的在线检测技术主要包括：
(1)中子瞬发γ射线活化分析;
(2)双能量γ射线透射法;
(3)射线反散射法;
(4)低能γ射线反散射法;
(5)高能γ射线湮没辐射法;
(6)天然γ放射性测量法;
(7)近红外分析法。

目前已工业化且广泛应用的在线分析技术主要包含瞬发γ射线中子活化分析法(PGNAA)和双能量伽玛射线透射法，二者均为有放射源的核辐射检测技术。

1.1.1 瞬发γ射线中子活化分析法
基本原理：采用经过慢化后的热中子照射原煤，使煤中的各元素与中子发生热中子俘获反应，激发态原子核放射出不同能量的特征γ射线后达到稳定态。

其原理如
图1所示。

图1 中子活化原理图
通过检测特征γ射线的能量可辨别煤中元素的种类；通过检测特定能量γ射线的
数量可辨别对应元素的质量百分含量。

根据热中子源产生的不同，有252Cf裂变中子源、电控脉冲中子管和Am-Be中
子源3种。

其中，252Cf产生活化中子，寿命2.64 a，但不能检测C、H、O等元素；而中子管利用高能粒子(如电子)对靶原子核(即氢的同位素氘和氚)进行撞击，
可真正进行全元素检测，但中子管的寿命受氘和氚半衰期的限制，国外技术寿命最长20 000 h(约2.28 a)，价格十分昂贵，采用中子管的瞬发γ射线中子活化分析
法在国内尚未见工业化应用的案例；Am-Be中子源的比放射性低，但单纯放射源的价格可高达百万元，目前还未有商业应用。

采用中子源的瞬发γ射线中子活化分析法在工业生产上已有一定量的工业化应用，进口产品主要以赛摩费舍尔为代表、国产主要以丹东东方测控为代表，不仅可进行灰分分析还可进行元素(尤其环保要求的硫元素)分析，但PGNAA 的核心技术能谱处理方法、稳谱技术以及长寿命密封中子管、中子源基本被国外垄断[2]，价格一
直居高不下(进口约600万元～700万元、国产约300万元～400万元)，加之中
子源的强放射性等多重因素限制了其推广应用。

1.1.2 双能量γ射线透射法
采用低能和中能的双能量γ射线即241Am的低能γ(约60 kev)射线和137Cs的
中能γ(662 kev)射线透过被测煤样。

低能γ射线的减弱取决于煤的灰分值和煤层
厚度，中能γ射线的减弱只取决于煤层厚度，与煤的灰分值无关。

采用闪烁探头
把透过煤层的2种能量射线转变为2种不同的电信号，电信号的强弱变化包含了
煤灰分值和煤层厚度2种信息，其原理如图2所示。

图2 双能γ煤质检测原理图
该方法把煤看成是由2种不同原子序数物质组成的二元混合物，即低Z元素(C、H、O、N)和高Z元素(Si、Al、Ca、Fe)。

一般情况下低Z元素中C是主要成分，高
Z元素中Si和Al是主要成分，Si、Al对60keV γ射线的质量吸收系数相近，因
此将煤看成二元混合物的模型基本上符合实际。

但由于Ca、Fe(特别是Fe)对
60keV γ射线的质量吸收系数比Si、Al的约大3倍，其少量变化将引起测量结果
较大变化，从而带来较大误差。

一般情况下，同一矿井下或同一开采层面开采的煤，其高Z元素(Si、Al、Ca、Fe)之间比例在较长时间内稳定，因而双能量γ射线透射法能够应用于实际。

但对于
火电厂该煤炭来源复杂的场合，测量误差加大。

另外，重介洗煤厂的产出精煤中会含有铁磁介质，若脱介效果欠佳，煤中较多残余的铁磁介质将影响煤的灰分测量。

从测量精度、技术经济性、技术成熟度、适用环境等多方面考虑，双能量γ射线
透射法是目前最适合煤灰分检测的方法。

该方法在世界范围内应用广泛，中国采用的灰分仪绝大部分是采用此种技术。

针对该方法对Fe元素的敏感性，对于铁含量高、硫含量高等特殊煤质的检测，通过增加1种能量的射线，同时测量铁的6.4 kev KX射线的强度来修正铁元素波动引起灰分测量的误差，在一定程度上拓宽了
其适用范围和提高了高灰、高铁煤种的检测精度；但随着环保要求的不断提高，不能检测硫分又限制了该技术的应用。

1.1.3 其他检测方法
射线和低能γ射线反散射法对煤的几何条件要求很严格[3]，难以实现真正的在线
测量；高能γ 湮没辐射法中，高能射线穿透能力强，屏蔽困难，辐射安全性差，
且对灰分的测量灵敏度较低，不能广泛应用；天然γ放射性测量法，不使用放射源，通过测量由煤的天然放射性引起的γ计数率确定煤灰分，但天然放射性含量
只有百万分之几，易受到周围环境的天然放射性本底影响,且煤中矿物质与其天然
γ放射性的含量相关性不确定，测量准确度不高[4]。

红外光谱分析不适合分析含
水样品，因为水中的羟基峰对测定有干扰；定量分析时误差大，灵敏度低，在图谱解析方面主要靠经验，定量分析困难。

以上几种方法，或对被测样品制作要求很高，或测量精度不高，已基本被淘汰或未得到广泛应用，在此不做详述。

1.2 水分在线检测
微波测试法主要用于煤中水分的测量[5]，其基本原理如下：微波该高频电磁波透
射介质时产生的功率衰减、相位改变主要由介质的介电常数、损耗角正切值决定。

水的介电常数和损耗角正切值远高于一般介质，故含水介质的介电常数和损耗角正切值主要由水分含量决定。

微波从微波发射源发射而出，透过物料后被微波接收器接收。

根据微波功率的衰减和相位移的改变即可计算物料中的水分含量。

目前，煤中水分测量广泛采用微波透射法，测量精度和适用范围均可满足现场要求。

1.3 热值的计算
对于煤的发热量即热值，目前还未能有技术手段实现在线直接检测，而均采用间接计算的方法。

煤中灰分、水分和发热量之间有很好的相关性，灰分、水分含量与热值负相关[6]，通过理论公式和经验数据可得到回归方程并计算出煤发热量。

对于不同的灰分检测方法，得到的参量越多，计算出煤发热量越准确。

2 煤质在线检测技术的发展趋势
随着技术进步和环保要求的提升，煤中硫分的检测需求将日益凸显，无放射源的综合在线检测技术将成为发展趋势。

在此背景下新技术不断兴起，代表性的有：多能X射线吸收法、X射线荧光法(XRF)和激光诱导击穿光谱分析法(LIBS)等。

2.1 多能X射线吸收法
多能X射线吸收法为1种新的技术，通过被电场加速的电子轰击金属靶产生人工
射线，人工射线中不同能量区间的射线与煤中各元素的作用截面不同，能量较低的射线对Si、Al、Ca、Fe等元素变化均敏感，能量居中的射线对Ca、Fe等元素变
化更敏感，能量较高的射线对密度变化敏感，对元素含量变化不敏感；利用探测器测量被煤衰减后的射线能谱，可分析出3种能量区间的射线强度变化，利用射线
的衰减规律建立方程组并进行求解，即得到C与Si、Al以及Ca、Fe、S之间的含量比例，从而可求得煤灰分、硫分与发热量。

其中硫分的检测，根据黄铁矿(主要
成分FeS2)中的Fe含量计算得出部分S的含量，再通过对比和校正得到全硫(包括黄铁矿、有机硫和硫酸盐)的含量。

通过增加选择更多的能量区间，计算误差将会更小，进而提高测量精度。

其原理如图3所示。

图3 多能X射线原理图
采用人工射线，不使用放射源，关闭射线发生器，没有任何射线输出；引入合适的多能量人工射线，将原二元混合物模型修正为多元混合物模型，从而降低煤中高Z 元素比例变化对灰分检测的影响。

利用多种能量的射线，可同时检测煤炭灰分和硫分；射线能量较低，放射源许可更容易或豁免。

但为了保证测量精度，对被测煤流做如下要求：粒度13 mm以下，皮带上煤流厚度3 cm以上、宽度10 cm以上。

目前该技术已在神东准能黑岱沟洗煤厂进行了工业化试验，效果有待验证。

2.2 X射线荧光法(XRF)
该方法利用X射线管产生入射X射线(一次X射线)激发被测样品，受激发的样品
中的每一种元素会放射出二次X射线，且不同的元素所放射的二次X射线具有特定的能量特性或波长特性，测量上述放射出的二次X射线的能量及数量即可获得样品中各种元素的种类及含量。

X射线荧光原理图如图4所示。

图4 X射线荧光原理图
该方法可检测原子序数大于11(Na)的所有元素，即其具备了灰分和硫分的检测功能。

Al、Si激发效率和对应的特征X射线能量低，导致易受空气影响及测量煤层厚度极低，被测样品需预处理制成粒度0.2 mm以下，并需配置专用制样系统；系统复杂程度高，维护量大。

2.3 激光诱导击穿光谱分析法(LIBS)
该方法利用高能脉冲激光照射被测物体表面，激光脉冲的时间宽度在纳秒量级，激光使物体表面的微小区域内产生等离子体，测量等离子体中各种元素发射的特征光谱以分析各种元素的含量。

其原理如图5所示。

图5 激光诱导击穿光谱技术原理图
激光在物体表面作用深度为微米量级，测量煤炭样品代表性差，因而就需要被测样品具有足够的代表性，被测样品需预处理为粒度在2 mm以下、厚2 mm以上、直径5 cm以上的煤饼或煤棒。

系统的复杂程度高，维护量大；仪器价格昂贵，另外高能激光也限制了在有防爆要求场合的应用。

该技术基本被国外垄断，比如美国的TSI公司；国内也在积极研究，如贝恩讯谱公司与万州港电公司联合开展了“高能量脉冲激光技术在电厂煤质在线检测的应用研究”，目前尚未进入工业化应用阶段，效果有待验证。

3 结语
(1)分析了煤质在线检测技术现状，在煤质灰分检测方面介绍了7种典型技术，着
重分析了各自的基本原理、技术特点和使用范围，以中子活化和双能γ射线为代
表的煤质在线检测技术是目前较成熟的技术，在工业化应用上也取得了较好的效果；在煤质水分检测方面，微波透射测水是被大量实用证明的可靠检测方法；煤的发热量检测方面，目前还没有技术手段能实现在线直接检测，均是采用间接计算的方法，即根据测得的灰分、水分，通过理论公式和经验数据得到回归方程后计算而得。

(2)随着环保要求的提升，煤中硫分的检测需求日益凸显，具备硫分检测功能的煤
质在线检测系统将具有广阔的市场需求。

(3)基于无放射源的煤质在线检测技术将成为发展方向，以多能X射线吸收法(MXRA)、X射线荧光法(XRF)和激光诱导击穿光谱分析法(LIBS)为代表的无源或准无源的在线检测技术已经兴起，并有初步应用，效果有待工业化验证，但其必将成为行业的发展趋势。

参考文献:
【相关文献】
[1] 衣宏昌，梁漫春，林谦.在线煤灰分检测技术在中国的应用[J].煤炭加工与综合利用，
2006(5):39-41.
[2] 贾文宝，黑大千，单卿.PGNAA技术在国内煤炭行业中应用现状及问题[J].核工业技术，
2011(10):70-73.
[3] 程栋，滕召胜，黎福海，等.一种新型煤灰分双能量γ 射线检测方法[J].中南大学学报(自然科学版)，2014，45(5):1510-1514.
[4] 衣宏昌，梁漫春，林谦.基于辐射测量技术的几种煤灰分检测方法的比较[J].选煤技术，
2004(2):54-55.
[5] 方全国.煤质在线分析技术原理及应用[J].煤质技术，2006(6):23-25.
[6] 赵忠辉.煤质在线检测和机械化采制样一体化技术研究[J].煤炭技术，2016，35(4):236-238.。