辐射测量法在煤的灰分测试中的应用
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作者: 高奇
摘要：本文主要介绍低能γ射线反散射法、高能γ湮没辐射法、双能量γ射线透射法、中子瞬发γ分析法在煤的灰分测试中的应用，对比了这几种方法的优缺点，给企业应用提供了建议。
关键词：低能γ射线 高能γ湮没辐射法 双能量γ射线透射法 中子瞬发γ分析法
1 简介
为了解煤炭的品质与性质，技术人员通常会通过测定其灰分的方式来确定。灰分作为衡量煤炭质量的重要指标，在煤炭质量检测中占据重要地位，它指的是煤炭在高温灼烧过程中，煤炭中所含的有机物质与无机物质相互反应分解最终形成的产物。传统的灰分测定方法为灼烧称重法，即通过对比和分析燃烧前后质量，最终得出所含杂质比例从而确定煤炭中的灰分含量。同时，在现场检测时，技术人员也会采用快灰快浮的方式进行处理，但这种测量手法所需时间过长，检测效率低下，不适应现代煤炭加工制造的实际需求，因而使用范围有限，难以推广。为进一步适应煤炭工业的快速发展需求，提高煤炭质量检测效率，荷兰于二十世纪二十年代首先研制出了“森得莱克斯”X射线测灰仪，这种测灰仪的问世有效地解决了传统灰分测量难题，同时也极大地提升了煤炭质量检测效率，为企业节省了检测成本，从而有效地提高了其经济效益。但目前从总体来看，在线测灰仍以辐射测量法为主要检测手段，这种检测方法具有很强的实时性，工序较为简易，减轻了工人负担，同时受外界影响度小，检测结果准确度高。
2 辐射测量法在煤的灰分检测中的应用
2.1 低能γ射线反散射法 低能γ射线反散射法是基于康普顿效应发展起来的，它利用γ射线穿过物质时除损失部分能量外，还剩余一部分能量散射开来的原理，最后通过测量与质量吸收系数成比例的低能γ射线反射强度最终确定灰分含量。煤炭由可燃部分与不可燃部分组成，其中可燃部分的主要成分为硫、碳、氢等，其中碳元素含量在80%以上，其等效原子序数Zeq≈14，而不可燃部分的主要成分则为铁、硅、钙等，其中硅的含量在80%以上，其等效原子序数Zeq≈6。对煤炭而言，所有不可燃部分均可以算作灰分。在测试时，通过低能γ射线照射，硅、钙、铝等原子的光电效应大于可燃部分中硫、碳、氢、氧等原子，从而确定煤炭的灰分。我国于二十世纪六十年代就开始关注并着手研究此类测量仪器，并于1976年首次鉴定了第一台低能γ射线反射测灰仪。这种灰分测量方法所需技术以及模型较为简易，测量工序严格，对所测量煤炭的各项指标均有明确规定与要求，因此在实际使用中难以实行，适用范围较窄，推广难度大。
2.2 高能γ湮没辐射法 高能γ淹没辐射法是一种新型的测量方法，其优势为测量准确度高、穿透能力强、检测效率高，它适应了煤的灰分检测的需求，应用范围较广。能量>1.022MeV的高能γ射线与煤中物质的原子核作用，会有一定几率产生正、负电子对，产生的正电子会立即与一个负电子发生湮没反应，产生一对能量为511keV的γ射线。高能γ射线与物质发生电子对效应的几率与物质的原子序数平方成正比，煤中的灰分越高，其平均原子序数越高，可以利用这个原理，通过测量511keV的γ射线强度来确定煤的灰分含量。高能γ湮没辐射法与其他测量法相比，不易受到高原子序数的影响，但它同时也存在测量条件复杂，测量统计精度较低，辐射安全性能不高等缺点。因此，目前技术人员针对这一问题加紧研究，以进一步改造传统的测量技术，减小误差，改善测量条件。
2.3 双能量γ射线透射法 双能量γ射线透射法实现了煤灰分的在线测量，它将低能γ射线和中能γ射线的放射源充分结合起来，最后通过分析和对比二者的原子序数，最终得出灰分含量。随着放射源吸收量的不断增加，其原子序数也随之增加，而灰分的原子序数远高于煤炭，因此其吸收量也相对较大，这就使灰分的测量成为可能。除原子序数外，双能量γ射线的吸收量还与辐射的质量厚度有密切关系，而辐射的质量厚度由运输机上煤层的荷重量与散密度共同决定。因此，在实际测量时技术人员通常会采用两种射线对煤层进行透射，并观察和测量其衰减情况，而无需增设其他设备，这就大大减轻了技术负担，它可以适应多种复杂测量环境，实用性较强，目前被广泛应用于煤炭工业中。
2.4 中子瞬发γ分析法 中子瞬发γ分析法是一种准确度和灵敏度较高的测量方法，同时具备非破坏性分析特点，在科研和工农业生产领域应用广泛。其测量原理为，通过收集与分析煤炭中各元素与中子因俘获辐射和非弹性散射而产生的瞬发γ射线，最终得出煤的灰分含量，同时还可以进一步确定煤炭中其他物质含量水平，如发热量、水分、硫分等。但与其他测量方法相比，这种测量方法不仅耗时较长，而且设备分析过程复杂，检测成本较高，不适宜大范围推广。
3 总结
随着现代煤炭工业的不断发展壮大，灰分测量被越来越多地应用于煤炭质量检测中。而为了进一步提升煤炭质量检测效率，防止灰分超标，影响煤炭品质，煤炭企业必须要加强技术革新力度，积极研发现代测量工艺，在线测灰方法就是在此背景下诞生的。本文主要研究了辐射测量法在煤的灰分测试中的应用，这种测量法成本较低，稳定性强，不易受到外界影响，具备较强的发展潜力。
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作者简介：高奇（1985-），男，陕西人，兰州资源环境职业技术学院，本科，专职教师，研究方向：工程地质，工程勘察，煤矿地质。
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