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基于 PGNAA技术的煤灰分主要元素的在线检测
2019-05-20
煤源复杂、灰分元素变化较大时,传统的在线检测技术对灰分主要元素测量效果较 差。PGNAA在线检测技术具有快速、准确、无损等特点,利用实验测试平台对煤中灰分主要元素 Si、Al、Fe、Ca等进行在线检测,各主要元素的测量结果与实验室分析结果线性拟合度高达 0.96,说 明测量结果可靠,可为生产提供数据指导。
Serial No. 600 April. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 600期 2019 年 4 月第 4 期 基于 PGNAA 技术的煤灰分主要元素的在线检测 宋青锋ꢀ 肖宪东ꢀ 魏晓云ꢀ 张ꢀ 伟 ( 丹东东方测控技术股份有限公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 煤源复杂、灰分元素变化较大时,传统的在线检测技术对灰分主要元素测量效果较 差。 PGNAA 在线检测技术具有快速、准确、无损等特点,利用实验测试平台对煤中灰分主要元素 Si、Al、Fe、Ca 等进行在线检测,各主要元素的测量结果与实验室分析结果线性拟合度高达 0. 96,说 明测量结果可靠,可为生产提供数据指导。 关键词ꢀ PGNAAꢀ 在线检测ꢀ 灰分 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 04. 072 [ 2-3] 。 PGNAA 技术具有快速、准确、全面、可 ꢀ ꢀ 煤除含有 C、H、O 外,还含有硅酸盐、碳酸盐、硫 量分析 酸盐等矿物质。 燃烧过程中,煤中的这些矿物质会 发生一系列复杂的分解、化合等反应,最终形成灰 分。 灰分是煤炭加工、利用过程中的有害成分,以 Si、Al、Fe、Ca 等元素的化合物为主。 因此,快速、准 确地测量煤炭灰分中各元素的含量,对于煤炭的清 洁、高效利用非常重要。 同时进行多元素分析的特点,非常适合对煤炭灰分 主要元素进行在线检测,能解决目前用煤单位煤质 [ 4-5] 。 复杂、难以准确测量的难题 1ꢀ 实验测试平台设计 实验平台由 2 部分组成:一是测量部分,二是信 号处理及运算部分。 测量部分(图 1) 由 Cf-252 中 子源、探测器、屏蔽体和煤炭样品 4 部分组成, Cf- 252 发射出平均能量 2. 13 MeV 的中子,经慢化后打 到煤炭样品中,与煤炭样品中各元素原子核发生俘 获反应,使各原子核处于激发态,并在极短的时间内 退激到基态,同时释放出各特征 γ 射线,并被样品 上方的探测器所接收。 测量部分的最外层用于对中 子和产生的次生 γ 射线进行吸收,确保仪器测量装 置周围的辐射水平处于安全范围。 目前实验室内主要采用原子吸收、化学滴定和 重量法对灰分中的各元素进行检测,测量步骤较复 杂。 在大规模的工业生产过程中,无论是测量时间 还是检测代表性方面,实验室分析方法均无法满足 [ 1] 生产需要 。 虽然目前市场上出现了煤炭灰分的 在线检测设备,但大部分在线检测技术是将灰分中 各元素简单地看做 1 个变量来建立灰分测量模型, 当各元素相对含量比较稳定时,这些在线检测设备 测量效果较好;但当各元素相对含量变化时,检测结 果将出现无法预估的偏差。 因此,这些在线检测设 备不适于煤源复杂、灰分元素变化大的工业现场检 测需求。 瞬发 γ 中子活化分析技术(PGNAA) 利用中子 源产生的中子流轰击样品中各种元素原子核,使其 图 1ꢀ 测量部分结构示意 ꢁ 14 发生中子俘获反应,并在小于 10 s 时间内退激, 释放出能量为 2 keV ~ 10 MeV 的 γ 射线,根据各特 征 γ 射线的能量和强度对元素进行在线定性和定 信号处理部分(图 2)主要对探测器输出的信号 进行处理,将探测器信号进行甄别、运算并得到最终 的含量信息。 整个信号处理的外围电路包括探测器 温度控制电路、高压控制电路等部分,消除环境温度 及器件性能波动对测量结果的影响。 ꢀ ꢀ ∗丹东市科技计划项目(编号:17106)。 宋青锋(1981—),男,高级工程师,118000 辽宁省丹东市滨江中 2 ꢀ 测量过程与结果 路 136 号。 通信作者ꢀ 张ꢀ 伟(1980—),男,教授级高级工程师,118000 辽 宁省丹东市滨江中路 136 号。 # 根据检测需求,共为本次测试制备 6 个样品(1 # ~ 6 ),质量均为 50 kg, Si、Al、Fe、Ca 各元素含量各 2 38 ꢀ ꢀ 宋青锋ꢀ 肖宪东等:基于 PGNAA 技术的煤灰分主要元素的在线检测ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 4 月第 4 期 ꢀ 将各被测样品依次放置在测试容器测量位置, ꢀ 每个样品测量 1 h,6 个样品的 PGNAA 在线检测结 果见表 2。 表 2ꢀ PGNAA 在线检测结果 图 2ꢀ 信号处理部分结构示意 各元素含量 / % 不相同。 样品灰分各主要元素含量实验室分析结果 样品编号 Si Al Fe Ca K Ti 见表 1。 # # # # # # 1 2 3 4 5 6 0. 98 2. 76 4. 56 6. 69 9. 10 7. 57 0. 89 1. 53 3. 66 7. 24 8. 19 5. 36 0. 39 0. 51 2. 70 1. 08 3. 16 3. 77 0. 67 3. 44 6. 42 5. 12 1. 89 7. 71 0. 14 0. 19 0. 46 0. 96 0. 56 0. 69 0. 27 0. 13 0. 03 0. 40 0. 47 0. 60 表 1ꢀ 实验室分析结果 各元素含量 / % 样品编号 Si Al Fe Ca K Ti # # # # # # 1 2 3 4 5 6 1. 22 2. 85 4. 47 6. 09 9. 33 7. 71 0. 48 2. 08 3. 67 6. 86 8. 46 5. 27 0. 51 0. 51 2. 51 1. 05 3. 18 3. 85 0. 58 3. 47 6. 35 4. 92 2. 07 7. 81 0. 08 0. 25 0. 41 0. 91 0. 58 0. 75 0. 26 0. 15 0. 03 0. 37 0. 49 0. 60 ꢀ ꢀ 绘制 PGNAA 在线检测结果与实验室分析结果 之间的关系曲线,结果见图 3。 ꢀ ꢀ 图 3 表明,2 种方法测量的灰分各主要元素含 量线性拟合度均在0. 96以上,说明PGNAA在线检 图 3ꢀ PGNAA 在线检测结果与实验室分析结果关系曲线 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 测结果较为准确。 3 ꢀ 结ꢀ 论 针对目前燃煤电厂、水泥厂、焦化厂等工业现场 [ [ 1]ꢀ 董奕勤. 煤质在线分析系统在火电厂的应用研究[J]. 工业技 术,2014(25):137. 煤源比较复杂的情况,使用 PGNAA 在线检测技术 对煤炭灰分主要元素进行检测,结果可靠,可以解决 常规的煤质在线检测技术无法克服的灰分元素波动 影响检测结果的难题。 另外通过采用 PGNAA 在线 检测技术对煤灰分主要元素进行检测,可以推算灰 分软化温度和灰融熔温度等指标,为电厂锅炉燃烧 和煤化工生产提供指导数据,确保现场设备安全高 效运行。 2]ꢀ 李树杰,刘ꢀ 军. 煤质在线分析仪在 Shell 煤气化装置中的应 用研究[J]. 中氮肥,2017(2):73-76. [3]ꢀ 黑大千. PGNAA 在线分析技术的发展与现状[ J]. 工业技术, 2014(6):63-64. [ 4]ꢀ 宋青锋,张ꢀ 伟,龚亚林,等. 利用 PGNAA 系统对铝土矿石进 行在线检测的可行性研究[J]. 中国矿业,2015(10):171-174. 5]ꢀ 魏晓云,宋青锋,黄铭鹏,等. 中子活化在线煤质分析仪在燃煤 电厂的应用[J]. 热电技术,2015(2):16-18. [ ( 收稿日期 2018-11-19ꢀ 责任编辑ꢀ 罗主平) 39 2
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