摘要：为进一步提升煤质灰分的检测精度、速度，实现煤质灰分的在线、快速检测，在对煤质灰分检测技术中进行简单概述分析的基础上，确定以双能γ射线投射法为核心设计煤质灰分快速检测装置，并重点完成了γ射线发生装置和探测器的选型。最后，对比了所设计的煤质灰分快速检测装置对煤质灰分的检测精度和速度，均满足了预期要求。

　　关键词：煤质灰分；双能γ射线投射法；马弗炉；Am发生装置；Cs发生装置

　　0引言

　　灰分是煤炭中不可避免的杂质，其也是衡量煤炭质量的关键指标之一。在煤炭的实际燃烧过程中灰分对其燃烧特性具有很大的影响，灰分不仅不发热，而且还会吸收煤炭燃烧的热量，使得煤炭的发热量降低，进而降低了燃烧效率。在实际应用中，可以对不同灰分含量的煤炭进行分类并合理应用；此外，对不同灰分含量煤炭的燃烧特性进行预测，判断是否会出现腐蚀、结渣等问题，尤其是在炼焦工业中，灰分含量是影响有效碳产率的关键影响因素。因此，准确快速的对煤炭中的灰分指标进行检测，对于煤炭的合理分配以及归类应用具有重要意义。

　　1煤质灰分检测技术研究

　　煤质灰分检测的准确性和便捷性非常关键，是决定煤炭下一阶段应用方向和发展的重点。目前，煤质灰分检测可采用的方法包括有灼烧称重法、天然放射性方法、重力预测法、图像处理测灰法、光电式测灰法、辐射测量法等。本节将对上述几种煤质灰分检测方法进行对比分析，为实现煤质灰分快速检测技术的应用奠定理论基础。

　　1.1灼烧称重法

　　对于灼烧称重法而言，根据灼烧的快慢可将该方法分为缓慢灰化法和快速灰化法，上述两种方法均是依据GB/T212标准制定的。其中，缓慢灰化法与快速灰化法相比较具有较高的精度和准确度；但是，缓慢灰化法要求的分析时间较长，能耗高，不太适用于日常的煤质灰分检测中。

　　因此，综合对比缓慢灰化法和快速灰化法对煤质灰分检测的优劣势，可以看出灼烧称重法已经完全不能够满足煤炭加工企业中要求快速、准确煤质检测需求。因此，本文将不采用灼烧称重法完成煤质灰分的检测。

　　1.2辐射测量法

　　辐射测量法主要是基于射线对煤炭中不同物质不同含量辐照时所呈现的反应不同的原理对煤炭中的灰分进行检测[1]。目前，辐射测量法主要以γ射线为主，包括有低能γ射线反散射法、双能γ射线投射法和中子瞬发γ分析法。各类辐射测量法的对比如下：

　　低能γ射线发散射法所采用设备的结构相对简单；但是，该种辐射测量法对被测对象的几何条件要求较为严格，无法实现煤质灰分在线检测的功能。中子瞬发γ分析法所采用设备的结构复杂而且成本较高，最重要的是在实际操作过程中需要对放射源进行频繁的更换，因此该种辐射测量法也无法在实践生产中推广应用。双能γ射线投射法的测量结果不容易受到煤炭形状、粒度、密度以及厚度等因素的影响，其准确率较高，而且该种辐射测量法的性价比较高。

　　综上所述，为实现对煤质灰分在线、快速以及准确的检测需求，本文以双能γ射线发散射法为核心技术完成相关检测系统的设计。

　　2煤质灰分快速检测装置的设计

　　根据煤质灰分的检测需求和应用场合，将在完成煤质灰分快速检测装置总体设计的基础上，分别对煤质灰分快速检测的台式装置和便携式装置进行详细设计[2]。

　　2.1煤质灰分快速检测装置的总体设计

　　从理论层面可知，当γ射线照射被测物质时，由于被测物质中所含元素的不同以及不同元素的含量存在一定的差异，导致γ射线照射不同灰分的煤炭时其衰减程度也不同。具体表现为：煤炭中的低原子序元素对γ射线的衰减较小，而煤炭中的高原子序元素对γ射线的衰减较大。煤炭中具有代表性的原子序元素包括有低原子序元素C、中等原子序元素Si和高原子序元素Fe等。基于上述原理分析基础，完成煤质灰分快速检测装置的总体结构设计，如图1所示：

　　如图1所示，放射源所发射的伽马射线经煤炭后衰减后由Nalγ射线探测器进行探测，将所探测的γ光子经过一系列的输出和处理后通过相关计算得出被测煤炭的灰分[3]。

　　2.2煤质灰分快速检测装置的详细设计

　　本章节在上述对煤质灰分装置总体设计的基础上完成γ射线发生装置、探测器等关键硬件设计，并对最终检测结果进行验证。

　　2.2.1γ射线发生装置的选型

　　γ射线发生装置是本检测系统的关键，本系统的核心技术为双能γ射线投射法；因此，需要为其配套两种能级的γ发射源，包括有低于100 keV的低能γ源，该能级的发生装置主要用于测得煤炭的平均原子系数；另一种发生装置为能量大于200 keV的中能源，其主要用于对被测煤层厚度进行校正。在实际应用，为了提高对煤质灰分的检测效率，不建议频繁更换发射源，因此要求所选择γ射线发生装置具有较长的半衰期。

　　综上所述，采用Am为本检测系统的低能γ发生装置，采用Cs为本检测系统的中能γ发生装置[4]。其中，Am低能γ发生装置的半衰期为485 a，Cs中能γ发生装置的半衰期为30 a。将上述两个发生装置均安装在同一个铅屏蔽准直器中，结构如图2所示：

　　如图2所示，为保证Cs放射源和Am放射源所发射的γ射线穿透煤炭后具有相近的通量密度，在铅屏蔽准直器中增加一块源强调整铅块[5]。

　　2.2.2探测器的选型

　　本检测系统采用型号为ZHC101的探测器，该型探测器的具体参数，如表1所示：

　　3煤质灰分快速检测装置效果验证

　　为了验证上述双能γ射线发射法所研制的煤质灰分快速检测装置对煤质灰分的检测效果，取8种样品，分别采取马弗炉和煤质灰分快速检测装置对8中样品的灰分进行检测，对两种检测方法的测试精度进行对比，对比结果如表2所示：

　　如表2所示，两种装置对煤质灰分的检测误差控制在1%以内；考虑到在实际采样过程中样品会受到煤炭粒度和水分的影响，可以认为所设计的煤质灰分快速检测装置的精度满足实际应用要求。在样品采集过程中，马弗炉经历的采样、制样、化验等过程需要效果将近6 h，而采用煤质灰分快速检测装置仅消耗20 s，达到了快速检测的要求。

　　4结语

　　灰分是煤炭的关键指标，对于传统煤质灰分检测所存在的检测周期长、成本高等特点与当前高效生产不相符的问题，本文以双能γ射线发射装置为核心设计了煤质灰分快速检测装置。通过实践表明，所设计的煤质灰分快速检测装置与传统马弗炉煤质灰分检测相比精度相近，而且仅需20 s，完全达到了快速检测的要求。

　　参考文献

　　[1]赵彦，武兵，贾峰.基于激光诱导击穿光谱的煤质灰分测定方法研究[J].煤炭工程，2014，46（10）：208-210.

　　[2]李雨成，刘天奇，陈善乐，等.煤质指标对煤尘爆炸火焰长度影响作用的主成分分析[J].中国安全生产科学技术，2015，11（3）：40-46.

　　[3]程栋，温和，滕召胜，等.基于双能γ射线的煤质灰分软测量技术研究[J].仪器仪表学报，2014，35（10）：2263-2270.

　　[4]赵凯，雷萌.近红外光谱灰分预测模型中煤炭样本的优化方法[J].工矿自动化，2012（9）：35-38.

　　[5]赵勇纲，杨传博，冀树春，等.高能脉冲激光煤质在线检测技术的应用研究[J].煤炭工程，2019，51（7）：80-83.