摘 要：煤炭灰分是煤炭的重要基础指标。随着选煤技术的快速发展，传统测试方法不能满足生产的需要，这就给煤炭灰分检测技术的发展和相应设备的产生创造了条件。本文主要介绍了近年来国内外主流的煤炭灰分检测技术的进展，以及相关设备的工作原理和在煤企的推广应用情况。
关键词：煤炭灰分；原子辐射技术；在线检测
中图分类号： TQ533.2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）03-187-2
0 引言
煤炭作为我国能源结构的重要组成部分，在相当一段时间内，其主导地位不会发生大的改变。煤炭灰分指的是煤在一定条件下经过充分燃烧后，其中的矿物质分解、化合后生成的残留物。煤炭的灰分含量不光是常规工业分析指标，而且还是相关机构、煤企等进行煤质评价，加工利用，贸易计价等的基础指标。国标中对煤炭灰分含量测定规定的方法主要有快速灰化法和缓慢灰化法。
随着选煤技术自动化程度的提高，之前多作为例常分析方法的快速灰化法存在检测数据滞后、工序繁杂、管理成本高、工人工作环境差和劳动强度大等问题，无法很好地满足指导生产的要求。
基于此，国内外先后有大量学者专家从事了煤炭灰分检测技术的研究，设计生产的灰分检测设备在应用中都取得了很好的效果。
1 主流灰分检测设备简介
从上世纪末开始，随着民用核技术、计算机技术的快速发展，基于原子辐射技术的在线测灰设备应运而生，这种设备由于现场适应性强、准确度高、維护成本低以及性价比高等特点，现已在市场上占据绝对优势。本文将对这类灰分检测设备做重点介绍。基于原子辐射技术设计生产的测灰仪根据是否有放射源可以分为有源测灰仪和无源测灰仪。
1.1 有源测灰仪
基于原子辐射技术设计生产的有源测灰仪根据基本原理可以分为以下几种：低能γ射线反散射测灰仪、高能γ射线湮没辐射测灰仪、双能γ射线透射测灰仪、中子瞬发γ射线分析仪等。
1.1.1 低能γ射线反散射测灰仪
低能γ射线（能量小于100keV），与煤炭相互作用时主要表现出光电效应以及康普顿散射效应。当煤的灰分含量比较低时，此时其等效原子序数也较小，则产生的光电效应也比较弱，即透过煤粒的全能光子就比较多，而同时，发生康普顿散射的γ射线会比较强；相反，而当煤的灰分含量比较高时，即其等效原子序数也较大时，则产生的光电效应也会比较强，透过煤粒的全能光子相对比较少，而同时发生康普顿散射的γ射线会也较弱。所以，基于以上结论则可以通过探测透射光子和散射光子的数量就可以测量煤炭的灰分含量。
从20世纪60年代起，我国的学者专家就开始研究开发基于低能γ射线技术的灰分仪，并于1976年顺利完成我国第一台低能γ射线测灰仪的鉴定。后来煤科院唐山分院研制的ZTHY型在线测灰仪取得了较好的应用效果，并且受到国内多家煤企的青睐。
2007年，中核工业第五研究设计院成功设计开发了一种便携式低能γ光子背散射煤炭灰分测量仪，这种设备以其特有的便携、高效等特点在特定场景应用非常成功。
2014年，湖南大学设计开发的快速γ射线煤炭灰分仪，以其快速精确等特点成功应用于多家火力发电厂。
国外比较有代表性的产品主要有英国的RFCQM测灰仪、波兰的G-3型测灰仪以及国内外都非常著名的澳大利亚COALSCAN系列中的COALSCAN1500型测灰仪等。
1.1.2 高能γ射线湮没辐射测灰仪
煤中所含物质的原子核与高能γ射线（能量大于1.022MeV）相互作用，都会有发生正负电子对湮没反应，进而产生能量为 511keV的γ射线。研究表明，煤中的灰分含量越高，则与高能γ射线发生电子对湮没反应所产生的能量为511keV的γ射线也越强。基于这个结论，便可以通过探测能量为511keV的γ射线强度，进而来确定待测煤炭的灰分含量。
高能γ射线湮没辐射测灰仪具有测量准确度高、检测效率高、应用范围广等优势，并且测量不易受到高原子序数的影响。但是由于采用高能放射源，并且测量过程中需要探测511keV的γ射线，因此屏蔽要求高，安全性能差。所以这种设备并没有大规模的推广使用。
1.1.3 双能γ射线透射式测灰仪
双能γ射线透射式测灰仪是基于单能（低能）γ射线透射式测灰仪，经过改良发展而来。低能γ射线透射过某种物质后，该物质对低能γ射线的吸收量随其原子序数的增大而增大，所以灰分对γ射线的吸收量就比精煤要大，基于此设计生产了单能γ射线透射式测灰仪。虽然与反散射式测灰法比起来有所进步，但这种设备对待测煤流有两点要求：煤流粒度均匀和质量厚度恒定。
为此在低能γ放射源的基础上增加了一个中能γ放射源，而中能γ放射源透射过煤层后煤流对它的吸收量恰好只与煤流的质量厚度有关。
因此实际应用中，让中、低能γ射线搭配使用，同时透射同一煤流，然后再测量两种γ射线强度的衰减情况，这样便可以不再考虑煤流厚度对测量结果的影响，更加准确地测得待测煤流的灰分含量，这就是双能γ射线透射式测灰仪的工作原理。
这种设备在国内外有广泛的应用，在市场上占有绝对优势。国内有代表性的产品主要有清华大学设计开发的ZZ-89系列测灰仪、北京市煤炭矿用机电设备技术开发有限公司生产的SCL-2000型灰分仪以及西北电力集团燃料公司研制的TN-2000型分析仪等。国外这类产品有德国的LB420型测灰仪，以及澳大利亚的COALSCAN系列产品（主要有2100型、2500型、2800型和3500型等）。这两种产品均代表了世界先进水平，在国内外的使用都获得的巨大成功。双能γ射线透射式测灰仪的缺点是首先对煤流的粒度有一定的要求，另外如果煤中高原子序数元素组成含量高对测试结果影响较大。
1.1.4 中子瞬发γ射线分析仪
研究表明，中子γ射线与待测煤样中目标元素的靶核相互作用，会发生中子俘获反应和非弹性散射反应，进而会产生特征γ射线。煤中的不同元素对应的特征γ射线的能量和峰面积也不同。中子瞬发γ射线分析仪就是利用这一理论设计生产的。这种设备不光能获得煤炭的灰分含量，同时还可以获取其他重要的煤炭工业指标，在石化、建材和农业等方面也有广泛的应用。但由于分析过程复杂，设备成本较高，并且需要频繁更换放射源，所以在选煤行业没有得到大范围推广。
1.2 无源测灰仪
无源测灰仪主要指天然γ射线测灰仪。这种设备通过使用高灵敏度的γ射线探测器来检测煤中天然放射性元素，进而确定其灰分含量。由于煤炭也是一种矿物质，含有一定量的铀、钍和钾等具有天然放射性的元素，并且煤中的无机矿物质（灰分主要成分）所包含的天然放射性元素要远远高于有机质（挥发分主要成分）含有的天然放射性元素。基于以上结论，通过使用高灵敏度的γ射线探测装置便可以对煤炭灰分含量进行快速检测。
这种类型的测灰仪由于其不需要使用專门的放射源，避免了放射源管理与维护，另外更具有实时性强、适应性强、安装简单等优势，在国内外均得到了较好的发展。国内应用比较好的产品是开封市测控技术有限公司的研发的NGAM-2008型天然射线灰分仪。国外比较有代表性的产品有英国的NGCQM型测灰仪和波兰的RODOS型测灰仪。
这种类型的设备存在的主要缺点就是：
首先，需要做好射线屏蔽工作以及配置高精度的探头。
其次，这种设备测试的准确度与待测煤样中放射性元素分布情况密切相关。
最后，与双能γ射线透射式测灰仪相比，这种设备测量精确度与准确度明显不高。
2 其他测灰仪
除过上面提到的原子辐射类灰分检测设备之外，还有近几年发展较快的基于图像识别技术的测灰仪，其工作原理是首先使用采用工业摄像机搭建的图像采集系统实时采集皮带上的煤粒图像，然后在计算机中使用一定的图像处理算法获得能够区分无机矿物质（灰分主要成分）和精煤的特征参数，最后通过建立模型实现煤炭灰分的实时在线测量[5]。这种设备具有无放射性、可实现灰分在线监测、检测速度快、管理使用方便等特点，发展前景广阔，但目前仍处在实验室研究阶段，还没有出现可以推广使用的产品。
3 结语
随着“中国制造2025”的提出，煤炭企业的转型升级
势在必行。其中全面实现煤炭灰分的在线监测就是重要一环。
本文主要介绍了基于原子辐射技术的煤炭灰分检测技术的发展，并从放射性检测和无源灰分检测两个方面介
绍了两大类设备的基本原理及对应产品的国内外使用情况。最后还介绍了基于图像识别技术的在线测灰仪，使读者能够对当前煤炭灰分检测技术发展有一个比较全面的了解。
参 考 文 献
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