基于自然伽马射线在线测量煤灰分系统及方法与流程

本发明涉及煤炭灰分在线测量技术，具体涉及一种基于天然伽马射线的在线测量煤灰分的系统及方法。

背景技术：
煤灰分是煤在一定温度下充分、完全灼烧后，高原子序数氧化物残渣所占的质量分数(即重量百分比，记为Ad％)。煤灰分与煤的发热量密切相关，是评价煤质的主要指标之一，为提高煤的利用效率，必须严格控制煤产品的灰分。但是，传统的灼烧化验法工序复杂、给出结果的滞后时间长，不能适应煤产品质量控制的需要，无法进行实时控制，对煤资源的充分利用很不利。所以，在煤炭加工与利用中，非常需要能够在线测灰的方法和设备，以便可以快速、准确的检测煤中灰分的含量。目前在实际应用中，我国的煤炭加工与利用企业普遍使用基于双能量伽马射线透射法的在线灰分仪。根据张志康等编著，原子能出版社出版的《γ辐射煤灰分仪》一书的公开介绍，该在线灰分仪使用两种放射源，一种是241Am放射源，发射能量为60keV的低能伽马射线；另一种是137Cs放射源，发射能量为662keV的中能伽马射线。将两种伽马射线以同一准直射束透射同一被测煤层，它们将按照窄束伽马透射物质时的指数规律衰减。对于241Am低能伽马射线透射煤层后，其强度的衰减与煤灰分及煤层质量厚度(单位面积上煤的质量)有关，对于137Cs中能伽马射线透射煤层后，其强度的衰减仅与煤层质量厚度有关，因此通过测量两种伽马射线的衰减可以计算出煤灰分：Ad＝AK-B。式中，K＝(lnI0-lnI)/(lnJ0-lnJ)，I0，J0与I，J分别表示输送皮带上无煤和有煤时，测得的镅源与铯源的射线强度。由于双能量伽马射线透射法灰分仪使用两个放射源，出于对安全的考虑，我国现行法律法规对放射性物质的使用有严格的规定，用户需要经过环保、公安、卫生等部门的审批及备案后才能使用，在使用中还需要对放射源进行专人专职管理，防止放射性泄漏，污染环境危害人体健康，所以对于使用用户很不方便，另一方面241Am放射源严重依赖于进口，成本高，供货周期无保障。而且双能量测灰法的原理有其固有的不足：双能量法属于单点测量，如图1所示的在线灰分仪：放射源1为点源发射锥形伽马射线，探测器2仅能对扫视到的3-5cm宽区域的煤流3的灰分进行测量，容易受到皮带4横断面上煤流分布不均的影响，测量结果有很大的局限性，灰分代表性差。同时由于双能法所使用的241Am放射源为低能量源，要求皮带4上的煤流3的面密度在5-30g/cm2之间，否则如果煤流3厚度太厚伽马射线照射不透而太薄则影响到测量灵敏度，并且低能伽马射线对钙、铁等高原子序数元素很敏感，双能量灰分仪不适宜在煤质中钙、铁等元素组成波动很大以及内嵌有钢丝芯的皮带等场合使用。另外，双能法灰分仪在使用前需要进行动态标定以确定斜率系数A和截距系数B，标定过程中需要开动皮带，事先准备好在测量范围内具有代表性的煤样5-9份，特别对于大流量的输煤皮带而言，标定过程对人力、物力及财力的耗费很大，很多应用场合并不具备实施条件，因此，限制了双能法灰分仪的使用。专利申请公开号CN102778466A的发明专利，公开了一种基于单放射源的煤炭灰分检测系统，该系统仅使用137Cs放射源，利用多道数据分析能谱仪接收137Cs放射源的光谱信号，通过分析获取的32keV的X射线吸收峰的变化检测煤炭的灰分含量，通过检测其全能峰及康普顿平台的变化检测煤炭的质量密度，通过质量密度来修正由于煤炭质量密度变化带来的影响，有效地提高了煤炭检测的稳定性。该发明虽然减少了低能放射源241Am的使用，降低了成本，但是仍要使用137Cs放射源，利用其32keV的X射线吸收峰替代241Am的60keV伽马射线，该方法依然要基于放射源透射衰减的原理检测煤灰分，并没有完全放弃放射源的使用。同时，32keV的X射线相比于60keV的伽马射线能量更低，对煤流厚度的要求更苛刻，更不适于在内嵌钢丝芯的皮带的场合中使用，并且该发明仍然需要多个已知煤样来动态标定以确定斜率系数和截距系数。程小平等在《山西矿业学院学报》中发表的论文《利用天然伽马射线全能谱测量煤灰分的初探》中提出自然伽马射线在自然界中广泛存在，岩石、土壤中都有一定量的放射性核素，利用煤灰分中钾、钍、铀等自然放射性核素发出高能伽马射线与物质的相互作用所形成的低能峰，根据低能峰的计数与形状来测量灰分的设想，并定性地给出了煤的灰分含量与其伽马射线谱的相关关系。该方法以灰分中自然放射性核素为微小放射源，不使用人工放射源，不附加任何有害放射线，安全、可靠，检测方便、迅速。但是不足之处在于仅仅确定了灰分含量与自然放射性的定性关系而没有确定定量关系，而且忽视了煤炭的负荷参数与自然放射性强度的联系，该方法并不适用于在线煤灰分测量的场合。

技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中的不足而提供一种基于天然伽马射线的在线测量煤灰分系统及方法，利用煤灰分的自然放射性原理，不采用放射源，能够通过静态标定过程确定被测煤流的灰分、瞬时负荷与自然放射性的关系，灰分测量结果不受待测煤流中钙、铁等高原子序数元素组成波动、煤流厚度等的影响，实现皮带全断面测量，适用于内嵌钢丝芯的皮带等的场合。本发明的目的是这样实现的：一种基于天然伽马射线在线测量煤灰分系统，包括包裹在输煤皮带外部的屏蔽体、伽马射线探测器、电子皮带秤、能谱分析处理仪、主机，所述的伽马射线探测器布置在输煤皮带正下方，所述的输煤皮带布置在输煤皮带机架上，在输煤皮带下部的输煤皮带机架上布置电子皮带秤，伽马射线探测器及电子皮带秤分别由信号线与能谱分析处理仪相连，能谱分析处理仪通过数据线与主机相连；伽马射线探测器向能谱分析处理仪输出自然射线能谱信号及温度信号，电子皮带秤向能谱分析处理仪输出煤流瞬时负荷信号及皮带速度与开停信号，能谱分析处理仪对信号汇总，校正，补偿，向主机输出数字信号，主机根据获取的实时信号计算被测煤流的灰分。基于以上所述，所述的屏蔽体长3～4米，形成长3～4的环境本底辐射屏蔽区。基于以上所述，所述屏蔽体由钢结构框架和可拆卸的金属板材拼装而成，金属板材52厚度不低于6cm。基于以上所述，所述的伽马射线探测器内置有用以接收将煤流发出的伽马光子转换为能谱电脉冲信号的低钾闪烁体探测器和温度传感器。基于以上所述，所述的电子皮带秤的称重区域与伽马射线探测器的探测区域以及环境本底辐射屏蔽区为输煤皮带的同一区域。基于以上所述，所述电子皮带秤以不低于20次/每秒的频率向能谱分析处理仪输出基于煤流瞬时负荷或瞬时流量的4-20mA电流信号，同时向能谱分析处理仪输出代表皮带开停的无源开关量信号。一种基于天然伽马射线的在线测量煤灰分的方法，其测量步骤如下：输煤皮带上煤流中灰分发出的钾、钍和铀等自然高能伽马射线透过输煤皮带，被伽马射线探测器接收到，伽马射线探测器将辐射光子转换为能谱电脉冲信号传输向能谱分析处理仪，同时电子皮带秤将代表煤流瞬时负荷的4-20mA电流信号传输向能谱分析处理仪，能谱分析处理仪获得伽马射线探测器内的温度信号依据温度校正曲线对能谱电脉冲信号校正、补偿、统计计数，计算能谱峰面积数据，将峰面积数据与实时负荷数据转换为数字信号传输到主机，主机根据下式计算实时灰分：Ad＝A*X3+B*X2+C*X+D式中，X＝能谱峰面积/瞬时负荷，A，B，C，D为待定系数，根据静态标定数据利用回归处理得到。所述的标定过程为静态标定过程，包括以下步骤：1)分别制取输煤皮带上平时所输送煤流的最高灰分和最低灰分的两种煤样，两种煤样的重量均为相当于输煤皮带最大负荷时，皮带上1.5m长煤流的煤重；2)将高灰分煤样破碎到粒径为6mm以下，混合均匀，并化验出具体的灰分值，同时将混合后的煤样均分成10份，每份装袋，供后续铺煤步骤使用；将低灰分煤样破碎到粒径为6mm以下，混合均匀，并化验出具体的灰分值，同时将混合后的煤样均分成10份，每份装袋，供后续铺煤步骤使用；3)输煤皮带空载运行后停止，将环境本底辐射屏蔽区内输煤皮带彻底清扫，随后向上逐层铺高灰分煤样，每次铺煤一袋，即所制高灰分煤样总重量的10％，共铺煤10次，铺煤断面的形状与平时输煤时的情况相同，每一次铺煤完成后，至少记录三组峰面积数据，每组数据的采样时间设置为360s；4)清空输煤皮带上的高灰分煤样，将输煤皮带彻底清扫，随后向上逐层铺低灰分煤样，每次铺煤一袋，即所制低灰分煤样总重量的10％，共铺煤10次，铺煤断面的形状与平时输煤时的情况相同，每一次铺煤完成后，至少记录三组峰面积数据，每组数据的采样时间设置为360s；5)为了确保标定数据的准确性，每次采样时间内，标定人员应当距离铺煤区域至少3m距离，以排除人自身的射线干扰；铺煤结束后，向主机中输入记录的峰面积参数、负荷参数及灰分参数，主机依据所输入的参数用回归处理确定系数A、B、C和D。本发明的有益效果是：利用煤炭自身的自然伽马射线特征能谱的峰面积及煤流负荷与灰分的关系实现在线测量灰分，不再使用放射源，安全、环保、可靠。伽马探测器探测皮带上煤自身发出的自然伽马射线，实现了对皮带上煤流的全断面测量，相比于有源灰分仪，测量区域更宽，测量结果更有代表性。煤灰分的自然放射性来自高能伽马射线，透射能力强不受煤流厚度、粒度、堆积状况以及钙、铁含量的影响，因此可适用于原煤，灰分含量高及钢丝芯皮带的场合。自然伽马射线在线灰分测量系统通过静态标定过程确定计算系数，标定过程在皮带停止运行的情况下进行，仅需要高限、低限两种煤样，与有源灰分仪的动态取样标定过程相比，操作简单，安全，所需煤样的种类少，重量轻，极大节省了用户的人力、物力及财力。附图说明图1为双能量法在线灰分仪的结构示意图。图2为本发明基于自然伽马射线在线煤灰分测量系统的组成结构示意图。图3为本发明基于自然伽马射线在线煤灰分测量系统中环境辐射屏蔽体与电子皮带秤及伽马射线探测器的安装位置示意图。图4为本发明基于自然伽马射线在线煤灰分测量方法的流程框图。图5为通过静态标定得到的煤灰分、煤的自然伽马放射性及煤的重量的关系的校准曲线图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明作进一步的描述。如图2所示，一种基于天然伽马射线在线测量煤灰分系统，包括包裹在输煤皮带4外部的屏蔽体5、伽马射线探测器6、电子皮带秤7、能谱分析处理仪8、主机9，屏蔽环境本底辐射的屏蔽体5包裹在输煤皮带的左、右、上方，所述的伽马射线探测器6布置在输煤皮带4正下方，所述的输煤皮带4布置在输煤皮带机架10上，在输煤皮带4下部的输煤皮带机架10上布置电子皮带秤7，所述电子皮带秤7安装于屏蔽体5所形成的环境本底辐射屏蔽区，可根据皮带机10条件，使用采用四只称重传感器的全悬浮式秤架或两只称重传感器的杠杆式秤架结构。伽马射线探测器6及电子皮带秤7分别由信号线11与能谱分析处理仪8相连，能谱分析处理仪8通过数据线12与主机9相连；伽马射线探测器6向能谱分析处理仪8输出自然射线能谱信号及温度信号，电子皮带秤7向能谱分析处理仪8输出煤流3瞬时负荷信号及皮带速度与开停信号，能谱分析处理仪8对信号汇总，校正，补偿，向主机9输出数字信号，主机9根据获取的实时信号计算被测煤流的灰分。所述能谱分析处理仪8是一款基于ARM内核的STM32芯片为中央处理器的嵌入式计算机，工作频率72MHz，芯片配有八通道12bitADC，计数器，USART通讯接口，通用IO等外设，用于对输入信号经行模拟数字转换，统计计数，运算，信号汇总等工作，使用全双工串行数字接口与主机通讯。所述主机9是研华IPC610L工控机，通过MOXA串口卡接受数字信号，运行灰分计算程序，统计灰分报表等，基于WindowsXP编制软件程序。基于以上所述，所述的屏蔽体5屏蔽环境本地辐射形成3-4米长的环境本底辐射屏蔽区。所述屏蔽体5由钢结构框架51和可拆卸的金属板材52拼装而成，金属板材52厚度不低于6cm，一般采用6-15cm的厚度，安装在钢结构框架上，方便安装拆卸。周围环境存在的放射性辐射，称为本底辐射，且本底射线是随机事件，6cm的钢板可将环境射线滤除掉(屏蔽)90％，15cm的钢板可虑掉99％，因此屏蔽环境本底辐射的屏蔽体覆盖在输煤皮带的上部及两侧，防止无用射线对探测器的干扰，有效提高了伽马射线探测器6探测煤流自身伽马射线的探测效率。基于以上所述，所述的伽马射线探测器6内置有用以接收将煤流发出的伽马光子转换为能谱电脉冲信号的低钾闪烁体探测器和温度传感器。所述伽马射线探测器6安装于环境本底辐射屏蔽体5所形成的本地辐射屏蔽区内，四周及底部外壳由铅材料屏蔽，顶部开有供伽马射线透射的环氧树脂探测窗紧贴于输煤皮带的下侧，可以更高效地探测煤自身发出的自然伽马射线。伽马射线探测器6内置有高能量分辨率和探测效率的低钾闪烁体探测器，由NaI(T1)闪烁晶体、光电倍增管、前置放大电路，脉冲整型电路组成，闪烁晶体的尺寸范围Φ100*200～Φ100*300mm。伽马射线探测器内还置有温度传感器Pt100探头，用于探测内部的温度参数，供能谱分析处理仪对能谱信号校准，补偿使用。为了避免电脉冲信号的衰减，伽马射线探测器使用同轴电缆作为信号线与能谱分析处理仪8相连。基于以上所述，所述的电子皮带秤7的称重区域与伽马射线探测器6的探测区域以及屏蔽体5屏蔽本底辐射形成的本底辐射屏蔽区重合在输煤皮带4的同一区域。基于以上所述，所述电子皮带秤7以不低于20次/每秒的频率向能谱分析处理仪8输出基于煤流3瞬时负荷或瞬时流量的4-20mA电流信号，同时向能谱分析处理仪8输出代表皮带开停的无源开关量信号。称重传感器的量程范围依据皮带额定流量而定。由于负荷参数参与灰分计算，为了消除皮带4上煤流3负荷波动较大带来的干扰，确保在线灰分测量的实时性与准确性，降低测量系统误差，电子皮带秤7以不低于20Hz的频率输出基于煤流瞬时负荷信号的4-20mA电流信号，电子皮带秤7的计量精度不低于0.5级。同时，电子皮带秤7向能谱分析处理仪8输出表示皮带开停的无源开关量信号，防止停止皮带上的余煤对测量的干扰。图3为环境本底辐射屏蔽体5，伽马射线探测器6及电子皮带秤7在输煤皮带上安装位置的示意图，环境本底辐射屏蔽体5覆盖输煤皮带形成长度为3～4m的本底辐射屏蔽区。电子皮带秤7为14型全悬浮式结构，两组称重桥架，共使用4只称重传感器，称重区域长度为4.8m。伽马射线探测器6长度为0.8m，与电子皮带秤7一同安装于防本底辐射干扰区内。因此，本底辐射屏蔽区与负荷称重区及伽马射线探测区重叠覆盖，即所探测伽马射线的煤流与称量负荷的煤流为同一煤流区，消除了因皮带上流量不平稳而引起的煤流前后厚薄不一所带来的测量误差，可在硬件上省去皮带上的平整挡板或束流装置，在软件上不必再进行时间延迟补偿操作，大大提高了灰分测量的准确性与实时性。一种基于自然伽马射线在线测量煤灰分的方法，其测量步骤如下：输煤皮带4上煤流3中灰分发出的钾、钍和铀等自然高能伽马射线透过输煤皮带4，被伽马射线探测器6接收到，伽马射线探测器6将辐射光子转换为能谱电脉冲信号传输向能谱分析仪8，同时电子皮带秤7将代表煤流3瞬时负荷的4-20mA电流信号传输向能谱分析仪8，能谱分析仪8获得伽马射线探测器6内的温度信号依据温度校正曲线对能谱电脉冲信号校正、补偿、统计计数，计算能谱峰面积数据，将峰面积数据与实时负荷数据转换为数字信号传输到主机9，主机9根据下式计算实时灰分：Ad＝A*X3+B*X2+C*X+D式中X＝能谱峰面积/瞬时负荷，A，B，C，D为待定系数，根据静态标定数据利用回归处理得到。所述的标定过程为静态标定过程，包括以下步骤：1)分别制取输煤皮带上平时所输送煤流的最高灰分和最低灰分的两种煤样，两种煤样的重量均为相当于输煤皮带最大负荷时，皮带上1.5m长煤流的煤重；2)将高灰分煤样破碎到粒径为6mm以下，混合均匀，并化验出具体的灰分值，同时将混合后的煤样均分成10份，每份装袋，供后续铺煤步骤使用；将低灰分煤样破碎到粒径为6mm以下，混合均匀，并化验出具体的灰分值，同时将混合后的煤样均分成10份，每份装袋，供后续铺煤步骤使用；3)输煤皮带空载运行后停止，将环境本底辐射屏蔽区内输煤皮带彻底清扫，随后向上逐层铺高灰分煤样，每次铺煤一袋，即所制高灰分煤样总重量的10％，共铺煤10次，铺煤断面的形状与平时输煤时的情况相同，每一次铺煤完成后，至少记录三组峰面积数据，每组数据的采样时间设置为360s；4)清空输煤皮带上的高灰分煤样，将输煤皮带彻底清扫，随后向上逐层铺低灰分煤样，每次铺煤一袋，即所制低灰分煤样总重量的10％，共铺煤10次，铺煤断面的形状与平时输煤时的情况相同，每一次铺煤完成后，至少记录三组峰面积数据，每组数据的采样时间设置为360s；5)为了确保标定数据的准确性，每次采样时间内，标定人员应当距离铺煤区域至少3m距离，以排除人自身的射线干扰；铺煤结束后，向主机中输入记录的峰面积参数、负荷参数及灰分参数，主机依据所输入的参数用回归处理确定系数A、B、C和D。具体如下：如图1和图4所示，本发明利用自然伽马射线在线煤灰分测量系统的测量方法，环境本底辐射屏蔽体5屏蔽来自环境宇宙射线对伽马探测器6的干扰，伽马射线探测器6探测皮带4上煤流3发出的自然伽马射线，光子经闪烁晶体，光电倍增管及脉冲整形电路后输出电脉冲信号，电脉冲信号的幅值大小表示自然伽马射线粒子的能量，电脉冲信号的计数率表示自然伽马射线的强度。电脉冲信号经低阻抗的同轴电缆传输到能谱分析处理仪8，能谱分析处理仪8将电脉冲信号进行多道转换，形成以钾40的1.46MeV，铀系的1.76MeV，钍系的2.62MeV为特征峰的能谱曲线。由于伽马射线探测器6内光电倍增管的放大系数会随温度变化而漂移影响到能谱曲线的峰位置，因此，能谱分析处理仪8实时读取伽马射线探测器6内的温度信号，根据温度变化进行稳谱调节。由于输煤皮带4周围环境的温度变化非常缓慢，且变化范围较窄，因此能谱分析处理仪8可基于经标定的光电倍增管的温度漂移曲线对所统计峰面积上下阈的阈值经行粗调，校正峰位置，补偿峰面积，对上下阈值间的能谱区域计数统计，得到峰面积值。电子皮带秤7每50ms向能谱分析仪提供一次基于皮带瞬时负荷的4-20mA电流信号，其中4mA表示零负荷，20mA表示最大负荷。能谱分析处理仪8读取负荷信号，将模拟信号转换为数字信号。为了排除输煤皮带4停止运行，对灰分计算的影响，电子皮带秤7输出代表输煤皮带4开停的无源开关量信号：0表示皮带停止运行，1：表示皮带开始运行。主机9依据能谱分析仪8给出的峰面积，瞬时负荷参数依据下式既可计算出实时灰分值：Ad＝A*X3+B*X2+C*X+D式中X＝能谱峰面积/瞬时负荷，A，B，C，D为待定系数，通过静态标定得到。图5是经现场静态标定得到的高灰与低灰煤样峰面积与负荷重量关系的校准表。依据现场情况，选取高灰与低灰煤样各200kg，铺煤长度1.5m，经破碎、缩分、化验得高灰分煤样灰分值42.73％，低灰分煤样灰分值19.04％。依据静态标定步骤，停止皮带运行，向屏蔽体内的1.5m长皮带上铺煤，每次铺煤20kg，每次铺煤完成后记录10组峰面积数据，取平均峰面积。高灰分静态标定数据如下：灰分42.73铺煤重量kg平均峰面积0176.7620212.140230.36024380260.2100271.8120283140292.1160302.5180308.9200313.5低灰分静态标定数据如下：灰分19.04铺煤重量kg平均峰面积01742018740199.760212.380220.3100230.4120238.4140244.7160248.1180250.6200251.6利用图4生成的校准表，得到煤样灰分与峰面积及负荷的关系，利用线性回归处理可以得到相应的参数如下：A＝0，B＝0，C＝10，D＝5。利用标定后的参数，经行在线灰分测量，经取样10组样品后与化验值相比如下：序号测量值化验值偏差值137.2735.891.38235.5536.63-1.08327.2528.91-1.66427.9327.420.51528.627.451.15626.6425.960.68737.6141.74-4.13830.2131.46-1.25930.2530.4-0.151032.0831.340.74本发明前文所述的优选实施方式是用以举例说明并描述本发明的目的。不应当将本发明限制在所揭露的内容之内，还有可能通过来自于上述记载内容中的启示和对本发明的实践来获得对本发明的调整和改变。因此，本发明所给出的具体实施方式并不是限制而是解释本发明的技术精神，本发明的保护范围并不受制于具体实施方式。本发明的保护范围应当由权利要求确定，对本发明的等同替换也应当视为不超出本发明的保护范围。