用于利用双能量的x射线透射测量和x射线荧光测量进行热值估计的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于利用双能量的X射线透射测量和X射线荧光测量进行热值 估计的方法和装置
[0001] 发明的技术领域
[0002] 本发明涉及用于在自动化程序中对生物材料的热值进行估计的方法和装置。本发 明特别有助于对诸如木片和煤的生物燃料的热值进行测量。
[0003] 背景
[0004] 生物材料以及尤其生物质燃料通常在燃烧过程中生成热和能量。木材是最重要的 生物质燃料之一。然而，不同的生物质燃料在燃烧之后生成的热量不同以及生成的残渣的 量和种类不同。针对不同种类和品质的木材也存在巨大的差距。这使得有效地控制燃烧或 者焚烧过程很困难。
[0005] 因此，能够估计生物材料的热值通常是非常重要的。例如在包括燃烧系统的生物 能源系统中，估计被提供给生物能源系统的材料的热值是非常重要的，以便更精确地控制 燃烧过程，以及提高燃烧的效率。热值在不同种类的生物材料间通常是各异的，而且在每种 生物材料内也是各异的。例如，相同种类的生物材料可以具有不同的含水量、不同的灰渣属 性等等。例如在木材中，这可以依赖包括树木或灌木的种类、树木或灌木的部位(树皮、木 材、树叶)等等的各种因素。
[0006] 在这些年期间已经提出了对不同材料的热值提供估计的众多建议。例如，U S 7690268公开了用于对流质材料的热值进行确定的方法。然而，该方法仅能够用于其发热值 预先知道的单个的、预定的材料。因此，当众多不同的材料同时进行使用时，则不能够使用 该方法。类似地，在US 3934139中公开的方法也涉及到对一种特定的材料的热值的估计，并 且还需要确定该材料的密度。在EP 0718553中公开的方法对材料的含水量进行确定，并且 假设材料的含水量与热值相关。尽管该假设对某些材料可能是正确的，但却不是普遍有效 的，这使得该方法用于处理各种生物材料的系统是困难的。此外，利用这样的已知方法的通 常的问题还在于装置是巨大且昂贵的，在于该方法实施起来是相当枯燥乏味和繁琐的，和/ 或在于其结果是不精确和不可靠的。
[0007] 在由相同申请人提交的W0 13/004593中，提出了显著改进的方法，其中热值的估 计从透射测量中是直接可获得的，其中是以诸如X射线的两种不同能级照射样品时该透射 测量被获得，并且将该透射测量与通过诸如绝热式热量计获得的参考数据相关。然而，有时 在生物材料中存在相当大含量的不可燃的成分，例如钙、钾和二氧化硅(例如以氧化物和/ 或碳酸盐的形式）、镁、磷光体以及重金属(例如钙、锌和铜）。这种不可燃成分的含量也可以 随着时间以及在样品与样品之间有着显著的不同。在这些情况下，使用先前已知的方法用 于有效地和精确地确定热值可能是困难的。
[0008] 因此存在对生物材料的热值进行快速并且可靠地估计的改进的方法的需要，以及 尤其需要当处理各种生物材料以及处理具有各种含量的非可燃成分的生物材料时也可以 应用的方法。
[0009] 发明概述
[0010] 因此本发明的目标是优选在自动化过程中提供用于对生物材料的热值进行估计 的改进的方法和装置，该改进的方法和装置克服或者至少减轻了上文讨论的现有技术的问 题。
[0011]该目标是通过如在所附的权利要求中所限定的本发明来实现的。
[0012] 根据本发明的第一方面提供了用于对生物材料的热值进行估计的方法，该方法包 括：
[0013] 利用至少两种不同能级的X射线辐射对生物材料进行照射；
[0014]对以所述能级穿过所述生物材料透射的辐射量进行测量；
[0015] 当以所述能级进行照射时，对由生物材料发出的荧光辐射进行测量；
[0016] 基于所述生物材料的热值的初步估计值和校正值确定热值的最终估计值，所述生 物材料的热值的初步估计值基于所测量的透射的辐射，该校正值基于所述荧光的辐射。
[0017] 本发明是基于先前已知的如在由相同申请人提交的W0 13/004593中所公开的方 法的认识的，以及W0 13/004593的公开内容通过引用被整体地并入本文，本发明可以通过 还对来自样品的荧光辐射进行测量得到显著地改进，并且将其作为校正值来使用。荧光辐 射(XRF)优选与透射辐射(DXA)同时地被测量。
[0018] 透射辐射的测量是非常强大的技术，因为其基于样品的吸收，以及完全地穿透样 品材料并且对样品材料描绘。因为此处DXA使用了至少两种不同的辐射能量，所以对样品的 不同元素进行量化是可能的，因为不同的元素在不同的能量上具有不同的X射线的吸收。然 而，附加的元素以及尤其具有相对高的原子序数(例如超过10的原子序数)的元素提供了误 差源(尤其如果这样的元素的含量变化时）。利用该DXA测量，透射值可以与热值直接相关， 而无需确定所使用的生物材料的种类、含水量等等。
[0019] 荧光测量(XRF)本身是已知的，并且能量分散的XRF可以诸如被用于借助来自被照 射的样品的荧光确定正被发出的X射线的量。每种元素在发出的荧光光量子中呈现独一无 二的能量，并且因此提供了关于出现在样品中的是哪些元素以及这些元素的量的信息。
[0020] 然而，利用XRF的劣势在于对具有低原子序数(通常10或更低）的元素的测量和量 化是困难的。这意味着XRF通常不能够对在生物材料和生物燃料中的最重要的成分(例如氧 (Z = 8)和碳(Z = 6))进行测量。此外，XRF还主要测量材料的表面，因为来自具有低Z值的原 子的XRF量子在样品中易发生自衰减并且经由周围的空气衰减。
[0021] 然而，本发明以非常有效的方式利用了这两种技术的差异化的可能性。通过利用 DXA来测量具有较低原子序数的可燃的元素（例如碳和水），以及利用XRF来确定非可燃元 素，即使在待被测量的生物材料的属性显著各异时，也能够获得热值的非常精确的估计。 DXA测量因此可以被用于确定初步的热值，而XRF被用于提供校正值，通过这种方式初步的 热值可以被调整到热值的更准确的最终估计值。
[0022] 值得注意的是，对成分和单个元素的量的精确的确定是不必要的，因为基于XRF测 量的校正值可以通过校准（即，相关到参考测量）以及通过查看在特定能带上的积分值被替 代地使用。因此，在本文的XRF与在常规XRF测量中的XRF使用不同，在常规XRF测量中单个的 峰被分析以对成分进行确定和量化。因此，来自不可燃元素(例如钙(Z = 20 )、钾(Z = 19)以 及硅(Z=14)、以及还可能的镁、磷和重金属（例如钙、锌和铜））的总的影响可以被分析，并 且用于提供校正值以改善初步的热值估计。
[0023]此外，因为DXA和XRF测量还可以同时进行并且所有的工序都在非常短的时间内 (例如在几毫秒内）进行，所以在在线系统(例如其中生物材料在传送带或其类似物上传送） 中使用该方法并且提供对随后工序的实时控制是可能的。
[0024] 术语"热值"在本文被用于指示由可燃物产生的能得到的净能量，该净能量是用于 生物材料的单位质量以焦耳或千卡表示的净能量。热值还可以被称为发热值。本发明的方 法可以被用于或者估计毛发热值(通常被称为高热值)或者估计净发热值(通常被称为低热 值）。在这两者之间的区别是净发热值不包括需要用来汽化在生物材料中的水的能量。
[0025] 本发明尤其有助于估计在木片中的热值，但是它也可以被用于其他形式的木材， 以及其他种类的生物材料，类似的其他种类的生物质燃料、森林残留物、煤等等。本发明对 以液态或者分散形式以及优选以片的形式的生物材料尤其有意义。然而，本发明还对其他 种类的生物材料有意义。
[0026] 在本发明应用的背景下利用不同的能量或不同的能级意味着在平均能量上的差 异。因此，特定能量的辐射(如在本发明应用中使用的）指的是具有在该能级上的平均能量 的辐射，即使该辐射可被提供在不同的能量的范围内。此外，X射线源还可以是多色的。因 此，只要不同能量或者不同能级的辐射的平均的能量彼此是不同的，那么，在能量范围内， 不同能量或者不同能级的辐射可以甚至是全部或者部分地重叠。
[0027] 本发明的方法利用了两种或更多不同能级的照射，并且直接或间接地根据被测量 的透射能量(即，在材料中被吸收