Способ определения зольностиугля Советский патент 1981 года по МПК G01N23/02 

Изобретение относится к методам радиационного анализа веществ и может использоваться для определения зольности угля или кокса по прохождению или рассеянию рентгеновского или гамма-излучения. Точное знание состава угля или кокса очень существенно в процессе подготовки руды и «ля других производств, использующих их, с точки Зрения получения стабильного состав ши,хты или вырабатываемого продукта. Каменный угол и кокс состоят из собственно угольного вещества (кислорода и горючих веществ - углерода водорода и небольшого количества азота и серы) и минерального (в основном негорючего силиката алюминия и других силикатов, а также небольшого количества частично горюче-го сульфида железа). Зола представляет собой окисленный негорючий остаток после сгорания угля и по составу близка к минеральному веществу. Точное знание содержания минерал ного вещества в угле необходимо с точек зрения добычи, подготовки и использования угля. Особые преимущества дает непрерывный контроль состава угля в процессах его промыв ки, составления смесей, производстве кокса, управления питанием силовых установок, плавки металлов и производства газа. Уголь имеет различный минераилогический состав с широким диапазоном размеров частиц, он промывается для уменьшения содержания минерального вещества и получения более однородного продукта, а также смешивается для -придания ему свойств, необходимых для различных его применений; Если содержание минерального вещества контролируется непрерывно, то и процессы промывки и смешивания лучше управляются, а продукт получается более однородным, с меньшим содержанием минерального вещества и, следовательно, с лучшими свойствами. Известны непрерывные и экспрессные спосо&л определения содержания золы в каменном угле, основанные на рассеянии О-частиц или на прохождении и рассеянии рентгеновского или гамма-излучения, в которых средний атомный номер минеральных составляющих выше атомного номера угольного вещества,а взаимодействие Ви 1} -лучей с атомами зависит от атомного номера. В способах, основанных на рассеянии В-частиц, интенсивность их рассеивания зависит от среднего атомного номера материала. Поскольку средний атомный номер каменного угля возрастает с увеличением содержания минерального вещества, .интенсивность Sчастиц, рассеиваемых углем, пропорци ональна содержанию золы. В способах, основанных на прохождении Х- или -лучей малой интенсив ности, интенсивность прохождения изл чения сквозь образец определенного удельного веса на единицу площади уменьшается с увеличением массового коэффициента поглощения (рассеивания основного материала. При энергиях менее 10 кэВ массовый коэффициент поглощения быстро изменяется с атомныг номером, что соответствует изменению интенсивности прохождения с изменерием состава каменного угля. Отнесение интенсивности 3 прохождения параллельного пучка лучей сквозь образец угля толщиной х.и плотностью р к интенсивности DQ первичного пучка, падающего на детектор при отсутствии пробы угля, опреде.ляется формулой §--exp -(:,u,.c.)p-x, где |U ,и - Массовый коэффициент поглощения и концентрации (весовая доля) -тог6 элемента угля соответственно. Далее jU C;(U угольного вещества X С угольного вещества н-;и минег рального рещества х С минерал ьного вещества (2), а С угольного вещества + С минерального вещества 1.(3) Следовательно, если минеральное вещество, содержащееся в испытуемом образце угля, имеет практически постоянный состав и, если удельный вес угля на единицу площади (р-х) измерен отдельно, а результаты получены с помощью формул (1), (2) и (3), то концентрация минерального вещества, а следовательно, и соответствующее ей содержание золы определены. Высокая чувствительность к измене .нию содержания минерального вещества может.лбыть получена при использован способов, основанных на прохождении Х- и 55 -лучей, так как чувствительг ность к содержанию минеральног;о вещества пропорциональна х в уравнеНИИ (1 ) . В способах, основанных на рассеи вании Х- и 2Р-лучей, интенсивыесть излучения, рассеиваемого в угле, за висит от вероятности когерентного и комптоновского рассеяййя и поглощения Х- и 4-лучей внутри образца. Оптимгшьный уровень энергии для получени максимальной чувствительности к золе составляет от 10 до 20 кэВ. В этом случае ) где w и С - массовый коэффициент поглощения и концентрациисоответственно для 1-того элемента образца угля, а К зависит от общей геометрии и эффективности обнаружения и от мощности источника рентгеновского или гамма-излучения. Если образцы угля имеют минеральное вещество с практически постоянным химическим составом, то содержание минерального вещества и, соответственно, содержание ЭОЛЫ определяется Cl,И,Сз1 и Г4. Недостатком указанных способов является то, что средний атомный номер минерального вещества не остается постоянным, и,колебания содержания железа в минеральном веществе и влажности приводят к существенным ошибкам в анализе золы. Изменения в содержании железа в минеральном веществе влияют как на прохождение, так и на рассеяние рентгеновского и гамма-излучения и,соответственно, на способы, использующие эти явления, следующим образом. Если энергия Х-лучей рентгеновского излучения выбирается близкой к уровню поглощения К-оболочки железа (7,1 кэВ), массовый коэффициент поглощения железа и средняя его величина для остальных составляющих минерального вещества примерно одинаковы и, следовательно, содержание минерального вещества, а как следствие, и золы определяется с достаточной точностью. Однако рентгеновскре излучение такой энергии сильно поглощается и изменения возможны при использовании тонко измельченного (менее 0,3 мм) , что ограничивает использование этих способов. Если же выбирается рентгеновское излучение с энергией выяе уровня поглощения К-оболочки железа, то следует вводить поправку в зависимости от содержания железа, так как поглощение в нем на единицу веса значительно больше, чем в остальных составляющих минерального вещества. Вводимая пбправка зависит от возбуждения К-оболочки железа рентгеновским излучением. Этот способ используется на очень тонкого.помола, так как Кд,-излучение хорошо поглощается в слое угля менее 1 мм толщиной. Следовательно, кроме случаев, когда содержание железа практически постоянно, содержание минерального вещества и золы определяется с помощью рентгеновского или гамма-излучения с достаточной степенью .точности только тогда, когда частицы угля очень малы. Поэтому применение способа определения содержания золы в каменном угле с помощью рентгеновского излучения, а также гамма-излу чения низкой энергии нежелательно в случаях, когда содержание железа в минеральном веществе непостоянно, а также если размеры частиц угля недостаточ малы. Также не рекомендуется практи ческое применение способа определения содержания золы с достаточной точностью с использованием нейтрон-ной аппаратуры, в особенности для экспресс-анализа. Наиболее близким по технической сущности к.предлагаемому является способ определения зольности угля, заключающийся в том, что уголь облу чают рентгеновским или гамма-излуче нием двух различных энергий, регист рируют прощедшее или рассеянное изл чение каждой энергии и по полученны данным определяют зольность угля С Однако данный способ не позволяе получить высокую точность при измер нии содержания золы в угле. Цель иэобрете«ия - повышение точности анализа. Поставленная цель достигается тем что в способе определения зольности угля, заключающемся в том, что угол облучают рентгеновским или гамма-изл двух, различных энергий и регистрируют прошедшее или рассеянное излучение каждой энергии, величины энергий излучения выбирают таким о разом что поглощение излученияна единицу веса угля группой минеральны составляющих угля отлично от поглощения излучения на единицу веса угол ным веществом для каждой энергии и относительное поглощение на единицу веса угла излучения одйой энергии группой минеральных составляющих и угольным йеществом отлично от относительного поглощения на единицу веса излучения другой энергии. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Концентрацию минеральных составляющих в каменном угле или коксе определяют из результата измерения прохождения или рассеяния рентгеновского или гамма-излучения первой энергии, выбранной таким образом, что имеет место значительная разница в поглощении излучения на единицу веса в угольном и в минеральном веществах, в сочетании со вторым измерением прохождения или рассеяния рентгеновского или гамма-излучения второй энергии, выбранной таким образсм, что поглощение излучения на единицу веса в угольном веществе значительно отличается от поглощения в минеральном, а относительное погло щение на единицу веса в минеральном и в угольном веществах при первой энергии значительно отличается от от носительного поглощения при второй энергии. Концентрацию минеральных составляющих определяют с помощью вышеупомянутых измерений в сочетании с одним или более дополнительным измерением,выбранным из измерений веса на единицу площади, или величины, пропорциональной .указанной, или измерений объемной плотности. Обычно требуется только одно из этих двух измерений. В одном случае содержание золы определяется из двух измерений рассеяния рентгеновского или гамма-излучения низкой энергии при различных энергиях вез использования дополнительных . измерений, если геометрия источника, образца и детектора выбрана таким образом, что интенсивность рассеяния для излучения обеих энергий практически не зависит от объемной плотности каменного угля или изменяется одинаково при изменении объемной плотности. Если содержание влаги в угле или водорода в угольном веществе Зсоиетно изменяется, то увеличения точности определения содержания золы можно достичь., сочетая предлагаемый способ с измерением содержания влаги или водорода известными способами, а именно рассеянием или прохождением нейтронов, регистрацией гамма-излучения, возникающего при поглощении нейтронов водородом. Предлагаемый способ частично компенсирует изменения количества других элементов, а именно кальция или . серы в минеральном веществе, которые имеют высокий массовый коэффициент поглощения по сравнению с.о средним для других составляющих минерального вещества, и, следовательно, улучшает точность анализа содержания минерального вещества и золы. Более высокую чувствительность к изменению содержания золы имеет способ, использующий прохождение рентгеновского или гг1мма-излучения низкой энергии, которым можно определять содержание золы в каменном угле непосредственно в массиве,, т.е. в шпуре... Предлагаемый способ применяется для анализа каменного угля непосредственно на конвейере, в лотке или в трубе. Уголь при этом может быть сухим или в виде суспензии, большими кусками или тонко помолот. Кроме того, способ применяет с я для непрерывного анализа угля на содержание золы и для анализа дискретных проб угля. Величины низкой энергии рентгеновского или гамма-излучения -выбираются исходя из конкретных условий. Например,, в случае использования рентгеновского или гамма-излучения низкой энергии для определения содержания ЭОЛЫ в Кс1менном угле, находящемся на ленточном конвейере, энергия рентгеновского излучения выбирается такой, что в толще слоя угля происходит заметное поглощение, обеспечивающее высокую чувствительность к изменению содержания золы, однако при этом необходимо также существенное прохож дение излучения сквозь слой угля для точного измерения интенсивности прохождения лучей. В качестве источников рентгеновского и гамма-излучений низкой энерги для проведения анализа и-спользуют следующие радиоизотопы: Am - 241, Gd - 153, Cd - 109, Cm - 244, Pu - 23 и Co - 57. Они могут быт-ь использова ны и как источники прямой радиации, и как источники для облучения мише-ней, вторичное излучение которых может иметь широкий диапазон промежуточных энергий. Для получения гамм излучения используют Ва-133, Cs-137 и Со-бО. Наряду с радиоизотопными источниками могут быть использованы вакуумные, на они значительно сложне и дороже. В случае непрерывного контроля радиоизотопные источники и детекторы преимущественно располагаются в линию параллельно движению угля для того, чтобы уголь Находился в поле зрения каждой cHCTaNM источник детектор одинаковое время. Если предлагаемый способ используется для а 1ализа угля на ленточном конвейере, то в некоторых случаях необходимо компенсировать изменение толщины конвейерной ленты, для чего эта толщина непрерывно измеряется, например, с помощью обычной радиоизотопной аппаратуры при обратном ходе конвейерной ленты. П р и м ер. Уголь 1 (см,чертеж) находится на движущейся конвейерной ленте 2 и просвечивается двумя пучками рентгеновского или гамма-излучения, формируемыми в.параллельные Пучки свинцовыми экранами 3 таким образом, что попадание рассеянных углем лучей в детектор маловероятно Первый луч идет от источника 4 рент геновского излучения, имекяцего энер гию около 30 кэВ,и регистрируется сцинтилляционным детектором 5. Втор луч идет от источника 6, представляющего собой Ва-133 и Ат-241, и регистрируется другим сцинтилляцион ным детектором 7. Ва-133 излучает гамма-излучение с энергией 356 кэВ и другими- энергиями, а Ат-241 гамма-излучение с энергией 59,5 кэВ Небольшой экран размещен вокруг источника с Ва-133, чтобы уменьшить и тенсивность излучаемого Ва-133 гамма-излучения низкой энергии (менее 100 кэВ), попадающего на детектор 7, и, таким образом, повысить чувствительность к гамма-излучению с энергией 59,5 кэВ. Электронная аппаратура, используемая со сцинтилляционными детекторами 5 и 7, состоит из высоковольтного блока 8 для поляризации сцинтилляционных детекторов, усилителей 9, одноканальных анализаторов 10 или дискриминатора 11 для выбора амплитуд импульса, соответствующих принимаемому рентгеновскому или гамма-излучению, а также промежуточных блоков 12 для связи выходов блоков 10 и 11 с цифровым вычислителем 13, который масштабирует электрические импульсы и вычисляет содержание золы. Формула изобретения Способ определения зольности угля, заключающийся в облучении угля .рентгеновским или гамма-излучением двух различных энергий и регистрации прошедшего или рассеянного излучения каждой энергии, по результатам которой судят о зольности угля, отличающийся тем,что, с целью повышения точности анализа, величины энергий излучения выбирают таким образом, что поглощение излучения на единицу веса угля группой минеральных составляющих угля отлично от поглощения излучения на единицу веса угольным веществом для каждой энергии и относительное поглощение на единицу веса угля излучения одной энергии группой минеральных составляющих и угольным веществом отлично от относительного поглощения на единицу ве- са излучения другой энергии. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Cameron J.E. Measurement of Ash Content and Ca 1 orifiс Va 1ue of Coal with Radioisotopic tnst rumen ts . Proc. 2-nd Symp. on LOW-Energy X-and GammaSources and Applications, Austin, Texas, March,. 1967, ORKL-T 1 C-1 0 ,2 , 1967, p.903. o2. Nagy M.Varga R. Determination of Ash Contents of Coals by the Gammaray Transmission Method, Rad i.oi sotooe Instruments in Industry andGeophysics . Proc. Symp. Warsaw, 1965, 1, 3AEE, Vienna, 1966, p. 245. 3.Cameron 3.F., Claytln C.G. Radioisotope Instruments. Pergamon Press, Oxford, 1971, p.99. 4.Rhodes J.R. et a1. A Coal-Ash Moni tor wi th Low Oependance on Ash Comoosition. Radioisotope Instruments

I

In Induitry and Geophysics. Proc. Symp. Warsaw, 1965, 1, 0AEE , Vienna , 1966, p. 447.

5. Авторское свидетельство СССР О 129355, кл. G 01 N 23/02, 1960 (прототип).

V.