CN103962316A - 材料分选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用X射线线性吸收系数的差异来处理矿石并将原子数较高的元素从原子数较低的元素中除去。在矿山使用这种干法减少了污染和运输成本。本发明的一个实例是从煤炭中排出具有硫、硅酸盐、汞、砷和放射性元素的夹杂物。这减少了煤灰的量和毒性。这也减少了空气排放和清洁来自煤炭燃烧的烟道气所需的能量。所述排出元素的去除提高了热效率并减少了污染和发电的碳足迹。
Description
本申请是于2010年6月30日提交的题为“材料分选方法”的中国发明专利申请第201010222089.8号的分案申请。
技术领域
本申请涉及煤炭分选领域，具体而言，涉及一种利用X射线线性吸收系数的差异来处理矿石并将原子数较高的元素从原子数较低的元素中除去的方法。
背景技术
天然煤炭是碳、烃类、水分和具有较高原子数的污染矿物的混合物。煤炭产生美国电力的一半，但公用事业公司面临减少其碳足迹(carbon footprint)和来自汞、硫及煤灰污染的压力。对于公用事业公司而言，清洁煤灰溅泄物和提供必要污染控制的成本过高。美国环保局现正要求对汞和硫的排放进行更严格的控制。此外，新规则将对硫排放强制执行每小时限制，而非24小时内的平均限制。通常，在黄铁矿中，60％～80％的汞与硫伴生。根据开采煤炭所在区域，美国所用的煤炭中污染物的典型天然含量为约3％～约30％，平均为约10％。
公用事业公司和工业锅炉中的煤炭燃烧产生上百万吨的煤灰、矿渣和污泥。燃烧除去了可燃的有机组分但浓缩了煤灰中天然存在的放射性核素，包括铀、镭、钍和钾。煤灰还含有硅、铝、铁和钙。事实上，这些元素构成约90％的煤灰组分。为遵守环保局法规必须减少汞排放。减少汞排放的选择包括选择性开采煤炭(避免硫和汞较高的煤床层部分)、煤炭洗涤(除去含有煤炭中60％～80％的汞的黄铁矿)、燃烧后从烟道排放物中除去汞或使用天然气代替煤炭。
目前的煤炭处理利用煤炭和污染物的密度差异来除去非可燃物。约95％的煤炭处理目前采用湿法。煤炭的比重通常为1.2，而岩石和较重矿物的平均值为2.5。原煤(run of the mine coal)通常首先被减小至低于2英寸(5cm)的尺寸，随后将其导入水-磁铁矿浆料浮选介质中。所述水浆料具有使液体比重升高至高于煤炭比重的化学物质。水浆料中的磁铁矿比例控制密度。较重的硫和硅酸盐沉下而较轻的煤炭浮出。
湿法处理能减少煤炭的灰和硫含量，但其将所处理的煤炭打湿。而且，液体介质需要在废水处理设备中进行处理。煤粉和水产生带来环境问题的污泥。一些工艺使用酸来去除污染物并对水产生污染。湿煤中水的潜热将来自煤炭燃烧的可回收能量减少了1％～2％。这种可用能量的减少增加了发电的碳足迹。
发明内容
本发明公开了材料分选方法。所公开的方法使用X射线来将诸如煤矿石的矿石从诸如硫的污染物中分选出来。还公开了在X射线分选方法中使用指示杆(calibration bar)的方法。在某些实施方式中，材料分选方法包括：提供样品；将样品尺寸减小至10厘米以下；测定样品的最厚床层深度的最小X射线吸收；测定样品块的X射线吸收；鉴定X射线吸收大于最厚床层深度的最小X射线吸收的样品块；从剩余样品中分选出X射线吸收大于最厚床层深度的最小X射线吸收的样品块。本发明的其它实施方式包括鉴定与样品的最厚床层深度(thickest bed depth)的最小X射线吸收的X射线透射百分比相比X射线透射百分比减少20％以上的样品块。本发明的仍然其它的实施方式包括测定在高于硫的K吸收边沿(K absorption edge)的能量处的X射线吸收。
本发明的另一个实施方式是减少煤炭中的硫的方法，所述方法包括：提供煤矿石样品；将样品尺寸减小至10厘米以下；对于高于硫的K吸收边沿的X射线能量范围测定样品的最厚床层深度的最小X射线吸收；测定高于硫的K吸收边沿的X射线能量范围内的样品块的X射线吸收；鉴定X射线吸收大于最厚床层深度的最小X射线吸收的样品块；从剩余样品中分选出X射线吸收大于最厚床层深度的最小X射线吸收的样品块。本发明的其它实施方式包括：通过将样品运送至气动排出阵列(air ejection array)和对该气动排出阵列的至少一个气动排出器(air ejector)供能以便基于所述确定来分选样品，从而分选样品块。本发明的其它实施方式包括利用燃烧烟道气来减少火灾和爆炸危险。
本发明的再一个实施方式是从矿石分选材料的方法，所述方法包括：提供样品，其中样品包括矿石和其它材料；用多种X射线能量照射样品；检测矿石和材料在第一X射线能量和第二X射线能量处的X射线吸收值；给予第一X射线能量和第二X射线能量处的X射线吸收值来测定矿石的原子数范围；基于第一X射线能量和第二X射线能量处的X射线吸收值来测定每一种材料的原子数范围；测定样品块的原子数是否大于矿石的原子数；根据该测定来分选样品块。本发明的其它实施方式包括测定样品块的原子数是否比矿石的原子数至少大4。在本发明的其它实施方式中，分选样品块还包括将样品运送至气动排出阵列和对该气动排出阵列的至少一个气动排出器供能以便基于所述测定来分选样品。在本发明的其它实施方式中，检测X射线吸收值还包括将样品在X射线源与X射线检测器之间输送。在某些实施方式中，所述矿石是煤炭，且所述材料是矿石中的金属夹杂物(metallicinclusion)。
本发明的又一个实施方式是提供具有与所处理的煤炭的最大床层深度相同的X射线吸收的指示杆的方法，所述方法通过测定煤炭的原子组成和用相同比例原子组成的原子数小于10的元素制成“清洁煤炭”装置而实现。本发明的另一个实施方式是材料分选方法，包括提供指示杆；用X射线照射指示杆；标定X射线传感装置，使得当检测到X射线透射百分比低于指示杆的X射线透射百分比的样品时确定所述样品有待分选；分析样品；并分选样品。该方法的其它实施方式包括测定X射线传感装置的床层深度。本发明的其它实施方式包括根据所述床层深度的测定来选择指示杆。在本发明的其它实施方式中，分析样品还包括：检测样品块的X射线吸收值；测定是否任何样品块均具有与指示杆的X射线透射百分比相比减少了20％以上的X射线透射百分比；鉴定具有与指示杆的X射线透射百分比相比减少了20％以上的X射线透射百分比的样品块，从而将此类样品块分选出来。在本发明的其它实施方式中，指示杆具有与原子数为10以下的样品元素的分布成正比的原子量吸收系数。
因此，本发明的一个方面是提供从污染物中分选煤矿石的方法。
本发明的另一个方面是提供使用X射线能量以分选材料的方法。
本发明的再一个方面是提供在所述材料分选方法过程中使用的指示杆。
附图说明
图1显示了本文所公开方法的一个实施方式的流程图。其中所示为材料分选方法的步骤。
图2显示了用于实践本文所公开方法的装置的一个实施方式的侧视示意图。其中所示为用于在X射线源和X射线检测器之间运送煤炭的传送带。此外还显示了用于将煤炭分离至所示区域内的计算机和排出系统。
图3是用于实践本文所公开方法的装置的一个实施方式的示意侧视图。具体而言，其中所示为用于从较大的煤炭样品颗粒中分离常称为煤粉(coalfine)的极小煤炭颗粒的气刀。如图所示，煤炭样品被分为3个不同组。
图4是用于实践本文所公开方法的装置的一个实施方式的示意侧视图。就煤粉的分离而言，所述实施方式包括用于进一步将具有金属污染物的煤粉从不具有金属污染物的煤粉中分离的气动工作台(air table)。由此，煤炭样品被分为图中所示的4个组。图中所示的另一个实施方式是使用燃烧空气来减少煤尘的火灾和爆炸危险。
图5是图4中所示气动工作台的示意性截面图。其中所示为振动器、空气喷射器和磁铁。
图6是X射线测量装置的端视图横截面的示意图，该装置在其传送带的适当位置具有指示杆。该指示杆位于X射线源与检测器阵列之间。
图7显示了来自the National Institute of Standards and Technology的在一定范围的X射线能量中的黄铁矿(FeS)、煤炭和二氧化硅(SiO2)的线性吸收系数。此外还显示了它们的密度。煤炭在不同的矿山之间甚至在相同的煤炭矿脉内都有所不同；对于煤炭没有标准定义。所示的煤炭吸收是折合为典型烟煤(bituminous coal)的1.2密度的石墨的NIST值。
图8显示了由the National Institute of Standards and Technology的吸收系数信息计算的所列材料在一定X射线能量范围内的透射百分比。
图9显示了实施例4中进行的分析的结果。
图10显示了实施例5中进行的分析的结果。
具体实施方式
本发明公开了从煤炭分选出污染物的方法。所述方法公开了使用特定的X射线能量来检测煤炭块内的污染物如硫、汞和铁，从而可以将此类污染物从没有污染物的其它煤炭块中分选出。简言之，本文所公开的方法包括以下步骤：根据需要将较大的煤炭块破碎，以极快速率分析煤炭块，并分选出具有不合需要的污染物夹杂物的煤炭块。
本文所公开的方法可以用于“清洁”煤炭，从而在煤炭用于燃煤发电厂时减少硫和汞等。使用从煤炭除去污染物的方法具有若干优点以便提供可将污染物(例如硫)的量显著减少至低于目前的洗涤技术可达到水平的成本有效的干法。例如，更清洁的煤炭通过减少矿渣和腐蚀问题而改善了鼓风机的性能。同样，本文所公开的干式处理法减少了对煤炭进行洗涤处理中使用的水量，从而减少了对废水处理的需要。此外，“清洁”煤炭的更高热值增加了锅炉的容量。另外，总灰量减少且更少的显热(sensible heat)损失至水分和底灰中。烟道气脱硫(FGD)的能量需求可高达燃煤工厂的电力产量的10％。FGD系统通常具有更好的运转和更低的功率损失及更清洁的低硫煤炭。恒定的低硫水平使得FGD系统更容易遵从EPA的每小时硫排放限制。因此，据预期，由本文所公开方法预期的能量效率的增加可提供每千瓦碳足迹的直接减少。本文所公开方法提供了从煤炭除去污染物的成本有效的方法，这种煤炭在燃烧时将显著减少发电的污染和碳足迹。
作为背景，材料中的X射线吸收是材料密度和原子数的函数，其也是入射X射线能量的函数。给定的材料件将会根据入射X射线的能量而不同程度地吸收X射线。原子数不同的材料会有差异地吸收X射线。例如，原子数较高的材料对X射线的吸收将远比原子数较低的材料更容易。此外，给定材料在一定X射线能量范围内的吸收曲线会不同于另一种材料在相同能量范围内的吸收曲线。穿过材料的X射线透射由等式N(t)＝N0e-ηρt给出，其中N(t)是在初始的N0光子行进穿过密度为ρ的材料的厚度t之后剩余的光子数。质量衰减系数η是给定材料的性质且依赖于光子能量。值ηρ是指给定材料的线性吸收系数(μ)。对于大多数材料来说系数μ的值已由研究人员确立且这些值依赖于入射X射线光子的能量。大多数元素的μ/ρ(＝η)的值可见于the National Institute of Standards andTechnology(NIST)的互联网网站。所述值的列表详尽涵盖了所有稳定元素的各种光子能量值(例如，千电子伏，简称为KeV)。给定材料的ρ值就是其以克/cm3计的密度，且可见于许多教科书中，也可见于NIST网站。N(t)/N0之比是光子穿过厚度为t的材料的透射率，且通常以百分比给出，即光子传输透过所述材料的百分比。
材料的吸收曲线可证明足以用于鉴定和分选。然而，通过荧光信息可提高鉴定过程中的确定性。当X射线通过材料时，某些能量高于组分元素电子激发能的X射线被吸收，而受激发的原子中的一些能量作为带荧光的光子再次发射。具有足以将电子从原子射出的能量的这种X射线吸收的急剧跳跃被称为“吸收边沿(absorption edge)”。荧光辐射是各向同性的并且具有比该吸收边沿更低的能量。本发明利用具有高于硫的吸收边沿的能量的X射线，但不利用X射线荧光。
在本发明的某些实施方式中，材料分选方法包括：提供样品，将样品块减小至适当尺寸，设定检测阈值，和根据分选参数来分选样品。本文公开了用于实践所公开方法的各种实施方式。作为背景，针对各种X射线测定系统的美国专利包括于2009年7月21日授予Sommer等的7,564,943；于2006年8月29日授予Sommer等的7,099,433；于2000年2月1日授予Sommer等的RE36537；于1998年4月14日授予Sommer等的5,738,224；于2010年2月16日授予Klein的7,664,225；于2002年1月15日授予McHenry等的6,338,305；于2009年6月2日授予Vince等的7,542,873；于2007年4月3日授予Laurila等的7,200,200；于1998年10月6日授予Connolly等的5,818,899；于1984年12月4日授予Page等的4,486,894；于1978年5月16日授予Watt等的4,090,074；和于1983年3月22日授予Massey等的4,377,392，本文通过参考并入其每一篇的全部内容。
现参考图1，图中显示了从煤炭分选污染物的方法的一个实施方式。该方法从提供样品100开始。样品由煤炭块的混合物构成。某些块具有较大的污染物夹杂物，而其它则没有或仅有极小的夹杂物。通过说明性而非限制性的方式，污染物的实例包括硫、汞、硅酸盐、碳酸盐、铁、钙和铝等。然后样品经过调整尺寸102步骤以便将样品块的尺寸减小至适当尺寸，如本文所进一步说明般。为设定分析参数，选择代表最厚的块或最厚的床层深度的个体样品件进行照射104。最厚床层深度(thickestbed depth)是指用于进行处理的机器的床层深度。如本领域技术人员所知的，床层(bed)是指样品所通过的机器部分。因此，在本文公开的某些实施方式中，所述方法包括测定样品的最厚床层深度的X射线吸收。如下完成排出阈值(ejection threshold)的测定106：首先如所公开的那样以一定范围的X射线能量照射最厚的样品块或最厚的床层深度，并使用最大信号来标定检测器阵列中的像素。在该方法的某些实施方式中，X射线能量范围是大于硫的K吸收边沿的X射线能量范围。检测器阈值可定义为来自不带任何污染物夹杂物的煤炭样品的最厚区域的信号电压的百分比(例如，80％)。然后将排出阈值设定为测量循环期间的信号低于检测器阈值的像素读数的百分比。具有小于阈值的水平的像素信号的数目设定了排出的污染物的最小尺寸。25像素/cm的检测器能检测0.4mm的物体。基于单次低像素读数的排出能将污染物减少至100ppm。尽管基于像素的排出可用于从基岩提取金，对于煤炭的更典型的需求可为在典型的650像素信号/平方厘米样品中具有带有低信号的250像素。其后，如本文所公开的，进入传感区108的样品受到照射，由此进行X射线透射的测量110。在测定X射线透射后，下一步是测定是否达到排出阈值112。如果达到排出阈值，则发生样品的排出114。如果未达到排出阈值，则为不排出样品116。
在某些实施方式中，提供样品可包括提供来自煤矿的原煤。在其他实施方式中，样品可为已执行过某些清洁方法或步骤的煤炭。在其它实施方式中，待执行本文所公开方法的样品可以是含有污染物的任何矿石材料。例如，可对含金矿石执行本方法以便分离金。在某些实施方式中，本文所公开方法可用于针对加工矿石的矿物和金属的开采应用中。开采的矿石通常是具有金属夹杂物的硅酸盐。金属夹杂物具有较高的线性X射线吸收系数。因此，如果将金矿破碎，则通过使用本方法可检测并排出小的金夹杂物。
就样品的尺寸调节(sizing)而言，破碎较大的矿块或减小其尺寸从而将其调节至适当尺寸以如本文所述般通过X射线机器或装置进行处理的方法在工业上是公知的。本领域普通技术人员熟悉这类易于商购的破碎机或尺寸调整机。在本发明的某些实施方式中，有利的是将样品调节尺寸为厚度为10cm以下的块。在本发明的其它实施方式中，适宜的是将样品调节尺寸为厚度为3英寸、2英寸或1英寸以下的块。尺寸通常不是分选出的煤炭的质量因素，这是因为煤炭在用于发电厂之前通常被研磨成细粉(常称为煤粉)。此外值得注意的是，煤炭比黄铁矿和硅酸盐更易断裂。在某些实施方式中，将煤炭厚度减小至小于5cm使其更易使用。
在本发明的某些实施方式中，所用的X射线能量范围取决于样品的厚度或床层深度的厚度。在某些实施方式中，X射线能量范围可为约6KeV～约100KeV。在其它实施方式中，X射线能量范围可为约8KeV～约20KeV。在其它实施方式中，X射线能量范围可为约50KeV～约100KeV。在其它实施方式中，X射线能量范围高于所排出元素的吸收边沿。在其它实施方式中，可使用的X射线能量是本申请的表中所提供的那些X射线能量。各种装置可适于供给本文所公开方法中所用的X射线能量和X射线检测器。在本发明的某些实施方式中，此类装置可以是可商购自National Recovery Technologies,Inc.,Nashville,TN的第二代zSort机。在其它实施方式中，适当的X射线装置可获自Feldstrasse128,22880Wedel,Hamburg,德国的Commodas Mining GmbH，称为CommodasUltrasort。它使用与机场行李扫描器类似的双能量检测算法。在所述方法的其它实施方式中，可使用能够从尺寸为10cm～0.004cm的煤炭混合物中排出小污染物的装置。在其它实施方式中，适合的X射线传感装置可以是商购自National Recovery Technologies,Inc.,Nashville,TN的型号为DXRT的装置。X射线传感器可以是双能量装置。在本发明的其它实施方式中，X射线装置可以是宽带X射线装置，例如，可商购自National Recovery Technologies,Inc.,Nashville,TN的乙烯循环型装置(vinyl cycle model)。在本发明的其它实施方式中，X射线传感装置可适当装配有惰性空气过滤系统以确保煤尘被除去而不会被大意点燃。因此，使用来自其它装置的燃烧废气是能确保避免点燃的安全预防措施。在本发明的其它实施方式中，包括使用加热器以减少ROM煤炭中的水分和来自柴油机的废气。
在某些实施方式中，双能量检测器的使用允许不依赖煤炭厚度而测定相对组成。在本发明的某些实施方式中，不必进行复杂模式的煤炭样品的匹配尺寸测定，但优选的是样品块的尺寸小于煤炭样品的平均床层深度。换言之，本文所公开的方法通过X射线吸收的差异来工作以对材料进行鉴定并可靠地为快速排出器械装置提供信号。
就测定排出阈值106而言，申请人注意到排出(ejection)仅是样品块物理分离的几种合适方法之一。在本发明的某些实施方式中，分离可通过使用气动排出器阵列来进行，如本文所进一步描述般。在本发明的其它实施方式中，分离可通过推动、移动或猛推已达到排出阈值的样品块从而将其从未达到排出阈值的样品块中物理分离出来而进行。这种推动或移动可通过使用快速反应活塞、机械杠杆或鳍板(flipper)来进行。本领域普通技术人员熟悉各种可用于将已达到排出阈值的样品块物理移动的臂或液压夹具(hydraulics)。
在本发明的某些实施方式中，作为污染物存在的指征的阈值(即排出阈值)由显著低于最厚矿石样品块的透射百分比的样品块的透射百分比来测定。在本发明的某些实施方式中，所述显著更低的穿过样品的X射线透射百分比被表达为减少20％以上。在本发明的其它实施方式中，比最厚样品块的透射百分比低50％的透射百分比表明达到了排出阈值。在本发明的其它实施方式中，40KeV的X射线具有穿过1.0cm的硅酸盐岩石的0.04cm铜夹杂物的61％透射。
申请人注意到，材料的相对原子数与该材料的X射线吸收相关。因此，当提及X射线吸收时，可通过评述穿过该材料的X射线透射百分比或通过评述材料对与该材料接触的X射线的吸收来表达。为清楚起见，如污染物等具有较低X射线透射百分比的材料是具有较高X射线吸收的材料。在本发明的某些实施方式中，可使用双能量X射线检测器来测定在两种能量范围内的穿过材料的X射线透射值。在某些实施方式中，可使用任何一种X射线透射值来如上所述般测定通过减少透射百分比而指示污染物存在的阈值。在替代性实施方式中，可使用两个能量范围处的X射线透射值来测定其中可见材料的原子数范围。然后，通过测定材料的原子数是否高于待分离的煤炭的原子数来作出是否应将样品块排出的决定。在本方法的其它实施方式中，可使用测定多种能量的装置来测定材料原子数所处的范围。
本文所述的X射线检测系统具有可记录装置，例如，微处理器、控制器或计算机等，从而允许及其作出决定并执行功能。本领域普通技术人员熟悉对此类装置的调节、操控或编程以便实现本文所述的方法。作为实例，可商购自National Recovery Technologies,Inc.,Nashville,TN的DXRT型装置可编程，从而可设定排出阈值。在该实例中，DXRT机计算出对气动排出阵列中的下游排出器装置精确地供能所需的样品块到达气动排出阵列的位置和时机信息，并在正确的时间发出必要命令以对适当的排出器供能从而将具有污染物的样品块从没有污染物的其它样品块流中排出。因此，具有足够高的透射百分比的样品块不会被气动排出阵列排出。在替代性实施方式中，可对机器进行设定以使其与上述相反。即，排出不含污染物的矿石，而不排出含有污染物的矿石块。本领域普通技术人员可认识到，可对本文所公开的方法进行这种变化。
仍就本文所公开方法而言，在测定存在污染物且应将其排出时，其后的决定涉及需要排出的区域的量。某些X射线传感装置具有32线性像素/英寸的容量。其它X射线传感装置的容量为64线性像素/英寸。排出区域尺寸可基于检测污染物所需的像素数而设定。例如，如果使用具有32线性像素/英寸的装置且期望排出1平方英寸的区域，则可能要求必须有1000连续像素来检测污染物以便气动排出器被触发而开始运作。在某些实施方式中，如果对于每25个像素存在一个空气喷射器且回收时间为毫秒，则对于以2米/秒移动的每平方厘米的传送带而言，可能有500次测定。具有启动排出用空气喷发所需的较低X射线透射的像素读数的数目确定了所排出污染物的最小尺寸。所需像素数是本发明中的可调节参数。利用上述实例，本领域普通技术人员可将参数调节至其特定需求。因此，如果通过除去较小的污染物夹杂物而提供了经济价值，则可使用本文所公开的方法。
参照图2，其中显示了实践本文所公开方法的装置的一个实施方式的侧视图。图中所示为位于分选机外壳210内部的传送带215上的煤炭218。随着煤炭218在X射线源214和X射线检测器211之间通过，煤炭受到照射。X射线检测器211与计算机212可操作地连接，计算机212引导气动排出器213以将受污染的煤炭送至污染煤炭传送机216。未被排出的煤炭218收集于传送带217上。如本文此前所公开的，计算机带有软件或其它工具以便执行本文所指示的步骤。在某些实施方式中，决定可简化至如将原子数大于10的材料排出。
现参照图3，所示为用于实践本文公开方法的装置的一个实施方式。具体而言，侧视图显示了图2所描述的装置。除图2中所示元件以外，图3还包括了气刀321的加入，气刀321用于引导被称为煤粉的样品小颗粒离开较大的样品块流。气刀利用薄空气层来做到这一点，以便将那些小样品块转向至用于煤粉的第三传送机310。这些极小颗粒的去除提供了获取至传送带217上的更清洁的处理后煤炭。在运行中，气刀321包含风扇322、过滤器320和空气输送管323。由气刀排出的样品小颗粒收集至过滤器320上并落到传送带310上。其后可以将分离的样品小颗粒进一步通过本文所述的各种方法进行处理。
参照图4，所示为用于实践本文公开方法的一个替代性实施方式。本实施方式显示了气动工作台412和利用来自发动机和加热器的燃烧烟道气316来减少火灾危险的装置的加入。在其它实施方式中，气动工作台412的使用是独立的，且与燃烧烟道气316的使用分开。在其它实施方式中，燃烧烟道气316的使用是独立的，且与气动工作台412的使用分开。如图所示，气动工作台412与带有管314的空气输送管323相连，管314包含磁体和小空气喷射器以收集煤粉中较重的磁性组分(即污染物)并将其滑动至用于污染煤粉的传送带410。由振动器413对气动工作台的振动有助于将工作台上沉积的煤粉除去。过滤器320收集非磁性煤粉，后者落至传送带411上。来自废气鼓风机322的部分循环空气被通入气氛317中，而剩余空气318与烟道气316混合并通过风扇315重新循环。来自用于煤炭处理的发动机和加热器的燃烧气可用于提供耐火气氛以减小来自分选装置中的煤尘爆炸的危险。其后可将更清洁的煤粉与已通过本文公开的X射线法处理的较大的煤炭合并。参照图5，所示为气动工作台412的放大示意截面图。图中所示为振动器413、空气管314和磁体510及空气喷射器511。
在本发明的一个替代性实施方式中，不同于进行测定最厚样品块的透射百分比的第一步，第一步可为使用指示杆600。现参照图6，所示为X射线测定装置的端视图的横截面，所示装置在其传送带602的适当位置具有指示杆600。指示杆600位于X射线源604和具有像素608的检测器阵列606之间。尽管基于给定的X射线能量范围和X射线机床层深度，指示杆600用于提供某种透射百分比，低于该透射百分比则被认为是污染物值。由于不同的X射线能量范围和X射线机床层深度参数要求指示杆600以不同材料构建，因而指示杆600的组成会变化。在某些实施方式中，指示杆600可由烃类和糖类的塑性混合物与石墨构成。如本领域普通技术人员所知，可使用成型技术来使指示杆600的塑料和石墨组合物成型为适当尺寸和形状，从而使其适配于X射线测定装置内并且长度足以覆盖传送带的宽度以便到达所有传感器。在某些实施方式中，可使用任何图中的信息来构建用于给定X射线能量范围和X射线机床层深度参数的指示杆600。本文所公开的方法包括测定X射线传感装置的床层深度以便测定床层深度的步骤，因为床层深度与指示杆600的使用有关。在本发明的某些实施方式中，指示杆600将具有与不带污染物的煤炭的最大床层深度相同的X射线吸收。在其他实施方式中，指示杆600的原子量吸收系数与原子数为10以下的元素的分布成正比。经空气干燥的原煤的元素组成可由标准方法测定，并用于从烃类、糖类和碳的混合物构建如下装置：该装置具有与原子数小于10的较轻元素的样品床层深度相同的X射线吸收。例如，如果经空气干燥的原煤的平均元素组成为55％碳、8％氢、28％氧、7％硅、以及4％硫和金属，则不含硅酸盐、硫酸盐和金属的空气干燥的组成是67％碳、7.3％氢和25.6％氧，且具有该原子组成和床层深度的指示杆600允许对所述原煤进行快速标定(calibration)。指示杆600用于标定煤炭分选器。在替代性的处理金矿的实施方式中，将指示杆设计用于残余花岗岩的床层深度的X射线吸收。如图6所见，通过将指示杆600置于X射线的路径中来使用它。透射百分比信息由机器存储并用于校正X射线检测器阵列中的每个像素的电压输出。阈值的像素数和百分比是能在X射线测定装置中手动或自动设定的可调节参数。
实施例
实施例1：线性吸收系数
图7中显示了来自the National Institute of Standards and Technology(NIST)的在一定X射线能量范围中的黄铁矿(FeS)、煤炭和二氧化硅(SiO2)的质量吸收系数(μ)。此外还显示了它们的密度。注意煤炭是碳和烃类的混合物，且不存在对于煤炭的NIST“标准”。于是，煤炭的X射线吸收系数是针对校正至1.2克/立方厘米(g/cc)的煤炭密度的石墨的NIST数据。如本文其它部分所示，对于8～20千电子伏(KeV)的X射线，煤炭的吸收比硅酸盐中的黄铁矿的吸收小得多。使用图7中的信息说明了如何能从煤炭中区分出污染物。
实施例2：不同能量处的X射线透射百分比
本文所公开方法使用允许选择污染物以将其排出同时提供可检测的透过煤炭的透射的X射线能量。作为第一步，将原煤的尺寸减小至小于5厘米，以便提供透过煤炭样品的显著透射，同时如硫化物和硅酸盐等不透明污染物通过透过这些材料的X射线的透射百分比的减小而得到检测。图8中显示了由NIST吸收系数信息计算的透射百分比。
如图8中最佳可见，与其他材料所允许的透射相比，煤炭使得X射线能量极为容易透射。例如，据计算使用15KeV水平的X射线能量导致56.6％的穿过厚度为1cm的煤炭的透射，而厚度仅为1mm的污染物却具有较低的透射百分比：0％(FeS)，20.5％(SiO2)。通过第二实例，计算出对于厚度为1cm的煤炭使用20KeV水平的能量的X射线具有73.2％的透射百分比，与之相比，如FeS和SiO2等污染物的透射百分比分别为0％和50％。
实施例3：从煤炭分离污染物
对100磅经湿式洗涤的煤炭样品执行如下方法以便从煤炭中分离污染物。将样品在阳光下干燥以便除去由湿式洗涤步骤残留的水分。在阳光干燥后，将样品缩小至尺寸小于10cm的个体块。将一块样品置于X射线扫描装置(商购自Smiths Detection,Danbury,CT的第7555型行李扫描机)。将X射线装置调节来检测高达160KeV的X射线能量。在两个能量范围处测定穿过各个样品块的透射。将接收X射线能量透射的X射线检测器设定来使得穿过煤炭的透射产生与两个能量范围处的给出大致小于10的原子数的透射的关联。如本申请中所注，这些污染物会导致透过材料的X射线的透射百分比减小，从而在扫描装置中产生更高的原子数。将煤炭样品置于扫描机中以便扫描样品块的透射百分比值。煤炭样品内具有X射线透射减小的夹杂物的块被置于“排除”部分中。约10％的样品具有可检测的夹杂物且被置于“排除”群中。两部分样品均如下文进一步所述进行分析。这类分析通常可商业性实现。一个这类提供商是HawkmtnLabs,Inc.,Hazle Township,PA。样品的“排除”部分含有如所参考的ASTM国际标准方案所测定的以下特征：水分百分比(ASTM D5142):6.05％；灰分百分比(ASTM D5142):12.62％；BTU/磅(ASTM D5865):11834；硫百分比(ASTM D4239):6.59％；和汞：0.552毫克/克。相反，未被排出的煤炭样品部分具有以下特性：水分百分比(ASTM D5142):5.75％；灰分百分比(ASTM D5142):7.05％；BTU/磅(ASTM D5865):12846；硫百分比(ASTMD4239):1.32％；和汞：0.091毫克/克。可以注意到，“排除”部分具有更高的灰分百分比、硫百分比和汞水平。此外，未被排除的煤炭样品部分中的硫为1.027磅/MBTU，而“排除”部分为5.569磅/MBTU。
实施例4：从煤炭分离岩石
对包含煤炭和岩石的混合物的尺寸为1/4英寸～1英寸的样品进行分析。在设定好阈值后，如下文进一步所述，将样品通过差示X射线分选机进料。这类机器可作为称作zSort的型号商购自National RecoveryTechnologies,Inc.,Nashville,TN。将样品以6英尺/秒的处理速度通过该机器进行处理。在一个实施方式中，机器的阈值的设定包括以下步骤：将所述指示杆置于传送带上，测定平均信号电压，并将所有检测器像素的信号电压归一化为来自透射穿过所述指示杆的X射线的所述平均像素信号电压信号。
实验结果最佳可见于图9中。受测样品由约27.5盎司煤炭和42盎司岩石构成。这约为40％的煤炭和60％的岩石。随着样品经机器进料，将其设定为将煤炭分选至一个终点而将岩石分选至另一个终点。如图9中最佳可见，煤炭终点由96.4％的煤炭和3.6％的岩石构成。
实施例5：从煤炭分离岩石
根据实施例4所述的步骤分析由378盎司的煤炭和42盎司的岩石组成的另一个样品。样品混合物为约90％的煤炭和约10％的岩石。如图10中最佳可见，分选导致材料被置于煤炭终点，该材料为96.4％的煤炭和3.6％的岩石。此外还显示到达岩石终点的材料为85.7％的岩石和14.3％的煤炭。据信未被排出至岩石终点的14.3％的岩石主要是由于阀门时机问题而非检测问题。显而易见，本发明公开的方法有效且一致性地将岩石从煤炭中分开。
就机器的通量而言，注意到样品(1.7磅)以单层密度散布于整个表面。这种样品的加料对于24英寸宽的zSort机产生约9吨/小时的通量速率，或对96英寸宽的zSort机产生36吨/小时的通量速率。假设在进料流表面有1平方英寸的空气喷射的排出足迹。传送带速度为72英寸/秒，从而进料流以0.072英寸/毫秒移动。假设约10毫秒的阀门开启时间，从而进料流在排出过程中移动约0.7英寸，给出1.7英寸长的排出路线。其后，对于每次排出都排出1.7平方英寸的进料流表面积。在此情形中，每28英寸长的传送带具有24次这类排出，从而排出24×1.7平方英寸的材料。相应的进料流表面积是672平方英寸，因此可估计排出了6％的进料流面积。在任何一次排出时，假设1/3的排出面积是岩石，2/3是煤炭。如果煤炭均匀分布，则可以估计对于96英寸宽的zSort单元上36吨/小时的处理速率而言，约4％的煤炭将随着95％～99％的岩石排出率而排出。因此，参照图10，排出的煤炭产品将为98.4％的煤炭和1.6％的岩石。就更大尺寸的样品块而言，处理能力将随着颗粒尺寸的增加而有效地线性增加。例如，如果材料的正常尺寸为1.5英寸，则处理能力将以两倍增加。如果煤炭尺寸为3英寸，则处理能力将以4倍增加。因此，据估计处理1.5英寸的颗粒尺寸将对96英寸单元产生72吨/小时的能力。此外，据估计处理3英寸的颗粒尺寸将对96英寸单元产生144吨/小时的能力。
通过参考特地并入本文所公开的所有参考文献、出版物和专利。
因此可见，本发明的方法轻易实现了所提及的和其中固有的那些目标和优点。尽管已经处于本公开的目的对本发明的某些优选实施方式进行了说明和描述，但本领域技术人员可以对所述方法进行多种变化，所述变化涵盖于由以下权利要求所限定的本发明的范围和主旨之内。
Claims (5)
1.一种材料分选方法，所述方法包括：
提供指示杆；
用X射线照射指示杆；
标定X射线传感装置，使得当检测到X射线透射百分比低于指示杆的X射线透射百分比的样品时确定所述样品有待分选；
分析样品；
分选样品。
2.如权利要求1所述的方法，还包括测定X射线传感装置的床层深度。
3.如权利要求2所述的方法，还包括根据对所述床层深度的测定来选择指示杆。
4.如权利要求3所述的方法，其中分析样品还包括：
检测样品块的X射线吸收值；
测定是否任何样品块均具有与指示杆的X射线透射百分比相比减少了20％以上的X射线透射百分比；
鉴定具有与指示杆的X射线透射百分比相比减少了20％以上的X射线透射百分比的样品块从而将此类样品块分选出来。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述指示杆具有与原子数为10以下的样品元素的分布成正比的原子量吸收系数。
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