CN106226332A - 一种x射线煤灰分检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤灰分检测技术领域，尤其涉及一种X射线煤灰分检测装置及方法，其中检测装置包括支架、X射线发生器、限导器、煤样测量管、X射线信号接收单元、称重单元和数据处理单元，煤样测量管由轻质材质制成，且煤样测量管通过滑动机构竖直的设于支架上；X射线发生器、限导器、煤样测量管和X射线信号接收单元沿水平方向依次设置，限导器由轻金属或有机材料制成，且限导器内设有X射线通道，X射线通道的尺寸沿进口至出口方向逐渐增大，X射线信号接收单元用于检测煤样测量管内的煤样的高度信息和透过煤样的X射线的谱信号；数据处理单元与X射线信号接收单元及称重单元连接，用于计算煤样的灰分值。

Description

一种X射线煤灰分检测装置及方法

技术领域

本发明涉及煤灰分检测技术领域，尤其涉及一种X射线煤灰分检测装置及方法。

背景技术

我国是产煤大国，同样也是煤炭消费大国，煤炭被广泛的使用在火力发电，钢铁、化工等行业。煤炭的各种参数直接影响到用煤行业的生产成本，生产效率，生产安全以及环境问题，其中煤灰分是煤炭的一个反映煤质的重要指标，它指的是煤在一定温度下完全燃烧后所得残留物所占煤质量的百分比，被燃烧的部分为碳、氢、氧、氮、硫组成的可燃物质，残留的部分为硅、铝、铁、钙等的氧化物。电厂等用煤企业为了更加合理经济地使用煤，需要掌握煤的各种煤质参数，提高煤炭的利用效能，如入炉煤的配煤掺烧，入厂煤分质堆放，其中煤的灰分是一项很重要的参数指标。

目前，煤灰分的测量除了使用传统的标准实验室灼烧化验法外，利用诸多核技术分析方法，包括高能射线淹没辐射法(很少使用)、低能射线反射法、双能射线穿透法以及快中子活化分析法等。其中双能射线穿透法在期刊《核电子学与探测技术》1991年03期132页被提到，该方法采用放射源Am241(60keV)和Cs137(662keV)两种能量γ射线透射煤层，并自动修正煤的厚度信息，通过标定拟合公式与探测器得到的穿透信息，计算出煤灰分；但是，因为放射源的能量大，辐射安全性差，随着国家越来越重视安全及环保问题，近年来国家放射源更加严格的审核和控制，对放射源的使用须进行严格管理，因此产生成本增加；同样，很多应用企业缺乏对放射源的管理知识和资格认证，反过来也限制该方法的应用；而且使用该方法时，煤中铁含量的变化对测得结果影响较大。采用高能射线淹没辐射法对煤灰分值进行测量时，高能伽马射线与物质发生电子对效应，其发生反应的几率与物质的原子序数的平方成正比；煤炭灰分越高，其平均原子序数就越高，利用透射光子数和湮没辐射光子数来计算煤的灰分，如专利(申请号200810013224.0)，但是，该方法要求射线能量高，因此造成辐射安全性差。此外在国内外均有使用中子活化分析法的测灰仪，如美国GammaMetrics公司的Model3612C型测灰仪和澳大利亚Scantech公司的COALSCAN900型测灰仪等，该方法是利用中子发生器或中子源发射的中子激发被测煤样中各元素的原子核，测定这些激发态的原子核跃迁时发出的γ射线能谱，得到各元素的含量，通过计算得到煤的灰分。该方法也同样存在双能射线穿透法一样的辐射安全问题；中子活化型仪器价格昂贵且技术复杂；因为中子发生器要产生中子需要很高的电压，对中子管的材料要求很高，影响了中子管的寿命，从而影响使用情况。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有的测量煤灰分的方法和装置在对煤灰分进行测量时存在一些辐射安全和环境保护方面的问题，以及因放射源的单能辐射测量结果不准确的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种X射线煤灰分测量装置，包括支架、X射线发生器、限导器、煤样测量管、X射线信号接收单元、称重单元和数据处理单元，所述煤样测量管由轻质材质制成，且所述煤样测量管通过滑动机构竖直的设于所述支架上；所述称重单元用于检测煤样测量管中的煤样的重量；所述X射线发生器、限导器、煤样测量管和X射线信号接收单元沿水平方向依次设置，所述限导器由轻金属或有机材料制成，且所述限导器内设有X射线通道，所述X射线通道的尺寸沿进口至出口方向逐渐增大，所述X射线信号接收单元用于检测所述煤样测量管内的煤样的高度信息和透过煤样的X射线的谱信号；所述数据处理单元与所述X射线信号接收单元及称重单元连接，用于根据煤样的重量信息、高度信息和透过煤样的X射线谱信号计算煤样的灰分值。

其中，所述X射线通道的横截面的形状为矩形，且所述X射线通道的出口的宽度与所述煤样测量管的侧面的宽度相等。

其中，所述煤样测量管的上端敞口，所述称重单元位于所述煤样测量管的上方，所述称重单元包括煤斗和重量传感器，所述煤斗的下端开口处设有第一控制门。

其中，所述煤样测量管设于采样机弃料皮带的上方，所述煤样测量管的下端敞口，且所述煤样检测管的下端敞口处设有滑动门，所述支架上设有与所述滑动门连接的动力机构。

其中，所述滑动机构包括设于所述支架上的滑轨和设于所述煤样测量管上的与所述滑轨配合的滑块。

其中，所述X射线信号接收单元包括探测器和多道分析器，所述探测器用于将所述X射线信号转化为电信号，所述多道分析器对电信号进行处理和分析，得出X射线的谱信号。

其中，还包括屏蔽罩，所述支架和所述称重单元设于所述屏蔽罩内。

其中，还包括输送机构，用于将待检测煤样输送到所述称重单元内。

本发明还提供了一种X射线煤灰分检测方法，包括步骤

S1，测量待测煤样的重量；

S2，采用X射线照射煤样；

S3，接收穿透待测煤样后的X射线，对接收的X射线进行处理获得X射线的谱信号；并得到被测煤样在测量管的高度，即煤样的体积参数；

S4，数据处理单元根据待测煤样的重量、体积和X射线的谱信号建立以下数学模型计算煤样的灰分值：

A＝A₁+c(W-W₀)

式中A为待测煤样的灰分值；A₁为煤灰分的初始值且A₁＝aN+b，N为煤炭对X射线的吸收系数且N＝(InI₀-InI₁)/ρ_d；W为X射线透射后的峰宽，通过分析X射线的谱信号得到；I₀为X射线照射煤样前的强度；I₁为X射线照射煤样后的强度；ρ_d为煤样的密度，根据煤样的重量和体积得出；W为X射线照射煤样后的峰宽，W₀为煤灰分为A1时X射线谱信号应具有的峰宽，通过查表得到；a、b均为待定系数，可以通过对已知灰分值的煤炭进行测量，根据测量结果利用线性回归处理得到；c为Fe含量常数，通过对已知灰分值的煤炭进行测式，根据测试结果拟合得出。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的一种X射线煤灰分检测装置包括支架、X射线发生器、限导器、煤样测量管、X射线信号接收单元、称重单元和数据处理单元，煤样测量管通过滑动机构竖直的设于支架上，X射线发生器、限导器、煤样测量管和X射线信号接收单元沿水平方向依次设置，限导器由轻金属或有机材料制成，且限导器内设有X射线通道，X射线通道的尺寸沿进口至出口方向逐渐增大，X射线发生器发出X射线后，X射线经过X射线通道照射煤样测量管，由于限导器由轻金属或有机材料制成，且X射线通道的尺寸沿进口至出口方向逐渐减小，X射线在经过限导器时，在X射线与限导器内壁发生康普顿散射，增强了X射线的低波长部分，使X射线的中低端能量部分的强度得以增强，而不同能量X射线照射煤样时，由于煤灰成分中铁、钙等相对高原子序数灰分元素与煤样中灰成分铝、硅等相对较低原子序数灰分元素对宽谱射线中的相对高、中、低能量的射线吸收能力的不同而使测得的谱计数、谱峰位、谱边界等参数的变化，使得煤灰分的测量增加准确，提高了测量结果的准确度。另外，本发明采用小型、低能一体化X射线发生器，加上设计良好的X射线限导器，及设计合适的屏蔽结构，使本发明的装置达到国家对X射线发生器豁免管理的要求。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的X射线煤灰分检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的支架的机结构示意图；

图3是本发明实施例提供的限导器的剖视图；

图4是本发明实施例提供的X射线煤灰分检测方法的流程图。

图中：1：X射线发生器；2：限导器；3：煤样测量管；4：称重单元；5：探测器；6：多通道分析器；7：输送机构；8：采样机弃料皮带；9：支架；10：动力机构；11：滑动门；12：滑移机构；201：X射线通道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种X射线煤灰分测量装置，包括支架9、X射线发生器1、限导器2、煤样测量管3、X射线信号接收单元、称重单元4和数据处理单元，煤样测量管3由轻质材料制成，且煤样测量管3通过滑动机构12竖直的设于支架9上，滑动机构12包括设于支架9上的滑轨和设于煤样测量管3上的与滑轨配合的滑块；称重单元4用于检测煤样测量管3中的煤样的重量；X射线发生器1、限导器2、煤样测量管3和X射线信号接收单元沿水平方向依次设置，限导器2由轻金属或有机材料制成，且限导器2内设有X射线通道201，X射线通道201的尺寸沿进口至出口方向逐渐增大，X射线信号接收单元用于检测煤样测量管3内的煤样的高度信息和透过煤样的X射线的谱信号；数据处理单元与X射线信号接收单元及称重单元4连接，用于根据煤样的重量信息、高度信息和透过煤样的X射线的信息计算煤样的灰分值。在对煤样的灰分值进行测量时，煤样测量管3由初始位置按照一定的速度向下移动，煤样测量管3处于初始位置时，限导器2与煤样测量管3的下部相对，在煤样测量管3向下移动的过程中，X射线对全部的煤样进行照射，完成测量之后，煤样测量管3上升回复到初始位置，为下一次测量做准备。由于限导器2由轻金属或有机材料制成，且X射线在经过限导器2内的X射线通道201时，一部分透射穿过，一部分经过X射线通道201的内壁的康普顿散射后，X射线的低波长部分增强，即X射线的中低端能量部分的强度得以增强，即增强了X射线的强度。不同能量的X射线照射煤样时，由于煤样灰成分中铁、钙等相对高原子序数灰分元素与煤样中灰成分铝、硅等相对较低原子序数灰分元素对宽谱射线中的相对高、中、低能量的射线吸收能力的不同而使测得的谱计数、谱峰位、谱边界等参数的变化，使得煤灰分的测量增加准确，提高了测量结果的准确度。

进一步地，X射线通道201的横截面的形状为矩形，煤样测量管3为横截面固定的透明管，本实施例中，煤样测量管3的横截面为矩形，X射线通道201的出口的宽度与煤样测量管3的侧面的宽度相等。从X射线发生器1发射出的X射线光束是以半球面空间发散的，限导器2内的X射线通道201将从X射线发生器1发出的X射线的光束整理为与煤样测量管3的侧面像适配的光束，使从X射线通道201的出口射出的X射线刚好完全照射在煤样测量管3上，使扫过该容器内各点的X射线有相同的“贡献”，也即在测量容器内各点的煤样有相同的“权重”，进一步提高了测量结果的准确性。

进一步地，煤样测量管3的上端敞口，称重单元4位于煤样测量管的上方，称重单元4包括煤斗和与数据处理单元连接的重量传感器，煤斗的下端开口处设有第一控制门。煤样在进入到煤样测量管3之前，先在煤斗内进行称重，重量传感器检测即将进入到煤样测量管内的煤样的重量，并将该重量信息传递给数据处理单元，为计算煤样的灰分值提供重量参数，称完重之后，控制第一控制门打开，煤斗中的煤样在重力的作用下落入到煤样测量管3内，为测量煤样的灰分值的实验做准备。

进一步地，煤样测量管3设于采样机弃料皮带8的上方，煤样测量管3的上端敞口，且煤样检测管3的下端敞口处设有滑动门11，支架9上设有与滑动门11连接的动力机构10。完成测量后，控制动力机构10将滑动门11打开，煤样测量管3内的煤样走自动落到采样机弃料皮带8上。

进一步地，X射线信号接收单元包括探测器5和多道分析器6，探测器5用于将X射线信号转化为电信号，另外，探测器5上设有恒温装置，恒温装置采用加热的方式保持探测器5内部温度恒定，免除温度变化对X射线信号造成影响，多道分析器6对电信号进行处理和分析，得出X射线的谱信号。多道分析器6对X射线的多个参数进行分析和处理，不仅考虑灰分和总计数的关系，还考虑了X射线能谱的左右边界、峰位及煤样中的含铁量对灰分值的影响。进一步提高了测量结果的准确性。

进一步地，还包括屏蔽罩，支架9和称重单元4均设于屏蔽罩内。使得测量过程较为准确，避免操作人员受到X射线的影响。在工作状态中，有警示红灯提醒，当屏蔽门被打开，将自动断开供给X射线发生器1的电源，停止发射X射线，操作人员更为安全。由于本发明使用一体化低能X射线发生器，保证本装置完全达到国家X射线发生器豁免管理的规定。该测量装置包括一台计算机，数据处理单元集成在计算机内部，计算机内的控制系统用于控制测量的开始和结束、煤样测量管的下落和回到初始位置、第一控制门及滑移门的开闭。计算机位于屏蔽罩的外部，与屏蔽罩内的装置进行无线连接，通过计算机自动进行判别分析和多元回归系统处理，计算煤的灰分值。

进一步地，还包括输送机构7，输送机构7设于屏蔽罩内，用于将待检测煤样输送到称重单元4内，输送机构7的下端设于采样机弃料皮带8附近，上端设于称重单4元的上方，输送机构7将采样机弃料皮带8上的煤炭作为煤样输送到称重单元4内进行测量。

煤样传送机构完成从采样机弃料皮带上接纳煤样并送达本装置的煤斗内，煤样在此煤斗内自动称重后自动排入煤样测量管，煤样测量管从上而下移动过程就是测量过程。测量完毕，测量管下端的滑动门被控打开，排空测量管内的煤后滑动门再关闭。测量管又上升回到最高点，完成整个测量周期，全程无需人工参与。

如图4所示，本发明实施例还提供了一种X射线煤灰分检测方法，包括步骤

S1，测量待测煤样的重量，具体为将待测量的煤样输送到称重单元的煤斗内，利用重量传感器测量待测煤样的重量；

S2，采用X射线发生器发射X射线对煤样进行照射，具体的，将测完重量的煤样送入到煤样测量管内，打开X射线发生器，并在X射线发生器和煤样测量管之间设置限导器，X射线经过限导器照射煤样测量管，经过限导器的X射线光束的形状与煤样测量管的侧面相匹配，保证X射线光束完全经过煤样测量管，且在经过限导器时，提高了X射线的强度；

S3，探测器在煤样测量管的另一侧接收穿透待测煤样后的X射线，并将X射线转化为电信号，多道分析器与探测器连接对电信号进行处理和分析获得X射线的谱信号；

S4，数据处理单元根据待测煤样的重量、体积和X射线的谱信号建立以下数学模型计算煤样的灰分值：

A＝A₁+c(W-W₀)

式中A为待测煤样的灰分值；A₁为煤灰分的初始值，且A₁＝aN+b；N为煤炭对X射线的吸收系数且N＝(InI₀-InI₁)/ρ_d；W为X射线透射后的峰宽，通过分析X射线的谱信号得到；I₀为X射线照射煤样前的强度；I₁为X射线照射煤样后的强度；ρ_d为煤样的密度，根据煤样的重量和体积得出，由于煤样测量管在各处的横截面积均相等，因此只需知道煤样的高度就能计算煤样的体积，X射线在对煤样进行照射时，根据X射线光谱的变化，可以得到煤样测量管的煤样的高度；W为X射线照射煤样后的峰宽，W₀为煤灰分为A1时X射线谱信号应具有的峰宽，通过查表得到；a、b均为待定系数，可以通过对已知灰分值的煤炭进行测量，根据测量结果利用线性回归处理得到；c为Fe含量常数，通过对已知灰分值的煤炭进行测式，根据测试结果拟合得出。

综上所述，本发明提供的一种X射线煤灰分检测装置，在X射线发生器和煤样测量管之间，使X射线光束的形状与煤样测量管的形状相符，并且增强了X射线中、低能量的强度，在被测量煤样吸收后，因煤中铁、钙等元素含量不同而引起谱边界的变化数据，在测量时，煤样测量管自初始位置向下移动，保证煤样测量管内的煤样均能被照射，对照射后的X射线进行分析处理得到谱信号，通过分析谱信号和煤样的重量和体积计算煤样的灰分值，在对煤样的灰分进行计算时，充分考虑了含铁量及光谱中的谱计数、谱峰位、峰值、谱宽度和谱左右边界等参数对煤灰分的影响，通过计算机自动进行判别与多元回归分析系统处理，计算煤样的灰分值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种X射线煤灰分测量装置，其特征在于：包括支架、X射线发生器、限导器、煤样测量管、X射线信号接收单元、称重单元和数据处理单元，所述煤样测量管由轻质材质制成，且所述煤样测量管通过滑动机构竖直的设于所述支架上；所述称重单元用于检测煤样测量管中的煤样的重量；所述X射线发生器、限导器、煤样测量管和X射线信号接收单元沿水平方向依次设置，所述限导器由轻金属或有机材料制成，且所述限导器内设有X射线通道，所述X射线通道的尺寸沿进口至出口方向逐渐增大，所述X射线信号接收单元用于检测所述煤样测量管内的煤样的高度信息和透过煤样的X射线的谱信号；所述数据处理单元与所述X射线信号接收单元及称重单元连接，用于根据煤样的重量信息、高度信息和透过煤样的X射线谱信号计算煤样的灰分值。

2.根据权利要求1所述的X射线煤灰分测量装置，其特征在于：所述X射线通道的横截面的形状为矩形，且所述X射线通道的出口的宽度与所述煤样测量管的侧面的宽度相等。

3.根据权利要求1所述的X射线煤灰分测量装置，其特征在于：所述煤样测量管的上端敞口，所述称重单元位于所述煤样测量管的上方，所述称重单元包括煤斗和重量传感器，所述煤斗的下端开口处设有第一控制门。

4.根据权利要求1所述的X射线煤灰分测量装置，其特征在于：所述煤样测量管设于采样机弃料皮带的上方，所述煤样测量管的下端敞口，且所述煤样检测管的下端敞口处设有滑动门，所述支架上设有与所述滑动门连接的动力机构。

5.根据权利要求1所述的X射线煤灰分测量装置，其特征在于：所述滑动机构包括设于所述支架上的滑轨和设于所述煤样测量管上的与所述滑轨配合的滑块。

6.根据权利要求1所述的X射线煤灰分测量装置，其特征在于：所述X射线信号接收单元包括探测器和多道分析器，所述探测器用于将所述X射线信号转化为电信号，所述多道分析器对电信号进行处理和分析，得出X射线的谱信号。

7.根据权利要求1-6任一项所述的X射线煤灰分测量装置，其特征在于：还包括屏蔽罩，所述支架和所述称重单元设于所述屏蔽罩内。

8.根据权利要求7所述的X射线煤灰分测量装置，其特征在于：还包括输送机构，用于将待检测煤样输送到所述称重单元内。

9.一种X射线煤灰分检测方法，其特征在于：包括步骤

S1，测量待测煤样的重量；

S2，采用X射线照射煤样；

S3，接收穿透待测煤样后的X射线，对接收的X射线进行处理获得X射线的谱信号；并得到被测煤样在测量管的高度，即煤样的体积参数；

S4，数据处理单元根据待测煤样的重量、体积和X射线的谱信号建立以下数学模型计算煤样的灰分值：

A＝A₁+c(W-W₀)

式中A为待测煤样的灰分值；A₁为煤灰分的初始值且A₁＝aN+b，N为煤炭对X射线的吸收系数且N＝(InI₀-InI₁)/ρ_d；W为X射线透射后的峰宽，通过分析X射线的谱信号得到；I₀为X射线照射煤样前的强度；I₁为X射线照射煤样后的强度；ρ_d为煤样的密度，根据煤样的重量和体积得出；W为X射线照射煤样后的峰宽，W₀为煤灰分为A1时X射线谱信号应具有的峰宽，通过查表得到；a、b均为待定系数，可以通过对已知灰分值的煤炭进行测量，根据测量结果利用线性回归处理得到；c为Fe含量常数，通过对已知灰分值的煤炭进行测式，根据测试结果拟合得出。