DE3029709A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des aschegehaltes von kohle durch bestrahlen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des aschegehaltes von kohle durch bestrahlen

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DE3029709A1 DE19803029709 DE3029709A DE3029709A1 DE 3029709 A1 DE3029709 A1 DE 3029709A1 DE 19803029709 DE19803029709 DE 19803029709 DE 3029709 A DE3029709 A DE 3029709A DE 3029709 A1 DE3029709 A1 DE 3029709A1
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Description

PATENTANWALT BODE ■ POSTFACH 11 30 · D - 4030 RATINGEN 1 · TElEFON 0 21 02 - 2 20 08 · TELEX 8 585106
N 5 - Io2
Anm. : Coal Industry (Patent«) Limited
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Aschegehaltes von Kohle durch Bestrahlen.
Es ist bekannt, den Aschegehalt von Kohle dadurch zu bestimmen, daß die Kohle einer PrimMrstrahlung ausgesetzt wird, wobei eine Strahlungsquelle mit einem Plutonium 238 Isotop und ein mit Argon/Helium-Gas gefüllter Detektor vorwendet wird. Die vom Plutonium-Isotop ausgehende Strahlung hat eine Energie von 15 bis 17 Kev und wird rückgestreut oder nach Maßgabe der Absorptionskoeffizienten der in der Kohle vorhandenen Elemente absorbiert. Die Intensität oder Pulszählrate der zurückgeworfenen Strahlung wird erfaßt und dient als Indiz für den Aschegehalt der Kohle.
In der Praxis reagiert eine Strahlung von 15 Kev aber sehr empfindlich auf Konzentrationsänderungen von Eisen, welches das vorherrschende Element in der Asche ist und dessen charakteristische fluoreszierende Strahlung (Eigenstrahlung) durch die einfallende Primärstrahlung verursacht wird. Um den Effekt veränderlicher Eisenkonzentration zu reduzieren oder zu beherrschen, ist es notwendig, die Intensität oder Pulszählrate sowohl der Eigenstrahlung des Eisens als auch der rückgestreuten Strahlung zu erfassen und beide Intensitäten zu kombinieren, wobei die Intensität der Eigenstrahlung des Eisens so eingestellt werden muß, daß sie gerade den auf die Anwesenheit von Eisen in der Kohle zurückgehenden Intensitäts-
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abfall kompensiert.
Die Intensität der rückgestreuten Strahlung wird auch noch durch andere Effekte beeinflußt, z.B. durch den freien Feuchtigkeitsgehalt der Kohle und durch die Schüttdichte der Kohle, die einerseits von der Korngrößenverteilung und andererseits vom Feuchtigkeitsgehalt abhängt. Es hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung eines Plutonium 2 38 Isotops die Korngröße kleiner als 5mm sein muß und daß der Feuchtigkeitsgehalt nicht größer als lo% sein darf, damit ein geeigneter Korrekturfaktor eingestellt werden kann, um die Änderungen der Schüttdichte und des Feuchtigkeitsgehaltes zu kompensieren. Aber schon bei Annäherung an lo% Feuchtigkeit können Schwierigkeiten bei der Behandlung der Kohle entstehen und diese Schwierigkeiten vergrößern sich mit wachsendem Feuchtigkeitsgehalt.
Mit Rücksicht auf moderne Abbaumethoden im untertägigen Bergbau wird es notwendig, auch Kohle zu untersuchen, die mehr als lo% freier Feuchtigkeit enthält. Außerdem muß die Kohle aus Gründen der Behandlungstechnik Körner enthalten, die größer als 5 mm sind. Die von einer Strahlungsquelle mit Plutonium 2 38 Isotop ausgehende Strahlung bringt aber nur verhältnismäßig wenig in eine Schicht aus Kohle ein und eignet sich deshalb nicht für die Untersuchung von Kohle mit relativ großen Körnern, deren größte Korngrößai über 5mm liegen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, die es ermöglichen, den Aschegehalt von Kohle mit verhältnismäßig hohem Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Primärstrahlung wenigstens zwei verschiedene Energiespektren aufweist, wobei
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das zweite Energiespektrum wenigstens ein Element in der Kohle zur Emission einer Sekundärstrahlung mit charakteristischer Energie veranlaßt, und daß die durch das erste Energiespektrum veranlaßte Sekundärstrahlung ebenso wie die weitere Sekundärstrahlung bei wenigstens einer fluoreszierenden charakteristischen Energie des oder der Elemente erfaßt und daraus der Aschegehalt bestimmt wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Einrichtung zum Erfassen der Sekundärstrahlungen und zur Abgabe elektrischer Signale, die den erfaßten Sekundärstrahlung entsprechen, sowie mit einer elektrischen Schaltung zur Verarbeitung der elektrischen Signale und zur Bestimmung des Aschegehaltes der Kohle ist dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahlungsquelle wenigstens zwei Energiespektren emittiert, wobei das zweite Energiespektrum wenigstens ein in der Kohle enthaltenes Element veran-laßt, eine Sekundärstrahlung mit charakteristischer Energie zu emittieren, und daß die Einrichtung zum Erfassen der Sekundärstrahlung sowohl die Sekundärstrahlung aus den vom ersten Energiespektrum verursachten Strahlungsreaktionen als auch die fluoreszierende charakteristische Energie erfaßt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläut.ert; es zeigen:
Figur 1 ein Block-Schalt-Bild einer Vorrichtung zur Bestimmung des Aschegehaltes von Kohle,
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Figur 2 eine graphische Darstellung des Energiespektrums der Sekundärstrahlung.
Die Figur 1 stellt eine Vorrichtung zum Bestimmen des Aschegehaltes von Kohle, die z.B. aus Bruchkohle, Asche und Feuchtigkeits besteht, dar. In typischer Weise enthält die Asche Elemente wie Eisen, Aluminium, Silizium, Chlor, Titan, Kalium, Kalzium und Schwefel.
In Figur 1 ist eine Primärstrahlungsquelle 1 mit Blei 21o dargestellt. Das Blei 21o gibt ein erstes Energiespektrum einer elektromagnetischen Strahlung mit einer V-Emission von ca. '46 Kev und ein zweites Energiespektrum ab, das ein Band von nachgeregelten Röntgenstrahlen im Energiebereich zwischen neun und 17 Kev ist. Anders ausgedrückt erzeugt das Elei 21o eine Primärstrahlung mit wenigstens zwei Energiespektren. Die primäre Strahlungsquelle 1 ist so angeordnet, daß ein Strahl 2 der Primärstrahlung auf eine Kohleschicht 3 trifft, die auf einem bewegten Förderer liegt. Der Strahl 2 der Primärstrahlung mit den zwei Energiespektren verursacht Strahlungsreaktionen in der Kohle die ihrerseits zugeordnete Energiespektren einer Sekundärstrahlung emittiert, und zwar als Strahl ■+. Das wird später unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert.
Die Intensität oder Pulszählrate der Sekundärstrahlung wird in einem Detektor 5 erfaßt, der z.B. ein mit Xenon gefüllter Proportionalzähler ist oder ein Halbleiter-Detektor ist oder der auch aus zwei gesonderten Detektoren bestehen kann, z.B. einem Proportionalzähler zum Erfassen der Strahlung mit niedriger Energie und einem Szintillationsdetektor zum Erfassen der Strahlung höherer Energie, d.h. der ^"-Emission. Der Detektor 5 ist so ausgelegt, daß er elektrische Signale abgibt,
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BAD ORIGINAL
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die der Intensität oder Pulszählrate entsprechen.- Diese Sig-nale werden in einem Verstärker 6 verstärkt,. bevor sie in einen Pulsamplituden-Selektor 7 gelangen, der nur diejenigen Signale auswählt, die im gewünschten Bereich des gesamten-Spektrums der Sekundärstrahlung liegen, und dadurch das gesamte Spektrum der Sekundärstrahlung in für die weitere Signalverarbeitung geeignete Kanäle trennt.
Die Ausgangssignale des Selektors 7 gelangen zu einer elektrischen Schaltung Io und werden dort in geeigneter1- Weise umgeformt, so daß sie in einem Mikroprozessor 12 verarbeitet werden können, der an ein Kontrollgerät 14- angeschlossen ist, das ein Geschwindigkeitsregler zum Regeln der Transport- und Bunkergeschwindigkeit eines Kohlenförderers sein kann, der die untersuchte Kohle befördert. Ferner ist eine Anzeige 15 vorgesehen, die den Aschegehalt oder andere Signale der Schaltung anzeigt.
Figur 2 gibt einen Kurvenzug eines typischen Sekundärspektrums wieder, das durch Wechselwirkungen in der Kohle entsteht und durch den Proportionalzähler des Detektors 5 erfaßt wird. Die Darstellung zeigt die Intensität oder Pulszählrate der Sekundärstrahlung als Ordinate und die Energie als Abszisse. Das gesamte Energiespektrum der Sekundärstrahlung ist ndt 16 bezeichnet. Die Kurve ist in_drei Abschnitte unterteilt, die jeweils drei Kanälen des ermittelten Energiespektrums entsprechen. Im linken Kanal ist die S&cundärstrahlung bei einer charakteristischen fluoreszierenden Intensität mit einer. Spitze 17 dargestellt, die sich aus K-Schalen-Quantensprüngen im Eisen ergibt, wobei die fluoreszierende charakteristische Energie (Eigenenergie) von dem Band nachgeregelter Röntgenstrahlung mit Energien zwischen 9 und 17 Kev angeregt wird, d.h., durch Primärstrahlung
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aus Wismut-L-Schalen-Röntgenstrahlung, die vom Blei 2Io Isotop emittiert wurde. Die 46 Kev-Strahlung erregt die Eigenstrahlung des Eisens in keiner vergleichbaren und signifikanten Weise und kann deshalb auch nicht zur Kompensation der Eisen-Eigenstrahlung verwendet werden.
Der mittlere Kanal zeigt die Intensität oder Pulszählrate der Sekundärstrahlung, die durch Strahlungsreaktionen des Bandes von nachgeregelten Röntgenstrahlen im Energiebereich zwischen 9 und 17 KeV ausgelöst sind, d.h., durch Primärstrahlung von Wismut-L-Schalen-Röntgenstrahlen, die vom Blei 21o-Isotop emittiert wurden.
Der rechte Kanal zeigt die Intensität oder Pulszählrate der Sekundärstrahlung, die durch Strahlungsreaktionen entstanden sind, welche durch /^-Emission im Energiebereich von ca. 46 KeV des Blei 21o-Isotop ausgelöst sind.
Der Detektor 5 erfaßt das gesamte Energiespektrum der Sekundärstrahlung und liefert der erfaßten Intensität oder Pulszählrate entsprechende Signale, die im Verstärker 6 verstärkt werden, bevor sie in den Pulsamplituden-Selektor 7 gelangen, der das gesamte Spektrum in geeignete Kanäle verlegt. Die ausgewählten Ausgangssignale des Selektors 7 werden dann der elektrischen Schaltung Io zugeführt und dort in geeigneter Weise für die Verarbeitung in dem Mikroprozessor 12 umgewandelt, der seinerseits in geeigneter Weise das Steuergerät IM· betätigt, um den Kohleförderer einzustellen, auf dem die untersuchte Kohle transportiert wird. Notwendige Einstellungen werden derart gemacht, daß der Aschegehalt der Kohle auf einem bestimmten Stand oder in einem vorgewählten Bereich gehalten wird.
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Bei der typischen Anordnung wird der Selektor 7 so eingestellt, daß die ausgewählten Ausgangssignale dem linken und dem rechten Kanal in Figur 2 entsprechen, wobei der mittlere Kanal ignoriert wird. In diesem Fall bestimmt der Mikroprozessor 12 den Aschegehalt durch Kombination der Intensität oder Pulszählrate der rückgestreuten Strahlung, die durch ^-Emission im Energiebereich um 46 KeV erzeugt wurde, mit der Intensität oder Pulszählrate der Eisen-Eigenstrahlung, die in geeigneter Weise eingestellt wurde.
Bei dieser typischen Anordnung bestimmt der Mikroprozessor 12 den Aschegehalt nach der folgenden Formel:
Aschegehalt oC Pb Y + f 1 Fe
wobei
Aschegehalt = % Asche der Kohle;
Pb jj = Intensität oder Pulszählrate der erfaßten Sekundärstrahlung, die durch den Bleifaktor des Blei 21o-Isotops erzeugt wurde;
Fe = Intensität oder Pulszählrate der fluoreszierenden Eigenstrahlung des Eisens in der Sekundärstrahlung;
f^ = Kpmpensationskonstante.
Bei einer anderen typischen Anordnung wird der Selektor 7 so eingestellt, daß die ausgewählten Ausgangssignale den drei Kanälen in Figur 2 entsprechen. In diesem Fall kann der Mikroprozessor 12 den Aschegehalt durch Kombination der Intensität oder Pulszählrate der rückgestellten Strahlung, verursacht durch
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die Q -Emission im Energiebereich von ca. 4-6 KeV, mit der Intensität und der Puls zählrate der rückgestreuten Strahlung, verursacht durch das Fand der nachgeregelten Röntgenstrahlung im Energiebereich zwischen 9 und 17 KeV, sowie mit der Intensität oder Pulszählrate der Eisen-Eigenstrahlung bestimmen, wo&ei die beiden letzteren Intensitäten in geeigneter Weise eingestellt werden.
Bei dieser zweiten Anordnung bestimmt der Mikroprozessor den Aschegehalt der Kohle nach der folgenden Basis-Formel:
Aschegehalt «-Pb Y + f ? Fe + f3 Bi wobei
Aschegehalte = %Asche in der Kohle
Pb y^ = erfaßte Intensität der Sekundärstrahlung, " die auf den Bleifaktor des Blei 21o-Isotops
zurückgeht,
Fe = erfaßte Intensität oder Pulszählrate der
Eigenstrahlung des Eisens in der Sekundärstrahlung ,
Bi = Intensität oder Pulszählrate der Sekundär
strahlung, die auf den Wismut-Faktor des Blei 21o-Isotops zurückgeht,
Ϊ2 und fo = Kompensationskonstanten.
Bei einer dritten typischen Anordnung bestimmt der Mikroprozessor den Aschegehalt nach der folgenden Formel:
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Aschegehalt O^ Bi + f4. Fe + f5 Pb Y wobei
Aschegehalt, Bi, Fe und Pbjwie oben definiert sind und fj, bzw. fg Kompensationskonstanten sind. Bei dieser Anordnung wird die auf Fe und Pb /j zurückgehende Sekundärstrahlung in geeigneter Weise eingestellt.
In anderen Fällen und zur genaueren Bestimmung des Aschegehaltes kann ein Formel zweckmäßig sein, die auch einen Ausdruck enthält, der das Verhältnis der erfaßten Impulszählrate der Eisen-Eigenstrahlung zur erfaßten Wismut-Impulszählrate definiert. In weiteren Fällen und wenn der Aschegehalt im Verhältnis zur Rückstreuung über einen breiten Bereich nicht linear ist, können zur genaueren Bestimmung des Aschegehaltes Größen zweiter Ordnung für wenigstens einen Teil der erfaßten Sekundärstrahlung eingeführt werden. Bei allen Ausführungsformen wird die geeignete Formel durch Versuch und/oder Probieren gefunden.
Die von der Blei 21o-Strahlungsquelle ausgehende Primärstrahlung dringt verhältnismäßig tief in die Kohle ein. Infolgedessen kann mit dem beschriebenen Verfahren auch Kohle verhältnismäßig großer Korngröße untersucht werden, insbesondere Kohle, deren Korngrößen 5 cm und mehr erreichen. Deswegen kann man auch Kohle mit einem verhältnismäßig hohen Feuchtigkeitsgehalt untersuchen und deren Aschegehalt bestimmen, wobei die Bestimmung des Aschegehaltes auch möglich ist, wenn der Gehalt an freier Feuchtigkeit lo% übersteigt.
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Bei anderen Ausführungsformen können die beiden unterschiedlichen Energiespektren der Primärstrahlung auch aus gesonderten Strahlungsquellen stammen. Das kann allerdings eine Kompensation im Hinblick auf unterschiedliche Halbwertzeiten der verwendeten Isotopen erfordern.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die elektronische Kanaltrennung auch durch mechanisches Filtern, insbesondere im Bereich niedriger Energien ersetzt oder verbessert werden. Eine solche Anordnung vermeidet die Schwierigkeiten der genauen Einstellung des elektronischen Teils und der gewünschten Kanäle. Jedoch können dadurch andere Schwierigkeiten entstehen, weil z.B. ein gesonderter Detektor für jeden Kanal erforderlich wird.
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Claims (9)

PATENTANWALT BODE · POSTFACH Π 30 · D-4030 RATINGEN 1 · TELEFON 021 02-2 2008 · TELEX 8585166 N 5 - Io2 Anm.: Coal Industry (Patents) Limited Hobart House, Grosvenor Place, London SWlX 7AE England Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Aschegehaltes von Kohle durch Bestrahlen. Patentansprüche:
1. Verfahren zum Bestimmen des Aschegehaltes von Kohle durch Bestrahlen mit einer Primärstrahlung, die in der Kohle Strahlungsreaktionen und eine Sekundärstrahlung verursacht, welche erfaßt wird und zur Bestimmung des Aschegehaltes dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahlung wenigstens zwei verschiedene Energiespektren aufweist, wobei das zweite Energiespektrum wenigstens ein Element in der Kohle zur Emission einer Sekundärstrahlung mit charakteristischer Energie veranlaßt, und daß die durch das erste Energiespektrum veranlaßte Sekundärstrahlung ebenso wie die weitere Sekundärstrahlung bei wenigstens einer fluoreszierenden charakteristischen Energie des oder der Elemente erfaßt und daraus der Aschegehalt bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erfaßten, auf die fluoreszierende charakteristische Energie zurückgehenden Sekundär·« strahlung ein Kompensationsfaktor zugeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,· dadurch gekennze ichnet, daß die durch Strahlungsreaktionen aufgrund des zweiten Energiespektrums erzeugte Sekundärstrahlung erfaßt wird.
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4-. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein erstes Energiespektrum, welches die fluoreszierende charakteristische Energie des oder der Elemente nicht oder nicht wesentlich beeinflußt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der erfaßten, auf Strahlungsreaktionen wenigstens eines der Energiespektren der Primärstrahlung zurückgehenden Sekundärstrahlung ein Kompensationsfaktor zugeordnet wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespektren der Primärstrahlung aus einer gemeinsamen Strahlungsquelle stammen.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Sensor zum Erfassen der Sekundärstrahlung und zur Abgabe elektrischer Signale, die der erfaßten Sekundärstrahlung entsprechen, sowie mit einer elektrischen Schaltung zur Verarbeitung der gewünschten elektrischen Signale zur Bestimmung des Aschegehaltes der Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahlungsquelle (1) wenigstens zwei Energiespektren (2) emittiert, wobei das zweite Energiespektrum wenigstens ein in der Kohle (3) enthaltenes Element zur Emission einer Sekundärstrahlung (4-) mit charakteristischer Energie veranlaßt, und daß der Sensor (5) sowohl die Sekundärstrahlung (4·), soweit sie durch das erste Energiespektrum veranlaßt wurde, als auch bei der fluoreszierenden charakteristischen Energie erfaßt.
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8. Vorrichtung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (5) die Sekundärstrahlung (M-) erfaßt, die durch Strahlungsreaktionen aufgrund des zweiten Energiespektrums entstanden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennze ichnet, daß die Primärstrahlungsquelle (1) mit zwei Energiespektren eine gemeinsame nukleare Strahlungsquelle, insbesondere ein Blei 21o-Isotop ist.
Io. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennze ichnet, daß die elektrische Schaltung einen Mikroprozessor (12) aufweist.
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