DE3114668A1

DE3114668A1 - "verfahren und vorrichtung zur analyse des asche- oder mineralgehalts von kohle"

Info

Publication number: DE3114668A1
Application number: DE19813114668
Authority: DE
Inventors: Vilis Leonids Revesby N.S.W. Gravitis; John Stanley Heathcote N.S.W. Watt
Original assignee: Australian Atomic Energy Commission 2034 Coogee New South Wales; Australian Atomic Energy Commission
Current assignee: Australian Atomic Energy Commission
Priority date: 1980-04-10
Filing date: 1981-04-10
Publication date: 1982-04-01
Also published as: AU6917381A; CA1165018A; ZA812363B; GB2073884B; JPS5710441A; GB2073884A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf die Bestimmung des Aschegehalts von Kohle oder Koks durch Messung von Röntgen- und/oder niederenergetischen γ-Strahlen.

Eine genaue Kenntnis der Zusammensetzung von Kohle oder Koks ist bei vielen Aspekten der Gewinnung oder Veredelung und bei der Verwendung von Kohle oder Koks sehr wichtig, um ein (e) gleichförmige(s) Produkt und/oder Charge zu gewährleisten.

Kohle und Koks bestehen aus Kohlematerial (Sauerstoff und verbrennbare Materialien, Kohlenstoff, Wasserstoff und etwas Stickstoff und Schwefel) und mineralischem Material (hauptsächlich aus unbrennbaren Aluminium- und anderen Silikaten und etwas Eisensulfid, das teilweise brennbar ist) Kohleasche ist der oxidierte, unbrennbare Rückstand der Kohleverbrennung und steht in enger Verbindung zum Gehalt an mineralischem Material.

Eine genaue Kenntnis des Mineralgehalts von Kohle ist bei vielen Aspekten der Kohleproduktion, -herstellung und -verwendung sehr wichtig. Besonders vorteilhaft ist es, den Mineralgehalt von Kohle während der Kohlewäsche und während Mischvorgängen, der Koksproduktion kontinuierlich zu überwachen und die Zufuhr bei Vorrichtungen zur Energieerzeugung beim metallurgischen Schmelzen und bei der Gaserzeugung zu überwachen.

Kohle hat, so wie sie abgebaut wird, einen schwankenden, heterogenen Mineraliengehalt und gewöhnlich eine große Teilchengrößenverteilung. Die Kohle wird gewaschen, um den Mineraliengehalt herabzusetzen und ein gleichförmiges Produkt zu gewährleisten, und gemischt, um spezifische

Eigenschaften'zu erhalten, die sich für besondere Anwendungserfordernisse eignen. Wenn der Mineraliengehalt kontinuierlich erfaßt werden kann, kann die Wäsche und das Mischen besser gesteuert werden, um einen gleichförmigeren und geringeren Mineraliengehalt und dadurch geeignetere Merkmale zu erzielen.

In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen wird bei der Beschreibung von Methoden zur Bestimmung des Aschegehalts von Kohle dies auch auf Koks bezogen. Da der Gehalt an mineralischem Material in enger Beziehung zum Aschegehalt steht, kann der eine Gehalt zumindest näherungsweise auch aus einer Messung des anderen bestimmt werden.

Der Aschegehalt von Kohle kann bekanntlich gravimetrisch durch Verbrennen einer bekannten Menge Kohle und Wiegen des Rückstands bestimmt werden. Um Fehler zu verringern, wird eine große Probe genommen und vermählen und die Probengröße im Einklang mit Standardprobennahmen reduziert. Dieses Verfahren erlaubt keine rasche Aufzeichnung des Aschegehalts.

Kontinuierliche und rasche Methoden zur Bestimmung des Aschegehalts von Kohle sind bekannt und hängen von der Teilchenstreuung oder dem Durchgang oder der Streuung von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen ab. Solche Verfahren sind begehrieben in J.P. Cameron, "Measurement of ash content and calorific value of coal with radioisotope instruments", O.R1N.L. 11C-10, Band 2, S. 903, J. F. Cameron, C. G. Clayton "Radioisotope Instruments Volume 1", International Series of Monographs in nuclear energy, Band 107, Pergamon Press (1971),. M. Kato "Present status of research and application of lowenergy X- and gamma-ray sources in Japan" O.R.N.L-. 11C-10, Band 2, S. 723, J.R. Rhodes "Ore and Coal Analyses using radioisotope techniques" O.R.N.L. 11C-5, S. 206 und A. G. Vasilev et al. "Express ash analyser based on the recording of forward scattered gamma rays", Koksi Khimiya 1974, Nr. 5,

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S. 52. Die Grundlage für diese Methoden ist die, daß die mittlere Atomzahl der Bestandteile des mineralischen Materials höher ist als die des Kohlematerials/ und daß die Wechselwirkungen von ß- und γ-Strahlen mit Atomen von der Atomzahl abhängig sind. Die mittlere Atomzahl mineralischen Materials jedoch, ist nicht konstant, und in der Praxis verursachen Schwankungen des Eisengehalts im mineralischen Material erhebliche Fehler bei der Bestimmung von Asche unter Anwendung der obigen Methoden.

Grundsätzlich können Neutronentechniken zur Bestimmung des Aschegehalts von Kohle angewandt werden, da diese Techniken zur Bestimmung von Konzentrationen der häufigeren Elemente der Kohle herangezogen werden können. Solche Methoden sind bei J«F. Cameron "Measurement of ash content and calorific value of coal with radioisotope instruments", O.R.N.L. 11C-10, Band 2, S. 903, beschrieben. Neutronen und die durch die Wechselwirkungen der Neutronen mit der Kohle erzeugten γ-Strahlen durchdringen beide große Kohlevolumina, und daher können Neutronentechniken bei verhältnismäßig großen Kohlestücken angewandt werden. Die Bestimmung der Konzentrationen aller für eine genaue Bestimmung des Aschegehalts erforderlichen Elemente wäre jedoch in der Praxis sehr kompliziert, da einige der Neutronentechniken für einzelne Elemente kompliziert sind. Techniken sind in der Praxis verhältnismäßig einfach nur für eine begrenzte Anzahl von Elementen, z.B. Eisen durch Neutroneneinfang-γ-Strahlentechniken, wie von der FMC Corporation beschrieben, "Analysis of coal with Cf-252", S. 37 bis 39 in Californium Progress, 20. 1. 1976, und K. Ljunggren und R. Christen "On-line determination of the iron content of ores, ore products and wastes by means of neutron capture gamma radiation measurement", S. 181 in Nuclear Techniques in Geochemistry and Geophysics, IAEA, Wien, 1976.

Bei Methoden auf der Grundlage der Streuung von 3-Teilchen steht die Intensität der von einem Material gestreuten Teilchen in Beziehung zur mittleren Atomzahl des Materials. Da die mittlere Atom- oder Ordnungszahl von Kohle mit dem Gehalt an mineralischem Material zunimmt, ist die Intensität von von Kohle gestreuten ß-Teilchen proportional dem Aschegehalt. Doch treten bei dieser Methode durch Änderungen des Eisen- und Feuchtigkeitsgehalts große Fehler auf.

Bei Verfahren auf der Grundlage des Durchgangs von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen nimmt die Intensität der durch eine Probe festen Gewichts pro Flächeneinheit durchgelassenen Strahlung mit steigendem Massenschwächungskoeffizienten des Schüttmaterials ab. Bei Energien unter etwa 100 keV ändert sich der Massenschwächungskoeffizient rasch mit der Ordnungszahl, was bedeutet, daß die durchgelassene Intensität gegenüber der Zusammensetzung der Kohle empfindlich ist.

Das Verhältnis der Intensität (I) eines gebündelten Strahls einer durch eine Kohleprobe der Dicke (x) und der Schüttdichte (p) durchgelassenen Strahlung zur Intensität (I ) in Abwesenheit von Kohle ist

I
ο

= βχρ(-(Σμ .C₁) ρ.χ) (1)

worin μ^ und C. der Massenabsorptionskoeffizient und die Konzentration (Gewichtsanteil) des i-ten Elements in der Kohle sind. Nun ist

Σμ_±.Ο_± ^Kohlematerial '^CKohlematerial

(2)

^mineralisches Material " mineralisches Material

worin C die Konzentration und

C +C ⁼1

Kohlematerial mineralisches Material (3)

Wenn nun zu analysierende Kohleproben mineralisches Material von im wesentlichen konstanter Zusammensetzung haben und das Gewicht pro Einheitsfläche (p.x) von Kohle getrennt gemessen wird und die Ergebnisse durch die Gleichungen (1), (2) und (3) kombiniert werden, werden die Konzentration des mineralischen Materials und somit der eng damit zusammenhängende Aschegehalt bestimmt.

Eine hohe Empfindlichkeit bei Schwankungen des Gehalts an mineralischem Material kann mit Transmissionsmethoden erhalten werden, da die Empfindlichkeit gegenüber dem Gehalt an mineralischem Material proportional (x) in Gleichung (1) ist.

Bei Methoden auf der Grundlage der Streuung von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen hängt die Intensität (I) der von der Kohle gestreuten Strahlung von der Wahrscheinlichkeit kohärenter und Compton-Streuung und der Absorption von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen innerhalb der Probe ab. Der optimale Energiebereich für maximale Empfindlichkeit gegenüber Asche ist 10 bis 20 keV, in diesem Falle ist

(4)

Σ(μ_±

worin μ. und C. der Masseabsorptionskoeffizient bzw. die Konzentration für das i-te Element in der Kohleprobe sind und k von der Gesamtgeometrie und der Nachweisleistung sowie der Ausgangsleistung der niederenergetischen γ-Strahlen- oder Röntgenstrahlenquelle abhängt. Wenn zu analysierende Kohleproben mineralisches Material von im wesentlichen konstanter chemischer Zusammensetzung haben, werden der Gehalt an minderalischem Material und der damit eng zusammenhängende Gehalt an Asche bestimmt.

Schwankungen des Eisengehalts des mineralischen Materials beeinträchtigen sowohl den Röntgenstrahlen- als auch den niederenergetischen γ-Strahlendurchgang und Streumethoden in folgender Weise:

(1) Wenn die Röntgenstrahlenenergien unter dem Wert des K-Schaleneinfangs des Eisens (7,1 keV) gewählt werden, ist der Massenabsorptionskoeffizient von Eisen und das Mittel für die anderen Bestandteile des mineralischen Materials etwa gleich,und der Gehalt an mineralischem Material und somit an Asche wird mit genügender Genauigkeit bestimmt. Diese niederenergetischen Röntgenstrahlen jedoch werden stark absorbiert, und die Kohle muß fein vermählen werden (unter etwa 0,3 mm), so daß die Messungen vorgenommen werden können. Dies ist eine starke Einschränkung für die praktische Durchführung der Bestimmung bei laufendem Betrieb. . ;

(2)Wenn die Röntgenstrahlenenergien über der Eisen-K-Schalenabsorptionsschwelle gewählt werden, muß der Eisengehalt kompensiert werden, weil Eisen weitaus mehr pro Gewichtseinheit absorbiert als die Gewichtseinheit der übrigen Bestandteile des mineralischen Materials. Die einzige derzeit auf Eisen angewandte Kompensation hängt von der Erregung von Eisen-K-Röntgenstrahlen ab. Diese Methode kann nur bei fein vermahlener Kohle angewandt werden, da die K-Röntgenstrahlen in weniger als 1 mm dicker Kohle stark absorbiert werden.

Somit kann, wenn nicht gerade der Fall praktisch unveränderten Eisengehalts des mineralischen Materials eintritt, der Gehalt an mineralischem Material und folglich an Asche nur durch ■ derzeit angewandte niederenergetische γ-Strahlen- und Röntgenstrahlentechniken genau gemessen werden, wenn die Teilchen-

- 13 größe der Kohle sehr gering ist.

Somit wäre nach dem Stand der Technik zu erwarten, daß eine ■ genaue Bestimmung des Aschegehalts von Kohle nach Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlentechniken unwahrscheinlich ist, es sei denn, der Eisengehalt der Asche ist konstant oder die Kohleteilchen würden fein vermählen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Aschegehalt selbst dann bestimmt, wenn die Eisenkonzentration variiert, und es kann auf verhältnismäßig große Kohleteilchen angewandt werden.

Erfindungsgemäß wird die Konzentration an Asche oder mineralischem Material in Kohle bestimmt aus

(i) dem Ergebnis einer Messung der Intensität von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen aus wenigstens einer Streuwechselwirkung in der Kohle in einem ersten Energiebereich, der so ausgewählt ist, daß ein erheblicher Unterschied in der Strahlungsabsorption pro Gewichtseinheit im Kohlematerial und mineralischen Material ohne Eisen besteht, in Kombination mit (ii) dem Ergebnis wenigstens einer weiteren Messung der Intensität von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen aus wenigstens einer Streuwechselwirkung in der Kohle in einem anderen Energiebereich, wobei der oder die anderen Energiebereich(e) so gewählt ist (sind), daß ein beträchtlicher Unterschied in der Absorption der Strahlung pro Gewichtseinheit Kohlematerial und mineralischem Material besteht und wobei die relative Absorption pro Gewichtseinheit des Kohlematerials und des mineralischen Materials bei jeder Energie oder jedem Energiebereich deutlich verschieden von der relativen Absorption bei jeder anderen Energie oder jedem anderen Energiebereich ist.

: ι ι ' : :··:·· : : : J s Uub8

Die Erfindung führt auch zu einer Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Asche oder mineralischem Material in Kohle, die

a) eine Röntgen- oder niederenergetische γ-Strahlen entweder einer einzigen Energie oder verschiedener Energien liefernde Quelle,

b) mit der Quelle verbundene Nachweiseinrichtungen für Röntgen- oder niederenergetische γ-Strahlen aus wenigstens einer Streuwechselwirkung in der Kohle mit Unterscheidungsmöglichkeit zwischen den Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen in verschiedenen Energiebereichen, wobei ein erster Energiebereich so gewählt ist, daß in der Absorption der Strahlung pro Gewichtseinheit im Kohlematerial und mineralischen Material ohne Eisen ein erheblicher Unterschied besteht, und Röntgen- oder niederenergetische γ-Strahlen wenigstens einer anderen Energie oder eines anderen Energiebereichs so gewählt sind, daß ein erheblicher Unterschied in der Absorption der Strahlung pro Gewichtseinheit des Kohlematerials und mineralischen Materials besteht und daß die relative Absorption pro Gewichtseinheit des Kohlematerials und des mineralischen Materials bei irgendeiner Energie oder einem Energiebereich deutlich verschieden ist von der relativen Absorption bei jeder anderen Energie oder jedem anderen Energiebereich,

c) Abschirmeinrichtungen zwischen der Quelle und den .Nachweiseinrichtungen zur Verringerung der Intensität der direkten Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlung, die von der Quelle auf die Nachweiseinrichtungen trifft, und

d) mit dem Ausgang der Nachweiseinrichtungen verbundene Rechnereinrichtungen zur Berechnung der Konzentration

aufweist.

In der Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet der Ausdruck "niederenergetische γ-Strahlen" γ-Strahlen solcher Energie,, daß die Absorption der Strahlung pro Gewichtseinheit wenigstens einiger Elemente deutlich verschieden von der Absorption pro

15 -

Gewichtseinheit anderer Elemente ist. Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine einzige Röntgen- oder niederenergetische γ-Strahlenqμelle beschrieben wird, kann die Quelle auch eine komplexe sein, wobei zwei oder mehr Radioisotope , entweder in einer einzigen Einheit kombiniert oder in separaten Einheiten, ein einziges Energiespektrum erzeugen, das durch einen einzigen Detektor erfaßt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Konzentration von Asche oder mineralischem Material in Kohle aus dem Ergebnis einer Messung der Intensität von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen aus wenigstens einer Streuwechselwirkung in der Kohle in einem ersten Energiebereich bestimmt, der so gewählt wird, daß in der. Absorption von Strahlung pro Gewichtseinheit im Kohlematerial und im mineralischen Material ohne Eisen ein erheblicher Unterschied besteht, kombiniert mit dem Ergebnis einer zweiten Messung der Intensität von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen in einem zweiten Energiebereich aus der gleichen Quelle wie die Röntgenstrahlen oder die niederenergetischen γ-Strahlen des ersten Energiebereichs, die aus wenigstens einer Streuwechselwirkung in der Kohle stammen, wobei der zweite Energiebereich so gewählt wird, daß die Absorption der Strahlung pro Gewichtseinheit mineralischen Materials deutlich verschieden ist von der des Kohlematerials,und daß die relative Absorption pro Gewichtseinheit durch das mineralische Material und das Kohlematerial im ersten Energiebereich erheblich verschieden ist von der relativen Absorption im zweiten Energiebereich.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Konzentration mineralischen Materials gelegentlich durch die vorgenannten Messungen in Verbindung mit einer oder mehreren weiteren Messungen bestimmt, ausgewählt unter (i) der Messung des Gewichts pro Flächeneinheit oder einer dieser proportionalen Messung oder

* φ * C « fr*,*¹

£11 4668

ν - 16 - .

(ii) der Messung der Schüttdichte oder einer dieser proportionalen Messung.

Eine der üblichsten dieser Methoden wendet γ-Strahlen hoher Energie an. Gewöhnlich ist nur eine dieser beiden Messungen erforderlich. · - -' "

Der Aschegehalt kann in manchen Fällen durch Messung der Intensitäten von Röntgen- oder nxederenergetischen γ-Strahlen in zwei getrennten Energiebereichen der Röntgen- ader niederenergetischen γ-Straustrahlen-Spektren bestimmt werden, wobei die Geometrie von Quelle, Probe und Detektor so gewählt wird, daß die gestreute Intensität für beide Strahlen im wesentlichen unabhängig von der Schüttdichte der Kohle oder durch Änderungen in der Schüttdichte proportional gleich beeinflußt wird.

Variiert der Feuchtigkeitsgehalt der Kohle oder der Wasserstoff gehalt des Kohlematerials beträchtlich, kann der Asche- '. gehalt der Kohle genauer durch Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Messung des Feuchtigkeits- oder Wasserstoffgehalts bestimmt werden. Methoden zur Messung der Feuchtigkeit und des Wasserstoffs in Kohle sind bekannt (nämlich Neutronenstreuung oder -durchgang oder Einfang-γ-Strahlen aus der Neutronenabsorption durch Wasserstoff) ."

Das bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschriebene Verfahren kompensiert teilweise auch schwankende Mengen anderer Elemente, z.B. Calcium oder Schwefel, _.AnL______„

mineralischen Material, die einen hohen Masseabsorptionskoeffizienten im Vergleich mit dem Mittel für die anderen Bestandteile des mineralischen Materials haben, und verbessert folglich die Genauigkeit der Analyse des Gehalts mineralischen Materials und folglich der Asche.

- 17 -

Das erfindungsgemäße Verfahren kann an Kohle auf einem Förderer, in einer Rutsche oder in einem Rohr durchgeführt werden. Die Kohle kann trocken oder in einer Aufschlämmung und in groben Brocken oder fein zerteilt vorliegen. Es ist bequem und bevorzugt, das erfindungsgemäße Verfahren auf eine kontinuierliche Überwachung des Aschegehalts von Kohle anzuwenden, die Erfindung ist aber darauf nicht beschränkt, da das Verfahren auch auf diskrete Kohleproben angewandt werden kann.

Die Energien oder Energiebereiche der Röntgen- und niederenergetischen γ-Strahlen werden im Hinblick auf ihre besondere analytische Anwendung ausgewählt. Beispielsweise bei der Anwendung von Röntgen- und niederenergetischen γ-Strahlen zur Bestimmung des Aschegehalts von Kohle auf einem Förderband werden die Energien der Röntgenstrahlung oder der niederenergetischen γ-Strahlung oder deren Energiebereiche so gewählt, daß hohe Absorption von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen in der Dicke der Kohle und folglich eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Änderungen im Aschegehalt, eintritt, aber den Detektor erreichen genügend Röntgen- oder niederenergetische γ-Strahlen (durch die Kohle gestreut), so daß die Intensitäten der Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlung genau gemessen werden können.

Einige geeignete Radioisotope, die als Quellen für die Röntgen- und niederenergetischen γ-Strahlen mit dem erfindungsgemäßen

241 153 109 Verfahren verwendet werden können, sind Am, Gd, Cd,

155 145 57

Eu, Sm und Co. Ebenso wie die Anwendung ihrer direkten Strahlung, können die obigen Quellen auch mit einem Sekundärtarget verwendet werden, um einen Strahlungsbereich von dazwischenliegender Energie zu schaffen, wie bei J. S. Watt in "γ-ray excited X-ray sources", International Journal of Applied Radiation and Isotopes, 1964, Band 15, S. 617 beschrieben. Einige als Quellen für hochenergetische γ-Strahlen

verwendbare Radioisotope sind Ba, Cs und Co. Ebenso wie die Radioisotopenquellen sind eine weitere mögliche Röntgenstrahlenquelle Röntgenröhren, diese sind aber erheblich komplizierter und teurer.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Asche in Kohle auf einem Förderband angewandt wird, kann es in manchen Fällen nötig sein, eine Kompensation für geringe Dickenschwankungen des Bandes durch kontinuierliche Dickenmessung zu schaffen. Dies könnte durch herkömmliche Radioisotopentechniken an dem leer zurücklaufenden Bandabschnitt erfolgen.

In den folgenden Beispielen sind unter Bezugnahme auf die Figuren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Zwei die Figuren gemeinsam betreffende Anmerkungen sind folgende:

a) Wenngleich Kohle auf einem sich bewegenden Förderer dargestellt ist, können die Messungen auch an ruhenden Kohle proben, an durch eine Rutsche oder einen Trichter'laufender Kohle, an auf einer kontinuierlichen Probennebenlei-tung laufender Kohle usw. durchgeführt werden, und

b) die durch die Kohle gestreuten Röntgen- und/oder niederenergetischen γ-Strahlen werden von einem energieempfindlichen Detektor erfaßt und der Aschegehalt wird durch Kombinieren der Messungen der Intensität von zwei oder mehr Energiebereichen aus dem erfaßten Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlenspektrum bestimmt.

Beispiel 1

In Fig. 1 wird Kohle 1 auf einem sich bewegenden Förderer 2 von einem Bündel niederenergetischer γ- oder Röntgenstrahlen aus einer Radioisotopenquelle 3 bestrahlt. Die Kollimation

durch die Bleiabschirmung 4 gewährleistet, daß der Szintillationsdetektor 5 Röntgen- oder niederenergetische γ-Strahlen, die aus der Tiefe der Kohlemasse heraus gestreut wurden, erfaßt, und somit wird die Ascheanalyse über eine beträchtliche Tiefe bzw. Dicke der Kohle gemittelt.

Im einfachsten Falle werden zwei Energiebereiche gewählt und zur Bestimmung des Aschegehalts kombiniert. Beispielswei-

153 se wurden unter Verwendung des Radioisotops Gd und unter Erfassung von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen mit einem Szintillationsdetektor die Intensität rückgestreuter niederenergetischer γ-Strahlen in den beiden Energiebereichen 27 bis 44 keV und 81 bis 107 keV bestimmt. Die Intensität des höheren Energiebereichs (I_HE) und die des Niederenergiebereichs wurden kombiniert und der Aschegehalt (C₇. , ) aus der Gleichung:

I Ascne ι £ j-_ne

berechnet, wobei cu. und a_? aus der kleinsten Fehlerquadratanalyse bestimmte Konstanten sind. In einer Gruppe von 14 Proben aus der Utah Development Co's Blackwater Mine in Queensland, Australien, wurde der Aschegehalt auf 0,8 Gew.-% für Proben mit Aschegehalten im Bereich von 5 bis 18 Gew.-% und Eisengehalten der Asche im Bereich von 6 bis 12,6 Gew.-% bestimmt. Diese Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt.

Ebenso wurde in einer Gruppe von 15 Proben aus 12 Kohlebergwerken, die Kokskohle an die Australian Iron and Steel Pty. Ltd. liefern, der Aschegehalt auf eine Genauigkeit von 1,1 Gew.-% (mittlerer quadratischer Fehler) Asche bestimmt. Der Aschegehaltbereich war 10 bis 31 Gew.-% mit einem Mittelwert von 17,9 Gew.-%, und der Eisengehalt schwankte zwischen 0,6 und 4,5 Gew.-% in der Asche.

Die Anwendung von drei Energiebereichen im obigen Beispiel

wäre für manche Kohlesorten von Vorteil. Gd, Co und

Am sind einige der für diese Technik geeigneten Radioisotopen.

Die bei den Szintillationsdetektoren verwendete Elektronik ist von bekannter Art, wobei die Hauptforderung die ist, daß die Intensität der erfaßten Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen in jedem Energiebereich genau gemessen werden kann. Ein Beispiel für eine solche Elektronik ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Hochspannungseinheit 6 polarisiert den Szintillationsdetektor 5, und die weitere Ausrüstung umfaßt eine verstärkende Stabilisierschaltung 7, Einkanalanalysatoren 8 zur Wahl der Energiebereiche, und Schnittstelleneinheiten 9 verbinden die Ausgänge von den Einheiten 8 zu einem Digitalrechner 10, der die elektrischen Pulse skaliert und den Aschegehalt berechnet. Alternativ können die Einheiten 8 durch einen A/D-Wandler und Mehrkanalanalysator ersetzt werden.

Beispiel 2

In Fig. 3 wird Kohle 1 auf einem Förderband 2 von einem Bündel Röntgen- oder niederenergetischer γ-Strahlen von einer Radioisotopenquelle 3 bestrahlt. Die Bleiabschirmungen 4 und 11 lenken die Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen von der Radioisotopenquelle so, daß nur RÖntgen- oder niederenergetische γ-Strahlen, die in der Kohle gestreut· werden, durch den Szintillationsdetektor 5 erfaßt werden können.

Die Elektronik ist ähnlich der in Fig. 1 und umfaßt eine Hochspannungseinheit 6, einen Verstärker und verstärkenden Stabilisator 7, Einkanalanalysatoren 8, Schnittstelleneinheiten und Digitalrechner 10.

Der Aschegehalt der Kohle wird wieder aus den Messungen der Intensität der Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen in zwei (wie in Fig.· 3 dargestellt) oder mehr Energiebereichen des Spektrums der in der Kohle gestreuten niederenergetischen γ- oder Röntgenstrahlen berechnet. In manchen Fällen ist eine weitere Bestimmung der Schüttdichte oder des Gewichts pro Flächeneinheit Kohle erforderlich, um die Energiebereichsmessungen zu kompensieren und eine genauere Aschegehaltbestimmung zu liefern.

Leerseite

Claims

Ansprüche

1y Verfahren zum Analysieren von Kohle, bei dem die Konzentration der Asche oder mineralischen Materials in der Kohle bestimmt wird aus

(i) dem Ergebnis einer Messung der Intensität von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen wenigstens einer streuenden Wechselwirkung in der Kohle in einem ersten Energiebereich, der so gewählt wird, daß ein erheblicher Unterschied in der Absorption von Strahlung pro Gewichtseinheit im Kohlematerial und mineralischen Material ohne Eisen besteht, kombiniert mit (ii) dem Ergebnis wenigstens einer weiteren Messung von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen aus wenigstens einer streuenden Wechselwirkung in der Kohle in einem anderen Energiebereich, wobei der oder die anderen Energiebereich(e) so gewählt ist bzw. sind, daß ein erheblicher Unterschied in der

Absorption von Strahlung pro Gewichtseinheit Kohlematerial und mineralischem Material besteht, und wobei die relative Absorption pro Gewichtseinheit durch das Kohlematerial und das mineralische Material bei irgendeiner Ene.rgie oder einem Energiebereich erheblich verschieden von der Absorption bei jeder anderen Energie oder'jedem anderen Energiebereich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Röntgen-, oder niederenergetische γ-Strahlen aus einer einzigen Quelle stammen, die ein einziges Energiespektrum erzeugt, das von einem einzigen Detektor erfaßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Röntgen- oder nieder energetischen γ-Strahlen aus einer komplexen Quelle stammen, bei der zwei oder mehr Radioisotope in einer einzigen Einheit kombiniert werden, die ein einziges Energiespektrum hervorbringt, das von einem einzigen Detektor erfaßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Röntgen- oder derenergetischen γ-Strahlen aus einer komplexen Quelle · stammen, in der zwei oder mehr Radioisotope in zwei oder

■ mehr getrennten Einheiten vorliegen, die ein einziges . · Energiespektrum hervorbringen, das von einem einzigen Detektor erfaßt wird.
5. Verfahren nach, irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Konzentration aus dem Ergebnis einer Messung der Intensität von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen aus' wenigstens einer streuenden Wechselwirkung in der Kohle in einem ersten Energiebereich in Kombination mit dem Ergebnis einer zweiten Messung des Durchgangs oder der Streuung von Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen aus wenigstens einer streuenden Wechselwirkung in der Kohle bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Schritte (i) und (ii) mit

(iii) einer Messung wenigstens einer der Werte Gewicht pro Flächeneinheit oder Kohle-Schüttdichte oder einer dem Gewicht pro Flächeneinheit oder der Schüttdichte proportionalen Messung kombiniert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Geometrie der Quelle, der Kohle und des Detektors so gewählt ist, daß die Streuintensität der Röntgen- und niederenergetischen γ-Strahlen im wesentlichen unabhängig von der Schüttdichte der Kohle ist oder durch Änderungen der Schüttdichte proportional gleich beeinflußt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem in der Kohle der Wasserstoffgehalt des Kohlemäterials oder der Feuchtigkeitsgehalt beträchtlich variiert, ferner gekennzeichnet durch Kombination der Schritte (i) und (ii) und gegebenenfalls (iii) mit

(iv) einer Messung des Feuchtigkeits- oder Wasserstoff- ■ gehalts der Kohle.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Feuchtigkeitsoder Wasserstoffgehalt durch Neutronenstreuung oder -durchgang oder durch Einfang-y-Strahlen aus der Neutronenabsorption durch Wasserstoff bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem als

241 153 Quelle wenigstens eine aus der Gruppe Am, Gd,

109 1¹^S 14¹S ^7

Cd, Eu, Sm oder Co verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem wenigstens eine der Quellen ²⁴¹Am, ¹⁵³Gd, ¹⁰⁹Cd, ¹⁵⁵Eu, ¹⁴⁵Sm oder ⁵⁷Co mit einem Sekundärtarget zur Erzeugung eines Strahlungsbereichs dazwischenliegender Energie verwendet wird.

•Κ ι " -

ν^ i ι - γ ,J' ^j Ό

-A-
12. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Asche oder mineralischem Material in Kohle, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch

a) eine Röntgen- oder niederenergetische γ-Strahlen entweder einer einzigen Energie oder verschiedener Energien liefernde Quelle (3),

b) Nachweiseinrichtungen (5 bis 9), die mit der Quelle verbunden sind und aus wenigstens einer streuenden Wechselwirkung in der Kohle stammende Röntgen- oder niederenergetische γ-Strahlen nachzuweisen und zwischen Röntgen- oder niederenergetischen γ-Strahlen in verschiedenen Energiebereichen zu unterscheiden vermögen, wobei ein erster Energiebereich so ausgewählt ist, daß ein erheblicher Unterschied in der Absorption von Strahlung pro Gewichtseinheit im Kohlematerial und mineralischen Material ohne Eisen besteht, und wenigstens eine andere Energie oder ein anderer Energiebereich so gewählt ist, daß ein erheblicher Unterschied in der Absorption von Strahlung pro Gewichtseinheit Kohlematerial und mineralischen Materials besteht, und daß die relative Absorption pro Gewichtseinheit des Kohlematerials und des minerali-. sehen Materials bei jeder einzelnen Energie oder jedem Energiebereich erheblich verschieden ist von der relati-· · ven Absorption bei jeder anderen Energie oder jedem anderen Energiebereich,

c) eine Abschirmeinrichtung (4) zwischen der Quelle und

den Nachweiseinrichtungen zur Herabsetzung der Intensität direkter Röntgen- oder niederenergetischer γ-Strahlen der Quelle, die auf die Nachweiseinrichtungen treffen, und

d) mit den Ausgängen der Nachweiseinrichtungen verbundene Recheneinrichtungen (10) zur Berechnung der Konzentration'.
13. vorrichtung nach Anspruch 12, deren Quelle eine einzige Quelle für Röntgen- oder niederenergetische γ-Strahlen ist, die ein Einzelenergiespektrum liefert, das durch einen Einzeldetektor nachweisbar ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dessen Quelle eine komplexe Quelle ist, bei der zwei oder mehr Radioisotope in einer einzigen Einheit kombiniert sind, die ein Einzelenergiespektrum liefert, das von einem Einzeldetektor nachweisbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, deren Quelle eine komplexe Quelle ist, bei der zwei oder mehr Radioisotope in zwei oder mehr getrennten Einheiten vorliegen, die ein Einzelenergiespektrum liefern, das durch einen Einzeldetektor .nachweisbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, deren Nachweiseinrichtungen Röntgen- oder niederenergetische 7-Strahlen der ersten Energie oder des ersten Energiebereichs und Röntgen- oder niederenergetische γ-Strahlen einer verschiedenen Energie oder eines verschiedenen Energiebereichs nachweisen.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, ferner gekennzeichnet durch

e) eine erste Meßeinrichtung zur Messung wenigstens eines der Werte Gewicht pro Flächeneinheit der Kohle oder einer dazu proportionalen Messung und/oder der Schüttdichte der Kohle oder einer dem Gewicht pro Flächeneinheit oder der Schüttdichte proportionalen Messung,

wobei der Ausgang der ersten Meßeinrichtung mit der Recheneinrichtung verbunden ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei der die Geometrie von Quelle, Kohle und Nachweiseinrichtung so gewählt ist, daß die Streuintensität der Röntgen- und niederenergetischen γ-Strahlen im wesentlichen unabhängig von der Schüttdichte der Kohle oder durch Änderungen der Schüttdichte proportional gleich beeinflußt ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei Verwendung zur Bestimmung der Asche- oder Mineralkonzentration in einer Kohle mit erheblich unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt oder erheblich unterschiedlichem Wasserstoffgehalt des Kohlematerials, ferner gekennzeichnet durch f) eine zweite Meßeinrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsoder Wasserstoffgehalts der Kohle,

wobei der Ausgang der zweiten Meßeinrichtung mit der Recheneinrichtung verbunden ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, deren zweite Meßeinrichtung Neutronenstreuung oder -durchgang oder Einfang-γ-Strahlen aus der Neutronenabsorption durch Wasserstoff mißt.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, deren

241 153 109 Quelle wenigstens eine der Quellen Am, Gd, Cd,

1 ςς 14c; 57

¹ Eu, Sm oder 'Co ist. ·

22'. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der wenigstens eine der

241 153 109 155 145 57 Quellen Am, Gd, *Cd, Eu, Sm oder Co mit einem Sekundärtarget zur Erzeugung einer Strahlung mit Energiezwischenbereich verwendet ist.