基于中子活化技术的煤炭全元素在线分析系统的研究宋兆龙1，吕震中1，陆厚平2(1.东南大学动力工程系，江苏南京210096；2.南京华能中电电力公司，江苏南京211100)摘要：将中子感生瞬发γ射线分析(NIPGA)技术用于煤炭全元素的分析，具有分析精度高，分析时间短的特点，能实现煤炭品质在线实时监测。提出了基于NIPGA技术的系统实现方案，并对在配煤厂和燃煤电厂中的应用进行了分析。关键词：中子瞬发γ射线分析；煤炭元素在线分析；发电厂；配煤1引言煤炭是我国主要的一次能源，每年直接用于燃烧的煤炭约1.1Gt。与西方发达国家相比，我国煤炭利用率较低，浪费惊人，产生的污染严重，同时在燃烧方面的各种运行问题和设备安全问题也较突出。产生的原因虽是多方面的，但长期以来，缺少能实时准确分析煤炭成份，全面评测煤炭特性的实用技术是一个重要的原因。2煤炭全元素在线分析与煤质特性2.1现行煤质分析技术存在的问题目前，对煤炭的分析通常有工业分析：分析水分、灰分、固定碳和挥发分，及元素分析：测碳、氢、氧、氮、硫5种元素。现行的煤质分析都是通过对原煤采样，破碎、缩分、制样，然后利用化学方法进行分析，这种方法存在2方面不足：一是在实际工作中取样代表性难以保证。由于煤炭是一种大宗商品，每次检验分析的煤炭常达数千吨，而且煤种杂、杂物多，常掺有木块、泥沙、石块等，再加上存在一些掺假现象，即使在同一车(船)煤中，也常包括优劣煤、干湿煤，而且每次取样数量又十分有限，从而使得实际的取样代表性较差。另一方面，都是离线分析，分析时间较长，一般的工业分析就需4～5h，元素分析时间更长。特别当煤量大时，取样工作量大，均质取样困难，分析时间长，难以实现在线实时分析，所以不能动态地实时监控煤炭的品质。2.2煤炭的燃烧特性与全元素分析电厂锅炉及工业炉窑都是针对特定的煤种(即设计煤种)进行设计的，也即依据特定的煤炭品质确定炉膛结构尺寸和运行参数，若煤炭品质偏移设计煤种时，就会改变燃烧器区域热负荷、炉膛截面热负荷，从而影响煤炭着火、煤炭稳定燃烧以及煤炭在炉内燃尽程度。因而不仅会造成燃烧效率降低，还会激化炉膛结焦、引起异常灭火停炉，并增加粉尘、SO2、NOX等污染物排放量，产生环境污染。煤炭的品质指标除水分、灰分、挥发分、固定碳、发热量等工业分析指标外，还有可磨性、灰熔性、煤粉的爆炸性和着火性能、燃尽性能、结焦性能等燃烧特性指标。从本质上看，煤炭的品质是由煤炭的组成成份和结构所决定的，煤炭的品质指标与煤炭全元素成份之间有相关性。煤炭全元素不仅指碳、氢、氧、氮、硫等主要元素，也包括对硅、铝、铁、钙、镁、钾、钠、钛、氯、氟等微量元素。国内外的研究人员经过多年的研究和试验，利用多元回归等数学分析方法建立了一系列的燃烧特性指标与煤质元素的关系模型，实践证明利用煤炭元素分析结果，计算煤炭品质指标具有较高的精度。通过对煤炭全元素成份进行实时分析，依据特定数学模型，计算燃烧特性指标，就能动态监控煤炭的品质，对提高效率、增强设备的安全性、降低污染物排放量，具有重要的意义。3中子活化分析技术中子活化分析技术是用中子辐照待测物质，使原子核发生核反应，生成放射性元素，然后对该放射性元素进行鉴别分析，从而确定该待测物质成分和含量的一种分析方法。测量活化后具有一定寿命的放射性元素衰变的γ射线称为中子缓发γ射线活化分析。通过测量中子与原子核发生反应时发射的瞬发γ射线，达到识别元素和确定元素含量的目的，为中子感生瞬发γ射线分析(NeutronInducedPromptGamma-rayAnalysis记为NIPGA)。生成的放射性元素，可用γ射线检测器测量它所放出的γ射线的能量和强度。不同能量的γ射线对应着各自的元素种类，γ射线的强度对应于元素的含量。在这2种中子活化分析技术中，NIPGA法由于可分析的元素种类多，分析灵敏度高，辐照时间短，分析速度快等特点。非常适合对煤元素在线分析。NIPGA分析的原理如图１所示。中子与被测物料核作用存在许多反应道，能产生瞬发γ射线的反应主要是热中子俘获(n，γ)和非弹性散射(n，n''，γ)反应。其中(n，γ)反应主要发生在热中子区，(n，γ)反应在退激过程中，可发出多条γ射线，可以选择产额较高，不受其他γ射线干扰的谱线作为特征γ射线。非弹性散射(n，n''，γ)仅发生于快中子能量范围，其生成核大多处于第一激发态，通常只发射单一能量的特征γ射线。(n，γ)反应对H、Si、Al、Fe、Ti、S、Cl、N等煤中绝大部分元素都有较大的反应截面，而(n，n''，γ)反应对C、O等元素有较大的反应截面，因此通过(n，γ)和(n，n''，γ)2种反应产生的γ射线测量可定量分析煤中几乎所有的元素。某一特征γ射线的强度可由下式计算：n(t)＝W/MNAηεtσcФfr(1)式中n(t)为特征峰在测量时间内的总计数；W为待测元素的含量；M为待测元素的原子量；NA为阿伏伽德罗常数；η为待测元素的同位数丰度；σc为俘获截面；Φ为单能中子通量密度；fr为γ射线分支比；ε为探测器效率。
在中子源和γ射线探测器等确定后，n(t)和W具有近似线性的关系。在实际使用中，常采取相对测量法，即将待分析样品与相同材料但含量已知的样品在相同的中子能量和通量条件下辐照，并在相同的测量条件下测量它们的放射性，比较它们的放射性活度就可以求得待分析样品中元素的含量。相对测量方法的优点是不必知道辐射时的中子通量密度绝对值和探测器绝对效率，具有较高的准确度，可用来对系统参数进行标定，或直接用于测量。4煤炭元素在线分析系统总体方案煤炭在线分析系统组成方框图如图2所示，由测试子系统、谱分析仪和计算机处理子系统3部分构成。4.1测试子系统测试子系统有2种实现方案，全物料在线分析系统如图3所示，取样在线分析系统如图4所示。2种方案各有利弊，视情况选用。全物料在线测试系统对全部物料进行测试，无须考虑取样代表性问题，没有取样误差，也不需要庞大而复杂的取制样设备，但全物料在线测试系统工作环境较差，干扰因素较多，谱分析的难度较大，实现时通常要补充一些辅助传感器，如密度补偿等，以提高系统的测量精度，并增加系统的保护。取样在线测试系统谱分析相对简单，分析精度较高，但需配备自动采制样设备，煤质的测量有效性与取制样设备的性能和运行状况有关，结果受取样代表性的影响。取样在线测试系统可以实现多条皮带自动取制样，共用同一套测试分析系统，这也是其显著的优点之一。


中子源采用252Cf(锎)。它是一种自发裂变中子源，能自发裂变，分裂成质量相近的2个碎片并释放约200MeV的能量，中子产额可达2.34×106（μg·s）。中子的平均能量为2.348MeV，半衰期T1/2为2.52a。空中距源252Cf1m处中子剂量率为2.2μSv/（μg·h），γ照射剂量率为1.6μGy/（μg·h）。中子源必须进行十分可靠的屏蔽和防护，通常采用多层材料防护，在源腔和最外层用铅等重质材料制成γ射线防护层，中间用含氢的轻质材料制成中子慢化层。γ射线探测器采用高纯锗半导体探测器，探测效率1左右，但能量分辨率高。高纯锗探测器是用于探测γ射线的，不能直接受中子照射，在设计中采用了特定的防护措施，以保护探测器。图5为252Cf中子源测煤的中子感生瞬发γ射线能谱图。
4.2谱分析仪由于样品中各元素的相互影响，γ谱十分复杂，因此谱分析仪必须有较高的分辨率和稳定性，选用高纯锗数字式谱分析仪，它有4096道，有较高的分辨率。4.3计算机处理子系统计算机处理子系统完成谱数据的高速采集、谱分析、煤炭的品质指标计算和数据的显示、存贮、管理，系统通讯以及系统自诊断、自动保护等功能。软件处理功能方框图如图6所示。
5应用分析该系统可装备于燃煤电厂、出口配煤港口和大、中型洗煤厂。使用煤炭元素在线分析技术，进行煤炭质量的实时控制，能实现煤炭资源高效合理地使用，节约能源，保护环境，而且能促进我国配煤业的发展和火力发电厂效益的提高。5.1在动力配煤方面的应用动力配煤是将不同品质的煤，根据锅炉对煤质的特定要求，经过筛选、破碎，按比例配合等过程，达到改善性质、特性互补，劣煤优用，有利燃烧的目的。合理的混配可提高煤的使用价值。中国的动力配煤已有20a的历史，全国已建成近200条配煤生产线，年产配煤约20Mt，但仅占煤消费量的2。动力配煤可以有效利用低热值煤及高硫煤资源，使供煤质量稳定且符合各种用煤单位的要求，控制燃煤的SO2排放总量及废气中SO2浓度，减少TSPC(固体悬浮微粒)排放量。在工业生产和环保方面具有重要意义。动力配煤发展缓慢的重要原因之一就是缺少煤炭在线分析技术。有了煤炭在线分析技术，就可实现闭环自动化控制，提高配煤的质量，增加配煤产量，降低配煤成本，生产多种规格的商品煤，满足各类用煤单位的需要，实现最优效益。在出口时，严格控制煤炭质量，既可不因混入过多的优质煤而提高成本，又不致因达不到指标而遭罚款。5.2在燃煤电厂的应用我国煤产量中约有35用于燃煤电厂，一个装机容量100MＷ的电厂，每天要烧一万多吨煤，煤炭占发电成本的80左右。煤炭质量直接关系到燃煤电厂的经济性、设备安全性和污染排放量。电站锅炉用煤，要根据设备特点，综合考虑煤的着火、燃烧、燃尽、结渣积灰和脱硫脱硝等各种因素。若煤质不当，会造成燃烧设备运行水平下降，着火困难，燃烧不稳定，效率降低，结渣积灰加剧，污染物排放量增加等问题，甚至造成异常灭火停炉。煤炭在线分析系统在燃煤电厂既可用于入厂煤的检验，又可用于入炉煤的检验，还可在电厂煤场实现自动配煤，对煤炭实现全过程控制，确保煤炭均质化和最佳化，降低发电成本，提高电厂的综合经济效益。6结论在中子活化技术中，中子感生瞬发γ分析技术(NIPGA)由于分辨率高，分析时间快，能成功地进行煤炭的全元素在线分析。在实现中，中子和γ射线的屏蔽和防护是必须首先考虑的，但屏蔽和防护都有较成熟的技术，实现上并不困难。在多重屏蔽和防护下，设备在使用中的可靠性和安全性是完全能够保证的。对存在干扰的多元素谱线，进行准确解谱是技术实现的关键。在煤炭全元素在线分析的基础上，可以实现煤炭成份和煤炭品质的实时监控，可以实现配煤闭环控制，可深化煤的物理化学特性和燃烧特性的研究，以指导煤的正确合理的使用，指导电站锅炉优化燃烧调整。煤炭全元素在线分析系统可广泛用于配煤厂、洗煤厂、燃煤电厂，煤炭生产和出口企业，能[1][2]下一页