第9章+放射性同位素在选矿测试中的应用.ppt

第九章放射性同位素在选矿测试中的应用 放射性同位素测量具有灵敏度高 可连续测量 非接触测量等优点 在工业生产中应用日益广泛 首先想一下 放射性同位素在选煤和选矿测试中有哪些应用 2 1 核辐射的特性 射线 带正电荷的高速粒子流 射线 带负电荷的高速粒子流 电子流 射线 一种光子流 不带电 以光速运动 由原子核内放射出 X射线 由原子核外的内层电子被激发而放出的电磁波能量 测量技术常用四种核辐射源 射线源和X射线管 辐射源的特性1 源强度A它用单位时间内发生的裂变数来表示 用居里作为强度单位 1居里对应于每秒钟内有3 700 1010个原子核衰变 每秒钟产生3 1010次核衰变的放射性物质 称其源强度A为1居里 居里的单位太大 也常用毫居或微居里来表示 2 核辐射强度J单位时间内在垂直于射线前进方向的单位截面积上穿过的能量的大小 称为核辐射强度J0一个点源照射在面积为S的检测器上 其辐射强度J0为 r0 辐射源到检测器之间的距离 A 源强度 C 在源强度为1居里时 每秒放射出的粒子数 K 次裂变放射出的射线数 S 检测器的工作面积 如果知道粒子的能量 则辐射强度的计算公式为J0 A C E 1 6 10 13 W m2 E 粒子的能量 MeV 2 放射性同位素测量的基本原理 射线与物质主要有光电效应 康普敦效应和电子偶的生成等作用 光电效应 光子与物质原子的轨道电子 主要是内层电子 碰撞 把能量全部交给轨道电子 使之脱离原子 光子消失 这种作用过程称为光电效应 发生光电效应后 原子内层轨道形成空轨道 外层轨道电子很快填充到空轨道 从而释放出特征X射线或俄歇电子 6 一 射线和物质的作用 康普顿效应 1922 1923年康普顿研究了X射线被较轻物质 石墨 石蜡等 散射后光的成分 发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外 还有波长较长的成分 这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应 7 电子对 偶 生成 当 光子能量 1022keV时 1022keV相当于两个电子的静质量 其中1022keV的能量在物质原子核电场作用下转化为一个正电子和一个负电子 称为电子对生成 余下的能量变成电子对的动能 电子对生成的几率大约与原子序数的平方成正比 8 9 射线在物质中的吸收 射线通过物质时 由于光电效应 康普顿效应和电子对生成而损失能量 并逐渐被物质吸收 其强度将被衰减 它的强度随特吸收物质层的厚度 密度和质量吸收系教呈指数规律衰减 N一射线穿过物质后的强度 N0一投射到吸收物质上的射线强度 质量吸收系数 一吸收物质的密度 d 吸收物质层的厚度 10 N0为未穿过物质时的射线强度 它是固定的 如果穿透物的物质组成是稳定的 那么质量吸收系数也是常数 而且如吸收物质层的厚度d是固定 N与密度 之间存在对应关系 这就是用以测量密度或矿浆浓度的基本原理 如果吸收物质的密度 不变 那么N与吸收物质层的厚度d有对应关系 核子胶带秤就是利用这个原理测量胶带输送机横断面上的物料层厚度 通过松散系数及测速传感器测出的带速 经数据运算与处理系统便可得出胶带输送机的瞬时输送量 11 射线与物质相互作用时 产生的光电效应 康普顿效应和电子偶的生成 质量吸收系数是这三部分吸收系数的总和 可表示为 总的质量吸收系数 光电效应吸收系数 康普敦效应吸收系数 电子偶的生成吸收系数 12 三种吸收系数与下列因素有关 一 射线的波长 Z一吸收物质的原子序数 A一吸收物质的原子量 光电效应吸收系数 康普敦效应吸收系数 电子偶的生成吸收系数 13 而 射线的波长 与射线的能量最有关 不同的物质 在不同能量的 射线作用下 其总的质量吸收系数是不同的 14 不同物质总吸收系数与射线能量的关系 15 二 射线的测量 对 射线接收测量采用气体放电计数管 电离室 闪烁计数器 选矿中采用后两种方法进行分析 1 电离室电离室是由金属外壳和中间的金属棒所组成 它们之间相互绝缘 壳体密封 里面充满高压绝缘气体 16 电离室相当一个电容器 其外壳和中间的金属圆棒各为一电极 在两电极间加一个直流高电压 形成很强的电场 当 射线进入电离室后与极板作用 产生二次电子 在二次电子的作用下使气体分子电离 产生正 负离子 由于电场的作用它们分别朝两电极方向运动 如图所指方向 于是在外电路中形成电流I 如果进入电离室的射线越多 即射线强度越大 这个电流越大 电离室将射线强度转换为电流 从而实现了对射线的接收测量 17 2 闪烁计数器包括碘化钠等闪烁晶体 光阴极和光电倍增管 将它们装配成不透光的整体称为闪烁计数器 18 3 放射性同位素密度计 一 基本原理 测量矿浆或重介质悬浮液的密度 测量精度可达 0 0005g cm3 连续 非接触测量 也可通过转换来测量浓度 19 一 基本原理 可知密度与N之间非线性关系 但在短量程内 基本线性 也可采取补偿措施 吸收系数越小 灵敏度越高 选用射线时可选总系数系数为最小 选煤厂矿浆或重介悬浮液组成是相对稳定的 20 二 射线密度计的组成 21 22 23 不必频繁进行标定与调整 要使矿浆充满管道 同时使矿浆平稳流动 不形成旋涡 无气泡 否则造成误差 必须注意安全防护 严格按有关规定采取安全措施和管理制度 目前在选煤厂使用效果很好 注意事项 射线灰分仪是有效的自动检测方法灰分仪将成熟的核子射线技术及计算机技术有机地结合在一起 实现了煤灰分含量的在线测量 显示出前所未有的快速 准确 方便等特点 24 4 射线煤炭灰分测量仪 25 26 27 射线煤炭灰分测量仪的特点 快速可以连续测量输送带上物料的灰分值 能给出1分钟 3分钟 1小时等不同时间间隔的煤灰分值及对输送机输送物料重量的加权平均值 准确由于采用了穿透能力很强的低能及中能 射线及智能化的计算机软件处理 使得整个测量过程中对煤的颗粒度 煤的水分含量 煤层厚度 煤层断面的对称性等影响不大 因此保证了高准确度 28 方便安装方便 只须在皮带下安装C型架即可 获取数据方便 在线测量省去繁杂的取样 制样过程 数据处理方便 可生成优秀电子报表 直接打出日报 月报表及实现联网 完成工业系统信息的自动管理 基于以上特点 煤灰分仪适用于煤矿 选煤厂 焦化厂 钢铁厂 电厂等企业进行流程质量控制及产品质量监督 能给企业带来明显的经济效益 29 射线灰分仪的原理是利用煤炭中灰分物质的原子序数比可燃物大得多这一差别进行测量的 光电吸收系数对原子序数最敏感 为使光电效应吸收系数占主导 必须使用低能射线 对灰分的测量常采用散射法 射线灰分仪的原理 30 一 散射法 低能射线照射到被测煤样上 其中一部分被吸收 一部分改变方向被反射回来 由于低能射线光电效应吸收系数占主导 所以煤的灰分越高其吸收系数越大 散射回来的射线强度越小 散射射线的强度N与煤的灰分Ad成反比 31 N散射射线的强度 K为常数 仪器常数 射源强度 射线能量 探头材料结构有关 R射源到探测器的距离 散射物质密度 m散射物质质量吸收系数 射源 探测器 被测煤样 32 射线的散射强度N与煤样灰分呈近似线性关系 灰分高 线性系数减小 即灵敏度降低 测量范围大时 会产生非线性误差 光电效应吸收系数占主导 煤是由可燃烧的有机物质和不可燃烧的物质 即灰分 组成 有机物质主要是由C 碳 H 氢 N 氮 O 氧 4种元素组成 就相对质量分数而言 C元素占这4种元素的绝大部分 故可近似地认为可燃物质的原子序数约为6 简称 低Z元素 不可燃物质主要是由Si Al Fe Ca Mg等元素形成的氧化物 硫化物 硅酸盐 碳酸盐 氯化物等共同组成 其原子序数可以认为在12以上 简称 高Z元素 33 二 双射源 射线透射法 34 煤灰分就是煤在一定温度下充分 完全灼烧后 高Z元素 氧化物所占质量的百分数 煤灰分中 高Z元素 质量约占50 测得 高Z元素 质量分数即可得到灰分值 物质对 射线的质量吸收系数与组成物质的原子序数相关 因此 假定煤样的质量份额为1 灰分的质量份额为A 其质量吸收系数为 ash 其可燃物的质量份额为 1 A 其质量吸收系数为 Q 煤样的平均质量吸收系数为 L 则有以下公式成立 工作原理 1 双射源 射线透射法采用241Am 镅 低能窄束 射线和137Cs 铯 中能窄束 射线 当两种射线以同一准直射束穿过煤样时 将按窄束 射线透射物质时的指数规律衰减 其衰减规律为 35 式中 I0和I分别为无煤时和煤层吸收后探测器测试到的一定时间间隔内的 计数 与 射线通量密度成正比 L为煤对 射线的质量衰减系数 cm2 g d为被透射煤的质量厚度 g cm2 其中 是煤的堆积密度 g cm3 d是煤的厚度 cm 2 因此 由公式 1 和 2 可以得到 对于射线Am 36 即 对式 3 两边取自然对数 由式 5 式 6 可得到 对射线Cs同理可得到 37 7 8 则有 由于241Am低能窄束 射线透射煤的衰减取决于煤中高Z元素的含量和厚度 137Cs中能窄束 射线的衰减只取决于煤层的厚度 对于中能Cs源 可以近似地认为可燃物的质量吸收系数 Q Cs 与灰分的质量吸收系数 ash Cs 相等 即有 38 10 可以得到 39 故被测煤样灰分值A可以算出 则 40 斜率系数 截距系数 射线质量衰减系数对特定的煤种均为常数 对同一煤种 K B也为常数 可以由已知的灰分值的煤样标定求出 所以只要测出透过煤样的射线强度I即可测定出R值 从而求出灰分值 两种煤灰分A与R值的关系 41 42 两种煤灰分化验值与测量值的对比 煤灰分仪检测流程 43 44 SCL 2000煤灰分仪组成 探头 闪烁探测器 由NaI 光电倍增管 放大器组成 C型架 固定探头 放射源 变送器用 双光子源 射线输出器 内装137Cs 20mci 241Am 200mci 控制箱 显示器 主机 打印机 净化电源 立式机柜 45 主要技术指标 1精度误差 0 5wt 精煤 1 5wt 低灰分原煤 2 5wt 高灰分原煤 2传送带的速度范围带速在0 2m s以下 输送带上的煤层厚度在5cm以上 46 灰分仪的维护 1 零点校正零点校正是灰分仪日常维护中是最需要重视的 灰分仪在测量过程中 由于工况的不同 经常会产生误差 其中最重要的误差来自皮带厚度的变化 探测点是固定的 而皮带的外形 皮带的偏移 皮带表面的粘合物等因素都会产生变化 使灰分仪的零点 铯零点 镅零点 发生变化 这样就都会给测量带来很大的误差 因此在实际工作中需要经常测量零点 一般情况下 零点应为一天测量一次 如果连续测量很长时间 也可以在生产开始之前测量一次 直到生产结束 如果皮带的外形 皮带的偏移 皮带表面的粘合物发生很大变化 应马上重新测量零点 47 2 刻度和比对1测灰仪的刻度测灰仪的刻度是利用灰分值已知 由灼烧法测定 的一组煤样 确定该种煤的斜率A 并初步给出截距B的过程 2测灰仪的比对在实际使用的现场 将测灰仪测得的结果与相对应的用灼烧法得出的灰分值相比较 调整截距A的过程 在使用现场进行 比对有专门安排的比对实验和经常性比对两种方法 48 专门的比对实验缩短采样间隔时间 一般为30秒 交错的把横截面采得的煤样放在两个容器中 采样十分钟 这两个容器中的煤样就是一对平行样 采20这样的平行样 通过这20对数据的化验值和对应时间段的测灰仪的测量值 调整截距A的过程 经常性比对要结合本厂的实际情况来订 以化验值为基准 找出能准确反映实际煤质情况的数据和相应时间段的测量值比较 调整截距A 49 3 刻度和比对的意义由公式可以知道斜率B和截距A与被测煤中组成的相对含量有关 不同的煤 对应的A B值是不同的 即使对同一矿井的煤 元素的相对含量也会有所改变 相应地实际的A B值也会改变 所以灰分仪与一般的测量仪表不一样 所测结果的准确性与测量对象有关系 为了灰分测量结果准确 可靠 除了要求灰分仪本身对射线测得准 减少动态误差以外 还需要制定切实可行的 刻度 和 比对 措施以适应不同煤矿的煤以及煤中元素相对含量的变化 50 系统误差1 测量误差20次以上被测煤样由灼烧法所得的灰分值与相对应的测灰仪测量结果之间差值的均方误差 定义为灰分仪的测量误差 2 偶然误差灰分仪的测量误差实际上是灰分仪的偶然误差 其大小从统计意义上表明了每次测量结果与期望值之间的偏离情况 51 对于性能稳定 测量准确 而且很好地解决了误差修正的在线灰分仪 其灰分测量精度主要取决于被测煤当中元素 尤其是铁 相对含量的变化程度 根据对许多选煤厂各种煤实际比对测定 测灰仪对精煤灰分的测量精度好于0 5wt 对高灰分的原煤 测量精度一般好于1wt 52 3 误差来源水 灰分值在10 以下 水分每增加1 灰分增加0 1 灰分值在10 以上 水分每增加1 灰分减少0 1 硫 据推算 如果煤中可燃的硫重量含量每变化0 1 将引起灰分的测量值变化0 2wt 粒度 实验结果表明 用双能量透射法测量煤灰分时 粒度对测量结果有影响 但是并不严重 煤流混合不均匀 如洗精煤和浮选精煤混合不均匀 混合比例不稳定 带来部分误差 但是 这部分误差可以采取措施 尽量减少 53 灰分仪使用时注意