NGAM － 2008 天然射线灰分仪在东滩选煤厂的应用
目前，在我国煤矿和选煤厂中普遍使用基于双能量 γ 射线法的有源灰分仪来在线检测煤炭的灰分，用于指导生产。随着国家环保、公安、卫生等部门不断重视和加强对放射源的管理及备案，使新放射源的审批办理手续愈加繁琐，使用维护成本也越来越高; 并且，双能量 γ 射线灰分仪由于受其探测原理的限制，在生产中存在着高灰分测量误差大，灰分测量精度受煤流厚度影响，灰分测量范围有局限，无法实现全断面测量等缺点。为此，开发了基于煤炭的天然 γ 放射性原理来实现灰分检测的 NGAM － 2008 天然射线灰分仪，它不仅可以解决有源灰分仪使用和维护不便的问题，还可有效地弥补有源灰分仪在测量灰分时的不足。
兖州煤业股份有限公司东滩煤矿是我国 “七五”期间自 行 设 计、建设的特大型现代化矿井，1989 年 12 月建成投产，设计生产能力为 4. 0 Mt /a，核定生产能力为 7. 5 Mt /a。东滩煤矿选煤厂是与矿井生产能力配套的矿井型选煤厂，设计年入选原煤能力为 4. 0 Mt。在产品储运环节，东滩选煤厂的213# 带式输送机负责精煤与洗混精的入仓转运，该带式输送机的长度为 1 040 m，宽度 1. 2 m，内含钢丝芯，带 速 实 测 为 2. 938 m/s， 流 量 为 600 ～ 1 500 t /h，其输送的洗混煤灰分为 20% ～ 40%。由于洗混煤的灰分波动范围宽、流量大，不利于有源灰分仪的灰检测，因此 2013 年 12 月，东滩选煤厂决定在 213# 带式输送机上安装一台 NGAM － 2008 天然射线灰分仪，用于检测该带式输送机所运输的洗混煤的灰分。
放射性核素在自然界中普遍存在，岩石和土壤中都有一定量的天然放射性元素 ( 如铀、钍和钾等) ，煤炭也不例外，并且燃煤中的矿物质 ( 灰分) 比有机质 ( 挥发分) 含有更多的放射性元素。这些放射性元素可以认为是一些微小的放射源，当它们发射的天然 γ 射线与周围物质 ( 如煤中的矿物质和有机质) 相互作用时，天然 γ 射线的能量就向低能方向聚集，从而形成 “低能峰”，这种“低能峰”的谱线形状和峰面积与煤的成分构成有关。利用这一信息，采用高效率、高灵敏度的 γ射线探测器探测特征 γ 射线的粒子通量，即可对煤炭灰分进行快速监测。如将天然放射性信息与胶带输送机单位长度上的煤重信号 ( 胶带秤的输出信号) 相结合，可使在线灰分监测的置信度进一步提高。
NGAM － 2008 天然射线灰分仪由 γ 射线探测器、环境辐射屏蔽体、射线能谱分析处理仪、煤流负荷称重装置、主机、通讯模块及灰分解析软件等单元组成 ( 图 1) ，各个单元的具体功能与作用如下:
(1) γ 射线探测器。γ 射线探测器装在环境辐射屏蔽体内，置于上、下胶带中间，其双导轨支架紧贴于上胶带下侧，煤流发出的 γ 射线透过双导轨之间的探测窗进入探测器内部，被转换为电信号后，供分析仪处理。γ 射线探测器的核心器件如闪烁晶体、光电倍增管、高压模块等封装在合金结构体内，不受振动、湿度的影响。该探测器的响应时间短，能量分辨率高。
(2) 环境辐射屏蔽体。环境辐射屏蔽体在胶带上方，是一个内嵌有防辐射合金块的钢结构体。环境辐射屏蔽体将待测煤流与外界环境隔离开，可有效地屏蔽外界 99% 的环境射线，排除环境本底射线影响，使得探测器更高效地探测煤流发出的 γ 射线。
(3) 射线能谱分析处理仪。射线能谱分析处理仪是一款嵌入式应用的专用计算机，经特制的低阻抗信号电缆与 γ 射线探测器相连，对原始探测数据进行分析、处理、计算，并实时显示动态参数。射线能谱分析仪的接口种类丰富: 可引入煤流负荷称重装置的 4 ～ 20 mA 负荷信号，得到探测煤流的瞬时负荷; 可输出 4 ～ 20 mA 灰分信号，供自动控制系统使用; 还可输出 485 通讯信号，与主机交互数据; 此外，还预留有一路在线水分仪接口，以接入水分信号，据此计算出产品的发热量。
(4) 煤流负荷称重装置。根据天然射线灰分检测原理，煤流负荷称重装置是 NGAM － 2008 天然射线灰分仪的必要组成部分，该装置采用悬浮式称重结构，安装于环境辐射屏蔽体下的胶带上，使其所称重的煤流区域与 γ 射线探测器所探测的煤流区域为同一区域，以提高灰分测量的置信度。煤流负荷称重装置与射线能谱分析处理仪之间由专用信号电缆相连，传输煤流实时负荷信息，用于灰分计算。煤流负荷称重装置的计量精度为 0. 5 级，可向用户提供可信的产量信息。
(5) 通讯模块。通讯模块为可选部件，可依据现场情况选择 485 通讯模块、光纤通讯模块或以太网通讯模块。考虑到通讯速率较高，东滩选煤厂213# 带式输送机安装现场距离调度室较远 ( 约 500 ～ 600 m) ，且周边环境较为复杂，为了确保通讯数据可靠、不受干扰，采用了一组光纤通讯模块，现场射线能谱分析仪与调度室主机之间使用了一对光纤连接。
(6) 主机。主机以 IPC 工控机为硬件平台，其配置为: 3 GHz CPU、1TB 硬盘、4GB 内存、100M网卡、DVD 刻录光驱、MOXA 485 通讯卡、53 cm 液晶显示器等，并可根据需要外配打印机。
(7) 灰分解析软件。在主机中运行灰分解析软件，解析射线能谱分析仪上传的核探测数据，以计算灰分。该软件可供用户查询、修改参数，提供实时和历史曲线，生成数据报表，极大地方便了用户的管理，提高了管理自动化水平。
2. 3 功能特点
与有源灰分仪相比，NGAM － 2008 天然射线灰分仪具有不使用放射源，功能齐全，适用范围广泛，标定工作量少等优势，具体体现在以下几点:
(1) 无放射源。没有辐射安全隐患，更安全;简化了设备管理，不存在与放射源有关的任何管理，运行成本低。
(2) 实时性强。可测得最短 10 s 的有效灰分，远优于有源灰分仪的实时性。
(3) 适应性强。依据探测原理，NGAM － 2008 天然射线灰分仪对灰分测量上限无限制，对煤流量( 面密度) 无限制，适用于普通输送带、钢丝带上煤灰分的测量。
(4) 安装简单。模块化设计，安装简便易行。
(5) 标定工作量少。采用静态标定法，现场标定时可停带式输送机，只需静态铺煤，因此工作量相对于动态标定少。
(6) 全范围检测。可对带式输送机上煤流的全断面进行灰分检测，灰分数据更准确，更具有代表性。
(7) 灰分与产量一体化。由于是全范围检测，
在提供准确的灰分数据的同时，还能提供准确的带式输送机上煤流的产量数据。
(8) 全功能。可引入煤炭水分数据，并自动运算，实时给出煤的发热量指标。
2. 4 测量精度
NGAM － 2008 天然射线灰分仪可实现灰分与产量一体化测量，灰分测量精度 ( 标准偏差) 为:当待测灰分在 15 % 以下时，灰分测量精度为 ± 0. 5% 灰分; 当待测灰分在 15% ～ 30 % 时，灰分测量精度为 ± 1. 5 % 灰分; 当待测灰分在 30 % 以上时，灰分测量精度为 ± 2. 5 % 灰分。产量计量精度为 0. 5 级。
3 应用效果
3. 1 比对试验
2014 年 1 月，东 滩 煤 矿 选 煤 厂 对 NGAM － 2008 天然射线灰分仪的测量结果进行了随机检验，以检查其实际使用效果。表 1 是 10 组抽检数据的比对结 果。比 对、评 价 方 法 参 照 GB /T 19952 － 2005 《煤炭在线分析仪测量性能评价方法》规定的双因素试验的数据处理方法进行。
(4) 测量精密度计算。差值的方差与标准偏差为:
测量精密度为:
由计算可知，本次比对试验中的 NGAM － 2008 天然射线灰分仪灰分测量示值与化验参比值的偏差平均值仅为 0. 38 % ，且相关性良好，无离群值出现，测量精密度为 1. 68 % ，符合待测灰分在 30 % 以上，精度在 2. 5 % 以内的规定，满足精度要求。由于采样、制样的误差存在，因此在试验中若加快采样频率或延长比对周期时间，增加样本数量，可以进一步提高比对动态精密度。比对试验结果表明，NGAM － 2008 天然射线灰分仪测量性能完全符合生产要求。
在日常使用中，为了确保 NGAM － 2008 天然射线灰分仪的测量准确度，在日常维护中应当注意以下几点:
(1) 及时清扫 γ 射线探测器上的落灰。
(2) 定期对煤流负荷检测装置进行测零点操作，检查称重区域内托辊与带式输送机的接触情况，确保无悬空或卡死情况。
(3) 经常对生产煤流取样，与测量值比对，并做好数据记录与积累工作，以针对系统性偏差微调参数。
(4) 定期做动态比对试验，以便及时发现问题并处理。
5 结语
2014 年 1 月，NGAM － 2008 天然射线灰分仪在东滩煤矿选煤厂的 213# 胶带输送机上成功安装，运行半年以来，效果良好，灰分测量精度完全满足用户的要求，日常维护量小，且不使用放射源，安全可靠，极大降低了用户的管理成本。东滩选煤厂生产实践表明，NGAM － 2008 天然射线灰分仪在煤质在线检测领域有着极大的优势，具有良好的推广应用前景。
