DD269013A1 - Verfahren zur dicken- und eisenkompensierten aschegehaltsbestimmung von kohle - Google Patents

Abstract

Das Ziel der Erfindung, die Erhoehung der Genauigkeit bei der radiometrischen Bestimmung des Aschegehaltes von Kohle auf Transportbaendern, wird erreicht, indem das dickenkompensierte Messsignal fuer den Aschegehalt und das Messsignal fuer die Schichtdicke bekannter radiometrischer Verfahren mit einem Signal verknuepft wird, das einen hohen Anteil an elastisch gestreuter Quantenstrahlung enthaelt.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes von zwei Komponenten in einem Dreistoffsystem mit schwankender Schichtdicke mittels Gammastrahlungsabsorption und -streuung. Das Verfahren eignet sich besonders zur Bestimmung des Aschegehaltes von Kohle, die auf Transportbändern gefördert wird und bei der die Zusammensetzung des Mineralstoffes (der Asche) Schwankungen unterworfen ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind verschiedene Verfahren zur radiometrischen Gehaltsbestimmung an Schüttgütern auf Transportbändern bekannt (z. B. Koks i chimija 1979, Heft 10, S.7; Nuclear Techniques and Mineral Resources, IAEA Wien 1977, S.85; Handbuch der Betriebsmeßtechnik, Akad. Verlagsges. Geest und Portig 1969, Bd.5, S. 541).

Die meisten dieser Verfahren liefern jedoch nicht ausreichend genaue Meßergebnisse. Das ist besonder darauf zurückzuführen, daß die durch wechselnde Schütthöhe und schwankende Zusammensetzung des Meßgutos bedingten Einflüsse nicht oder nur ungenügend berücksichtigt werden.

Es sind bisher nur wenige Verfahren bekannt, mit denen gleichzeitig die störenden Einflüsse vcn Schwankungen sowohl der Schichtdicke als auch der Aschezusammensetzung {Insbesondere die durch Schwankungen des Eisengehaltes bedingten) eliminiert werden können. Um die dazu erforderlichen drei voneinander unabhängigen Informationen über das Meßgut zu erhalten, wird die in Transmission oder Rückstreuung gemessene Strahlenschwächung bei drei unterschiedlichen Quantenstrahlungsenergien ausgenutzt. In einem ersten Energiebereich (40-50keV) wird ein erster Massenschwächungskoeffizient μ, des Meßgutes, in einem zweiten Energiebareich (60-100keV) ein zweiter Massenschwächungskoeffizient μ₂ des Meßgutes und in einem dritten Energiebereich, für den der Massenschwächungskoeffizient als konstant angesehen werden kann, die Flächenmasse oder Schichtdicke bzw. Dichte des Meßgutes bestimmt. So benutzen Fookes und Mitarbeiter (Nuclear Techniques and Mineral Resources, IAEA Wien 1977) ein

3-Energie-Transmissionsverfahren, bei dem eine simultane Messung der durch das Meßgut transmiuierten Gammastrahlung der Energien 32keV, 80keV und 356 keV erfolgt.

Die Verknüpfung der Zählraten führt auf eine für dieses sogenannte 2-p-Verfahren mit Dickenkompensation typische Auswerteformel für den dicken- und eisenkompensierten Aschegehalt.

c_A = a + bQ, + cQ₂ mit Q_t = μ,/μ₃ und Q₂ = μ₂/μ3·

Weiterhin sind Verfahren mit einer einzigen Gammastrahlungsenergie bel.annt, bei denen das Riickstreuspektrum in drei verschiedenen Energiebereichen, die unterschiedliche Informationen über die Eigenschaften des Meßgutes liefern, ausgewertet wird. P. Straiik u.a. (Ugol' 1981, Nr. 5, S. 58) benutzen eine Primärenergie von 660 ke V und werten das Rückstreuspektrum in den Energiebereichen 30-40keV und 60-80keV hinsichtlich der Kohlezusammensetzung und im Energieboreich 120-300keV hinsichtlich der Dichte des Meßgutes aus. Dabei muß die Schichtdicke des Meßgutes mindestens 30cm betragen. Ähnlich arbeiten Watt und Gravitis (AU 3079-80; DE-OS 3114668), die mindestens zwei Gammaenergien einsetzen. Die Auswertung des Rückstreuspektrums erfolgt bei zwei Energien, die so gewählt werden, daß ein erheblicher Unterschied in der Absorption der Strahlung durch die Kohle bzw. das mineralische Material mit und ohne Eisen besteht. Das Verfahren entspricht also dem 2-p-Verfahren. Die Autoren empfehlen Gd-153, da > Gammastrahlung bei 97 und Ί 03 keV die Röntgen-K-Strahlung des Europiums (41-47 keV) emittiert. Die Auswertung des RückstreL^ektrums erfolgt in den Energiebereichen 81-107keV und 27-44 keV. Zur Eliminierung des Dickeneinflusses muß ein weiteres unabhängiges Verfahren herangezogen werden. Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß zur Erzielung einer befriedigenden Kompensation der Wirkung der Eisengehaltsschwankungen ein jroßer Unterschied zwischen zwei Energiebereichen zur Bestimmung von μι und μ₂ realisiert werden muß.

Dabei ist zu beachten, daß für den zweiten Energiebereich die obere Grenze bei etwa 10OkeV liegt, weil der Photoeffekt mit wsiter steigender Energie gegenüber der Compton-Streuung stark zurücktritt, so daß der Massenschwächungskoeffizient μ₂ schließlich unabhängig von der Stoffzusammensetzung wird. Andererseits kann der erste Energiebereich kaum unter 50keV gesenkt werden, weil die Strahlung ja das Transportband und die Meßgutschicht (bei Kohle bis etwa 400mm) durchdringen muß. Ebenfalls bekannt ist, daß die elastische Streuung von Quantenstrahlung mit einem Streuquerschnitt erfolgt, der eine starke Abhängigkeit von der Kernladungszahl (Zⁿ mit η = 3 bis 6 in Abhängigkeit vom Str*uwinkel) aufweist, so daß mehrfach Untersuchungen zur analytischen Nutzbarmachung dieser Methode durchgeführt wurden. So wird z. B. ein Verfahren beschrieben (DE 2920364), bei dem als Meßgröße das Verhältnis der Zählrater. der elastisch gestreuten und der comptongestreuten Quantenstrahlung gebildet wird, was den Vorteil einer geringen Dicken- und Dichteabhängigkeit hat. Bei Anwendung auf Kohleproben zeigte sich jedoch, daß eine befriedigende Aschegehaltsmeßgenauigkeit nur für Kohle mit nicht zu starken Eisengehaltsschwankungen erreichbar ist. Nachteil des Verfahrens ist insbesondere, daß die Trennung von elastisch gestreuter und comptongestreuter Strahlungskomponente nur bei Einsatz eines Strahlungsdetektors mit hohem energetischen Auflösungsvermögen, d. h. mit einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Halbleiterdetektor, möglich ist, der unter industriellen Bedingungen an einem Transportband nicht einsetzbar ist. Die oben genannten Untersuchungen zur Anwendung des Vorschlags wurden daher auch nur untsr Laborbedingungen an relativ kleinen Proben durchgeführt, wobei ein fester Ablenkwinkel mit eng kollimiertem Strahlenbündel eingehalten wurde.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Genauigkeit bei der radiometrischen Bestimmung des Aschegehaltes von Kohle auf Transportbändern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur radiometrischen Bestimmung des Aschegehaltes von Kohle auf Transportbändern anzugeben, das trotz des eingeschränkten Primärenergiebereiches ein auf Schichtdicken- und Zusammensetzungsschwankungen korrigiertes Signal hoher Genauigkeit für den Aschegehalt liefert. Die Aufgabe wird gelöst, indem das dickenkompensierte Meßsignal I, für den Aschegehalt und das Meßsignal I_x :'ür die Schichtdicke eines der bekannten radiometrischen Verfahren auf der Grundlage der Gammastrahlungstransmission oder -rückstreuung mit einem Meßsignal Ie verknüpft wird, das einen hohen Anteil an elastisch gestreuter üuantenstrohlung enthält. Die elastisch gestreute Strahlung einer Primärstrahlung mit der Energie E (z. B. 60keV) liefert wegen der bekannten starken Kernladungszahlabhängigkeit des elastischen Streuquerschnittes (~Zⁿ mit η = 3 bis 6) andersartige Informationen über die Zusammensetzung des Meßgutes als etwa der durch Transmissionsmessungen mit derselben Primärenergie E bestimmbare Massenschwächungskoeffizient μ des Meßgutes. Die Verknüpfung beider Signale ermöglicht daher bei bekannter Schichtdicke die Ermittlung des Asche- und des Eisengehaltes bzw. die Bestimmung des Aschegehnltes trotz schwankenden Eisengehaltes. Werden zusätzlich unterschiedliche Primärenergien in den beiden Meßstrecken angewandt, so wird außerdem noch die Empfindlichkeit des bekannten 2^-Verfahrens gewonnen. Für den Einsatz an einem Transportband ist jedoch der Einsatz derselben Primärenergie in beiden Meßstrecken von außerordentlicher praktischer Bedeutung, weil Am-241 (Primärenergie 60keV) das einzige langlebige Radionuklid ist, das in dem für on-line-Messungen am Transportband interessierenden Primärenergiegebiet von 50 bis 100keV verfügbar ift.

Für die Verknüpfung des Meßsignals I_E für die elastische Streuung mit dem Aschegehaltsmeßsignal I, und dem Dickensignal I_x ist es unerheblich, nach welchem Verfahren das μ₆o-Signal sowie I_x gewonnen werden. Um einen hohen Anteil an elastisch gestreuter Strahlung zu erhalten, empfiehlt sich der Einsatz einer Quantenstrahlung zwischen 40 und 100 keV und die Messung der gestreuten Strahlung in einer rotationssymmetrischen Vorwärtsstreugeometrie mit einem Ablenkwin<el zwischen etwa 10* und 80°. Bei Einstellung eines relativ großen Streuwinkels (im Bereich von 40° bis 80°) und Einsatz eines Hi'lbleiterdetoktors mit hoher Energieauflösung wird die Intensität I_E der mit der Primärenergie elastisch gestreuten Strahlung von der Intensität l_c der durch Comptonstreuung energieverminderten Streustrahlung mit elektronischen Mitteln getrennt und der näherungsweise

schichtdickenunabhängige Quotient Q, = Ie/'U gebildet (DE 2920364); seine Verknüpfung mit dem Meßergebnis A eines bekannten, nichteisenkompensiertfin, aber clickenkompensierten Meßverfahrens für Asche (z. B. einer 2-Energietransmission) erfolgt vorzugsweise nach der Formel

CnKo.r = a + bA + cQ,.

Wird ein möglichst kleiner Streuwinkel (vorzugsweise unterhalb 30°) realisiert, wird die gesamte Vorwärtsstreuintensität I₁, die aus der elastisch und der comptonciestreuten Strahlung besteht, erfaßt, da bei so kleinen Str.iuwinkeln die Energieunterschiede zwischen diesen beiden Komponenten sehr gering sind, und mit dem nach einem bekannten Verfahren ermittelten Dickenwert zu einem dicl.enunabhängigen Wert I₁ ⁺ korrigiert, der der weiteren Auswertung zugeführt wird. In diesem Falle lautet die oben angeführte Forrrel für den eisen- und dickenkompensierten Aschegehalt:

C_A<o, =a ,

Die Konstanten a, bunde werden durch Messungen an Proben bekannter Dicke und Zusammensetzung ermittelt.

Ausführungsboispiel

Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens bei Verknüpfung einer 2-Energie-Transmission mit einer Vorwärtsstre jng.

Die 2-Energie-Transmissions-Meßstrecke ist an einem Förderband 1, auf dem Braunkohle 2 als Schüttgui gefördert wird, installiert. Sie besteht aus einer Strahlenquelle 3, einem Szintillationsdetektor 4, zwei Verstärkern 5 und 5', zwei Analysatoren 6 und 6' und den Zählern 7 und T. Die Vorwärtsstreumeßstrecke wird von den Baugruppen Strahlungsquelle 8 mit Abschirmung 9 und Kollimator 10, Strahlungsdetektor 11 mit Blende 12, Verstärker 13, Einkanalanalysatoren 14 und 14' und Zählern 15 und 15' gebildet. Ein Mikrorechner 16 dient der Auswertung der Meßsignale. Die Strahlenquelle 3 enthält 30OmCi Am-241 (Ei = 60keV) und 3mCi Cs-137 (E₂ = 560keV), die Strahlenquelle 8 ebenfalls 30OmCi Am-241. Der Kollimator 10 ist so dimensioniert, daß der Öffnungswinkel 2a des Strahlenbündels immer kleiner als 80° ist. Der Strahlungsdetektor 11 besitzt ein hohes energetisches Auflösungsvermögen; e» handolt sich um einen Reinstgermanium-Planardetektor mit großem Durchmesser. Dicke, Durchmesser und Abstand der Blende 12 von der Detektorfrontfläche sind so gewählt, daß direkte Strahlung aus der Strahlenquelle 8 praktisch vollständig absorbiert wird, also nicht in den Detektor gelangen kann, und ein enger Streuwinkelbsreich von 40° bis 60° realisier, wird. Damit ist gewährleistet, daß ein hoher Anteil an elastisch gestreuter Strahlung registriert wird.

Die 2-Eriergie-Transmissions-Meßstrecke liefert das dickenkompensierte Ausgangsignal A = μι/μ?. Dieses Signal wird mit dem Meßwert der Vorwärtsstreustrecke Q, = I_E/I_C nach folgender Gleichung zum dicken- und eisenkompensierten Aschegehalt verknüpft.

c_A = a + bA + cQ,.

Dabei werden die Fenster der Einkanalanalysatoren 14 und 14' so eingestellt, daß die elastisch und unelastisch (compton-) gestreuten Strahlungskomponenten weitgehend getrennt von den Zählern 15 und 15' registriert werden. Der aus den Zählraten gebildete Quotient Q₁ ist weitgehend dickenunabhängig, er muß also nicht auf Flächenmassefluktuationen der Kohle 2 korrigiert werden.

Die Konstanten a, b und c der angeführten Gleichung werden durch Kalibrieriingsmessungen an Proben bekannter Dicke und Zusammensetzung bestimmt.

Die beiden Meßstrecken sind in einom solchen Abstand zueinander (in Bewegungsrichtung des Transportbandes 1) installiert und mit solchen Abschirmungen umgeben, daß eine gegenseitige Beeinflussung ausgeschlossen ist.

Kann ein Detektor 11 mit ausreichend hohem energetischen Auflösungsvermögen nicht eingesetzt werden, dann wird die Vorwärtsstreustrecke wie folgt modifiziert: es kommt ein Szintillationsdetektor zum Einsatz, und ein Analysator 14' und ein Zähler 15' fallen weg; der Kollimator 10 ist jetzt so dimensioniert, daß der Öffnungswinkel 2a des Strahlungsbündels kleiner als 30° ist. Der mittlere Streuwinkel ist ebenfalls so klein gewählt (<30°), daß wieder ein hoher Anteil elastisch gestreuter Strahlung registriert wird. Das Signal der Vorwärtsstreustrecke I, wird auf Dicke korrigiert (l,⁺) und mit dem Meßsignal A der 2-Energie-Transmissions-Meßstrecke verknüpft:

C_A = a + bA + el/.

Claims (6)

1. Verfahren zur dicken- und eisenkompensierten Bestimmung des Aschegehaltes von Kohle, bestehend in der Gewinnung eines dickenkompensierten Meßsignals für den Aschegehalt sowie eines Meßsignals für die Dicke oder Flächenmasse der Kohlenschicht nach einem bekannten Verfahren auf der Grundlage der Transmission, Vorwärtsstreuung oder Rückwärtsstreuung von Röntgen- oder niederenergetischer Gammastrahlung und eines Signals zur Korrektur von Eisengehalfsschwankungen, dadurch gekennzeichnet, daß als Korrektursignal die Intensität elastisch gestreuter Quantenstrahlung dient, wobei vorzugsweise dieselbe Primärenergie eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von Quantenstrahlung aus dem Energiegebiet von 40 bis 100 keV die Intensität der in einer rotationssymmetrischen Vorwärtsstreugeometrie und einem Ablenkwinkel zwischen etwa 10° und 80° elastisch gestreuten Quantenstrahlung gemessen wird.

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei einem Ablenkwinkel im Bereich von 40° bis 70° auftretende Streustrahlung elektronisch in die Intensität der mit der Primärenergie elastisch gestreuten Strahlung und in die Intensität der durch Comptonstreuung energieverminderten Strahlung getrennt und der aus beiden Intensitäten gebildete, näherungsweise schichtdickenunabhängige Quotient als Korrektursignal dient.

4. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der bei Ablenkwinkeln unterhalb 30° auftretenden Streustrahlung gemessen, mit dem Schichtdickenwert korrigiert und dann als Korrektursignal bereitgestellt wird.

5. Verfahren nach Punkt 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des auf eisen- und dickenkompensierten Aschegehaltes Ca nach der Formel Ca = a + bA + cQ₈ erfolgt, wobei A das Meßergebnis eines bekannten dickenkompensierten Aschemeßverfahrens, Q₃ der Quotient der Intensitäten der elastisch und comptongestreuten Strahlung a, b und c durch Messung an Proben bekannter Dicke und Zusammensetzung zu bestimmende Konstanten sind.

6. Verfahren nach Punkt 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des auf Eisengehaltsund Dickeschwankungen korrigierten Aschegehaltes c_A nach der Formel c_A = a + bA + cl_s ⁺ erfolgt, wob ή A das Meßergobnis eines dickenkompensierten Aschegehaltsmeßverfahrens, I₅ ⁺ die auf Schichtdicke korrigierte Intensität der in einem Streuwinkel unterhalb 30" auftretenden Streustrahlung und a, b und c durch Messung an Proben bekannter Dicke und Zusammensetzung zu bestimmende Konstanten sind.