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脉冲中子快速分析煤质的研究

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摘要

煤炭大量燃烧产生的CO2、SOx、NOx等气体和有毒重金属加剧了环境污染。因此,需要实时、快速的煤质检测方法以评价煤质优劣。目前,主要采用化学方法来测量煤质、氮含量、硫含量以及有毒重金属含量。其测量过程复杂,时间长,精度低。针对此问题,本论文利用“中子感生瞬发伽马射线分析(NIPGA)”技术研究了快速测量煤质及元素含量的分析方法。该技术利用非弹性反应或者俘获反应测量元素含量,与元素存在形式无关,且具有测量精度高、速度快等优点。论文的主要工作如下:
　　 (1)模拟设计了中子防护系统。中子穿透力强,对人体的危害性大。用实验比较方法设计中子防护系统,需要大量的时间和经费。本文用蒙特卡罗程序模拟设计了该系统,结果显示聚乙烯防护中子的效果比较好。当聚乙烯的厚度超过50cm时,防护体外中子辐照剂量远远小于职业放射性工作人员每年允许辐照的最大剂量,为工作人员创造出健康的工作环境。
　　 (2)模拟设计了伽马射线屏蔽系统。周围物质中的碳、氢、氧、氮、硫等元素与中子作用产生的伽马射线严重地影响被检测样品的测量精度。为了屏蔽这些伽马射线,本文用蒙特卡罗程序模拟出伽马射线屏蔽体(铅)的最佳厚度。当铅厚度为8 cm时,既可以屏蔽样品以外物质产生的伽马射线,又使煤炭中快、热中子数的比率合理,使测量精度得到了大幅度提高。
　　 (3)模拟设计了煤层的最佳厚度。中子产额一定时,离中子源较近区域的煤层,煤中元素产生的伽马计数多,但是,由于此区域离探测器比较远以及煤炭样品对伽马射线的屏蔽作用,实际到达探测器的伽马计数比率小。为了寻找煤层的最佳厚度,本文用蒙特卡罗程序进行了模拟,结合实验结果,煤箱的厚度被确定为15 cm。
　　 (4)建立了一套全新的数据处理方法。NIPGA技术检测元素含量的最大难题是提高测量精度。为了解决此问题,在煤质分析实验中,采用11道平滑公式平滑原始数据,用25道计数和的最大值寻找各种元素特征峰峰位,从而减少统计误差的影响；用同一煤样特征峰面积十次测量值的相对偏差最小值确定特征峰左右边界,可以降低元素特征峰左右边界不明显所带来的误差；用线性回归方法找出了元素含量和峰面积间的关系以及煤炭工业值和主要元素含量间的关系。此数据处理方法的使用,明显提高了测量精度。
　　 (5)对NIPGA技术快速检测煤炭中有毒重金属含量进行了探索。本文以铅为例,用蒙特卡罗程序模拟研究了用NIPGA技术快速检测煤炭中有毒重金属含量的可行性。模拟结果显示,当煤层厚度为2 cm时,用10 cm厚的铁屏蔽周围物质中碳、氢、氧等元素与中子作用产生的伽马射线,可以用能量为2.62 MeV的特征伽马射线计算煤炭铅含量。
　　 基于上述工作,我们用NIPGA技术研制出了“脉冲煤质快速分析仪”。它可以快速、准确地测量煤质、氮含量以及硫含量。辐射防护达到了标准,测量精度达到了“吉林省电力有限公司企业标准Q／JD-1.28—2002”的要求,可用于实际的煤炭交易。该仪器经过改进后可以快速测量煤炭、土壤、水果、蔬菜中的有毒重金属含量,为环境保护和食品安全提供及时、准确的数据。

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