gdzie: N ^- liczba zliczeń w tle elektronowym N o

Transkrypt

1 PL ZASTOSOWANIE TECHNIKI JĄDROWEJ W URZĄDZENIACH I SYSTEMACH KONTROLNO-POMIAROWYCH W GÓRNICTWIE Teresa Sikora, Bolesław Czerw Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa EMAG Katowice, ul. Leopolda 31 For many years, the physics and nuclear engineering methods have been widely used in monitoring - measuring systems, being implemented to industry. The paper presents in brief some measuring methods and systems for control of coal quality parameters, developed by the Research and Development Centre for Electrical Engineering and Automation in Mining EMAG and put into practice in many mining plants and power stations. WPROWADZENIE Metody fizyki jądrowej wykorzystywane w urządzeniach kontrolno-pomiarowych są znane i stosowane na świecie od ponad 40 lat. W Polsce pierwsze urządzenia pomiarowe, bazujące na tych metodach, były to popiołomierze, zastosowano w górnictwie w latach 70-tych. Od tego czasu metody te były rozwijane a urządzenia udoskonalane. W latach 90-tych nastąpił szczególnie duży postęp w rozwoju istniejących urządzeń, powstało wiele nowych rozwiązań, a nastąpiło to dzięki możliwości zastosowania wysokiej klasy detektorów promieniowania jądrowego, dostępowi do najnowszej generacji elementów i podzespołów elektronicznych oraz wykorzystaniu techniki komputerowej [3]. W chwili obecnej prawie wszystkie kopalnie w Polsce, także niektóre elektrownie i elektrociepłownie, są wyposażone w urządzenia i systemy kontrolno-pomiarowe oparte na technice jądrowej. Są to głównie urządzenia do pomiaru parametrów jakościowych węgla takich jak popiół, wilgoć, siarka oraz urządzenia do pomiaru gęstości cieczy zawiesinowych. 1. Zastosowanie techniki jądrowej w urządzeniach do pomiaru parametrów jakościowych węgla. Urządzenia do pomiaru parametrów jakościowych węgla można podzielić na dwie grupy: - urządzenia laboratoryjne - urządzenia do pomiarów ciągłych 1.1. Urządzenia laboratoryjne - zastosowane metody pomiarowe. Urządzenia laboratoryjne służą do szybkich oznaczeń parametrów jakościowych węgla w próbkach drobnoziarnistych 0-^0,2 mm lub O-r-10 mm, w zależności od zastosowanej metody pomiarowej. Opracowane w Centrum EMAG i aktualnie stosowane w przemyśle urządzenia bazujące na technice jądrowej to : - Siarkomierz radiometryczny MSP - Miernik zawartości części niepalnych PYLOX - Popiołomierz MPKF 234

2 Siarkomierz radiometryczny MSP opracowany na początku lat 80-tych, służy do szybkiego (200 s) pomiaru zawartości siarki pirytowej i pośrednio siarki całkowitej w próbkach węgla kamiennego i brunatnego o granulacji 0-0,2 mm. Zastosowana w tym urządzeniu metoda pomiarowa bazuje na zjawisku rezonansowej bezodrzutowej absorpcji promieniowania gamma (efekt Móssbauera) [1,2]. W praktyce, w celu wyznaczenia zawartości siarki pirytowej w próbce mierzy się wielkość efektu Móssbauera gdzie: N ^- liczba zliczeń w tle elektronowym N o - liczba zliczeń w maksimum absorpcji a następnie korzysta się z krzywej skalowania S p a = f(s) wyznaczonej doświadczalnie w wyniku pomiarów na próbkach wzorcowych. Oznaczenie zawartości siarki całkowitej oparte jest natomiast na zależności korelacyjnej między zawartością siarki pirytowej a zawartością siarki całkowitej. W obu przypadkach uzyskiwane dokładności oznaczeń są porównywalne z dokładnością czaso- i pracochłonnych oznaczeń chemiczną metodą Eschki. Rys. 1 przedstawia w pełni skomputeryzowane rozwiązanie Siarkomierza MSP-94. Rys. 1. Miernik zawartości części niepalnych PYLOX przeznaczony jest do oznaczeń zawartości części niepalnych stałych w pyłach kopalnianych przeciwwybuchowych oraz zawartości siarki i popiołu w węglu o granulacji 0^-0,2 mm. Miernik PYLOX jest urządzeniem izotopowym, bazującym na metodzie rentgenowskiej radioizotopowej analizy fluorescencyjnej. Jako źródło promieniowania wykorzystuje się Pu-238, Am- 241/Be lub Cm-244. Zastosowanie w bloku elektroniki wielokanałowego analizatora 235

3 oraz odpowiednie oprogramowanie mikrokontrolera zapewnia wielofunkcyjne wykorzystanie urządzenia. Zasada pomiaru realizowana w mierniku PYLOX została bardziej szczegółowo opisana w [2]. Popiołomierz MPKF [4, 5] służy do szybkiego (100 s) oznaczania zawartości popiołu w węglu o granulacji 0+10 mm. Zastosowana w tym urządzeniu metoda pomiarowa bazuje na zjawisku rozpraszania w przód niskoenergetycznego promieniowania gamma Am-241. Geometrię pomiaru przedstawia rys Am ( przesłona naczynie z próbką Rys. 2. Schemat ideowy metody pomiaru zawartości popiołu w węglu. Urządzenia tego typu w pełni zautomatyzowane są wykorzystywane w 18 zakładach górniczych do kontroli jakości węgla surowego oraz produktów wzbogacania Urządzenia do pomiarów ciągłych - metody pomiarowe. Urządzenia do pomiarów ciągłych umożliwiają bieżącą kontrolę parametrów jakościowych węgla bezpośrednio na taśmociągu a także pomiar gęstości zawiesin np. wodno-węglowych przepływających rurociągiem. Ciągła kontrola parametrów jakościowych węgla oparta jest na systemach realizujących pomiar zawartości popiołu, wilgoci oraz wyliczanie wartości opałowej węgla. We wszystkich opracowanych popiołomierzach ciągłych stosowana jest technika jądrowa [4, 5, 6]. U podstaw zróżnicowania konstrukcji aktualnie znanych i stosowanych popiołomierzy leży zależność oddziaływania kwantów zastosowanego promieniowania gamma lub X od wielkości i składu ziaren węgla jak również realizowane przez nie metody pomiarowe. Na rys. 3 przedstawiono popiołomierze bazujące na różnych metodach pomiarowych. 236

4 zajilanie 220 V 50 Hz MIKB OKO NTR OLEKI AUA03 Czujnik ruchu r-d taimy Popiolomiert ALFA-05/G Wjświahcze Dyspozytornia MPeROKONTKOLEEl Bazy danych MTT Zasilanie 220V50HZ i RS485 Zasiiaiue Popiołomierz ALFA -OS/T W^śwctfaczc stojak \ Czujnik grubości! ' ' warslwy ' ''' Czujni mchu taśmy \ MIKHOKONTROt^R GAMMA 3K 1 II Zasilanie 220V50Hz Popiołom ierz GAMMA - 2E Wyświetlacze Osłona ołowiana Sondy pomiarowe Popiołom ierz RODOS Rys. 3. Schematy blokowe popiołomierzy ciągłych bazujących na różnych metodach pomiarowych. W popiołomierzu ALFA-05/G, najbardziej rozpowszechnionym urządzeniu typu on-line, zastosowano metodę pomiaru wstecznie rozproszonego w górę" nisko energetycznego promieniowania gamma Am-241 o pierwotnej energii kwantów ok. 237

5 60 kev. Natężenie promieniowania rozproszonego przez warstwę węgla można wyrazić wzorem: N - BN 0 - (2) Ml+^2 gdzie: B - stały współczynnik N o - natężenie promieniowania pierwotnego jii i i2 - masowe współczynniki osłabienia promieniowania pierwotnego i rozproszonego, zależne od zawartości popiołu w węglu. Przy ustabilizowanych warunkach pomiarowych i geometrii pomiaru, co zapewnia konstrukcja urządzenia (układ formowania strugi węgla), na podstawie bezpośrednio mierzonych wielkości N, określana jest zawartość popiołu w węglu o granulacji 0^-30 mm. Popiolomierz ALFA-05/T bazuje na metodzie zbliżonej do zastosowanej w popiołomierzu ALFA-05/G, lecz mierzone jest rozproszenie wsteczne w dół" ze względu na umieszczenie źródła promieniowania i detektora pod taśmą przenośnika; promieniowanie pierwotne i rozproszone przechodzi przez taśmę przenośnika. Popiołomierz ten umożliwia wprawdzie pomiar przy większych ziarnach, do 300 mm, lecz znaczne osłabienie promieniowania gamma przechodzącego przez taśmę powoduje spadek czułości i dokładności pomiaru, w stosunku do poprzednio opisanej metody. Dlatego też popiołomierze Alfa-05/T stosowane są głównie w ciągach technologicznych do oceny jakości węgla kierowanego do wzbogacania, jak również dła węgla brunatnego. Popiołomierz GAMMA-2E jest realizacją znanej już w latach 70-tych idei sprowadzającej się do wykorzystania do pomiaru zawartości popiołu osłabionego przez węgiel promieniowania Am-241 i Cs-137 lub Ba 133. Praktycznie idea ta została urzeczywistniona w końcu lat osiemdziesiątych, gdy możliwe stało się zastosowanie elektroniki mikroprocesorowej i techniki komputerowej. Metoda pomiaru polega na pomiarze osłabienia wiązki promieniowania w dwóch zadanych kanałach: kanale odpowiadającym promieniowaniu niskoenergetycznemu (ok. 60 kev) i kanale odpowiadającym promieniowaniu średnioenergetycznemu (ok. 600 kev lub 300 kev). Dla niskoenergetycznego promieniowania gamma wartość masowego współczynnika osłabienia u. zależy od składu chemicznego materiału i jest proporcjonalna do zawartości popiołu. Promieniowanie średnioenergetyczne wykorzystywane jest do pomiaru zmieniającej się gęstości powierzchniowej węgla (gęstość węgla i grubość jego warstwy). Popiołomierz GAMMA-2E wykorzystywany jest do pomiaru zawartości popiołu w urobku surowym a także w mieszankach węglowych w przypadku warstwowego ułożenia na taśmie węgla o różnej jakości. W popiołomierzu RODOS do ciągłego pomiaru zawartości popiołu wykorzystano naturalną promieniotwórczość gamma węgla. W węglu i skałach towarzyszących występują pierwiastki z promieniotwórczych rodzin uranu i toru oraz promieniotwórczy izotop potasu K-40. Badania naturalnej promieniotwórczości węgla wykazały, że pierwiastki promieniotwórcze skupiają się w substancji mineralnej węgla i tylko w śladowych ilościach w substancji organicznej węgla. Dla stałej masy próbek węgla stwierdzono korelacyjną liniową zależność między zawartością popiołu w węglu a jego naturalną promieniotwórczością gamma : 238

6 A = ai + bjn (3) a dla węgla o zmiennej masie zależność ta ma postać : A = a 2 + b 2 N + c 2 M (4) gdzie: A - zawartość popiołu N - natężenie naturalnego promieniowania gamma M - masa mierzonego węgla ai,bi 5 a2,b2,c2 - współczynniki wyznaczane doświadczalnie Popiołomierz RODOS służy do pomiaru zawartości popiołu w węglu o granulacji 0^300 mm, a jego istotnymi zaletami, w stosunku do urządzeń izotopowych są: niezależność pomiaru zawartości popiołu od składu chemicznego węgla i jego wilgotności duża strefa pomiarowa całkowite bezpieczeństwo Dokładność pomiaru zawartości popiołu popiołomierzem RODOS jest porównywalna z dokładnością popiołomierzy izotopowych. Podsumowanie Technika jądrowa znalazła szerokie zastosowanie w szeregu opracowanych m.in. w Centrum EMAG urządzeniach kontrolno-pomiarowych, z których część została przedstawiona w referacie. Urządzenia te są ciągle udoskonalane wraz z postępem w dziedzinie elektroniki i techniki komputerowej. Łącznie w okresie swej działalności wdrożono do stosowania w kopalniach i elektrowniach w Polsce, a także zagranicą, ponad 100 urządzeń i systemów. Aktualnie prowadzone są prace badawcze zmierzające do uzupełnienia opracowanych systemów kontroli jakości węgla o ciągły pomiar zawartości siarki. Literatura [1] Czerw B, Sikora T; Zastosowanie efektu Móssbauera do pomiaru zawartości siarki pirytowej w węglu. Przegląd Górniczy, 10, (1986). [2] Bednarek B, Sikora T i inni; Application of proportional counters in polish industry, medicine and agriculture. Nucleonica.vol. 41 No 3 p 77-88(1996). [3] Czerw B, Natkaniec H., Sikora T; Nowe urządzenia i systemy kontrolno-pomiarowe. MiAG, 11 (316) (1996). [4] Sikora T, Natkaniec H ; Rapid quality analyzer for coals and coal preparation products. New Trends in Mineral Processing Ostrava , VSB- Technicka Univerzita Ostrava, 1997 p [5] Cierpisz S, Sikora T; Coal quality monitoring and control in Poland. Conference: On-line analysis of coal, Wiedeń, October 1993, IE A Coal Research, Londyn 1993, Session 4. [6] Czerw B, Jardel L, Sikora T; Urządzenia do ciągłych pomiarów zawartości popiołu w węglu. MiAG, 3(331) (1998). 239