СПОСОБ РАДИАЦИОННО-ГИГИЕНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА УГЛЯ
RADIATION-HYGIENIC CONTROL METHOD OF COAL QUALITY

Изобретение относится к горному делу и предназначено для контроля качества углей по радиационно-гигиеническим параметрам.
Известны способы контроля качества угля путем лабораторного анализа проб исходных углей и продуктов сжигания (золы, шлака). Рассчитываются дозы, эффективная удельная активность (Аэфф) и выбросы радионуклидов по пробам угля, подготовленным по ГОСТ 1137-88, ГОСТ 10742-71. Способы заключаются в анализе аналитической пробы на содержание естественных радионуклидов (ЕРН) в лабораторных условиях рентгеноспектральным анализом (РСА) на спектрометрах различной модификации.
Недостатками способов являются сложность пробоотбора (для получения достоверных данных по содержанию ЕРН в углях, необходимо отобрать и обработать пробу весом 2000-2500 кг от каждой отгружаемой партии угля в сутки согласно ГОСТ 1137-88), отсутствие оперативности (на отбор и подготовку пробы к анализу уходит более суток), невозможность применения для сортировки порциями (на конвейере, в автосамосвалах, вагонах), большие затраты труда и материалов.
Наиболее близким к заявляемому является способ гамма-спектрометрического анализа. Принцип его состоит в том, что в пробе или в емкости определяется содержание радия, тория и калия раздельно спектрометрами различного типа (см. ГОСТ Р 8.563-96 ГСИ. Методики выполнения измерений.)
Недостатком способа является сложная аппаратура и методика измерений, отсутствие методики перехода от измеренных значений к радиационно-гигиеническому фактору.
Техническим результатом изобретения является разработка способа контроля и сортировки углей по радиационно-гигиеническому фактору с целью сокращения дозовой нагрузки на население, сокращения выброса естественных радионуклидов (ЕРН) в атмосферу и с твердыми отходами (золой, шлаком), основанном на измерении интегральной (суммарной) гамма-активности радия, тория и калия.
Сущность способа заключается в том, что способ радиационно-гигиенического контроля качества угля, включающий измерение гамма-активности радия, тория и калия, отличается тем, что осуществляют измерение проникающего гамма-излучения каждой емкости с углем радиометрической контрольной станцией (РКС), определяют суммарную гамма-активность угля по формуле:
имп
п
max
С=∑J/(n·К)·(100-W)/100 (%),
имп
где: ∑J - сумма импульсов по всем емкостям с углем;
n - количество емкостей,
max
W - максимальная влагоемкость угля в %,
п
п
d
r
К - пересчетный коэффициент, К=Cu/N, где:
d
Cu - содержание радионуклидов в сухом топливе
r
Ni - аналитический параметр РКС,
и по суммарной гамма-активности судят о содержании естественных радионуклидов в угле.
Предлагаемый способ радиационно-гигиенического контроля качества угля основан на измерении интегральной (суммарной) гамма-активности одноканальной радиометрической аппаратурой, стандартного типа. Методика измерений проста, проникающее гамма-излучение высоко, что позволяет установить датчики на безопасном расстоянии, позволяющем проходить в габаритах радиометрической контрольной станции (РКС) емкостям с углем, например, автосамосвалам любой грузоподъемности. Результаты измерений сопоставлены с результатами лабораторных исследований. Специальными расчетами установлена зависимость показаний прибора от содержания ЕРН. Путем опытного сжигания углей изучено концентрированно ЕРН в продуктах сжигания - золе, шлаке, газах. Рассчитана предельная концентрация ЕРН в золе, шлаке и углях с целью соблюдения существующих норм радиационной безопасности. Допустимые концентрации ЕРН увязаны с суммарной гамма-активностью углей.
Метод обладает следующими преимуществами:
- высокая экспрессность: за 1-1,5 минуты определяется суммарная гамма-активность углей, перевозимых углевозами,
- определяется доза излучения, которую может получить население при использовании данных углей,
- определяется суммарная эффективная активность угля (Аэфф),
- аппаратура и методика измерений просты и доступны.
Все это позволяет сортировать угли в реальном масштабе времени по радиационно-гигиеническому фактору.
Способ осуществляется следующим образом.
Суть способа состоит в экспресс-анализе гамма-излучения и сортировке угля на радиометрической контрольной станции (РКС), оборудованной аппаратурой «Алмаз» (фиг.1). Минимальная определяемая эффективная удельная активность в транспортной емкости составляет порядка 20 Бк/кг.
Предложенный способ экспресс-анализа угля в транспортной емкости, например, автосамосвалах, включает следующие этапы:
- определение эксплуатационных характеристик радиометрической контрольной станции, которые включают в себя экспериментальный выбор геометрии измерения, определение величины натурального фона, определение погрешностей измерения, определение величины нулевого фона, определение пересчетных коэффициентов;
- модернизации и настройки аппаратуры;
- схемы замера и сортировки автосамосвалов с углем;
- обработки результатов измерений, которая заключается в определении содержаний урана в угле с естественной влажностью.
Расчет производится по формуле, выведенной экспериментально:
имп
п
max
С=∑J/(n·К)·(100-W)/100 (%)
имп
где ∑J - сумма импульсов по всем автосамосвалам,
n - количество автосамосвалов,
max
W - максимальная влагоемкость угля в %
п
d
r
-6
К - пересчетный коэффициент, определенный в результате опытно- методических работ методом расчета: Cu/Ni=7,2×10,
d
где: Сu - содержание урана в сухом топливе
r
Ni - аналитический параметр РКС.
Пример конкретного применения способа.
Данная методика радиационно-гигиенического контроля качества углей применена впервые на Уртуйском буроугольном разрезе и не имеет аналогов для контроля и сортировки углей по содержанию ЕРН. Ее применение позволило создать на разрезе эффективную систему контроля ЕРН в добываемых и отгружаемых потребителям углях и сократить выбросы их в атмосферу и золошлакоотвалы в несколько раз, что подтверждается данными мониторинга ССРБ. Экономический эффект от применения методики за счет сортировки углей составляет около 28 млн. руб. в год.
Для сортировки угля по содержанию ЕРН на разрезе « Уртуйский» была применена радиометрическая контрольная станция (РКС), по аналогии со станциями, применяемыми при сортировке урановых руд.
Основное отличие их состоит в следующем:
1. Изменение геометрии измерений, которая рассчитана на крупногабаритные емкости (автосамосвалы « Углевоз») (чертеж).
Были применены два комплекта аппаратуры, при этом углы коллимации выбраны одни и те же и составляли для боковых датчиков 55° и 100°. Зона измерения несколько сжата снизу для того, чтобы уменьшить влияние налипшей на колеса грязи на результаты измерения. Центры кристаллов датчиков расположены на высоте 2,6 метров от полотна дороги и в 1,5 м от борта автосамосвала. Верхние датчики с углами коллимации 60° и 100° наклонены с таким расчетом, чтобы биссектриса угла была направлена по нормали к исследуемой поверхности. Центры кристаллов верхних датчиков расположены на высоте 2 м от поверхности. Для всех используемых типов автосамосвалов снимались диаграммы направленности от верхних датчиков по горизонтальным профилям вдоль и поперек кузова с точечным радиевым источником, шаг съемки 0,1 м, профили съемок располагаются: по бортам, по максимальной чувствительности соответствующих датчиков, по центру кузова. Для боковых датчиков диаграммы направленности снимались по трем горизонтальным профилям: верхней кромке кузова, по максимальной чувствительности соответствующих датчиков, по нижнему краю кузова. Вертикальные диаграммы направленности снимаются от полотна дороги до верхней кромки кузова.
Таким образом, применение полученной геометрии измерения для аппаратуры « Алмаз» большегрузных автомобилей «БелАЗ» обеспечивало объемную представительность опробования (85% емкости).
2. Радиоактивность в угле часто находится ниже естественного фона (при сжигании обогащается в несколько раз). Поэтому установка для контроля ЕРН в углях должна обладать повышенной чувствительностью. Для этого на установке с радиометрических узлов были удалены критические фильтры, что позволило регистрировать ЕРН в углях даже в очень малых количествах. С целью уменьшения влияния температуры на результаты измерений, все радиометрические узлы были помещены в термостаты.
Порядок операций контроля ЕРН проводился следующим образом:
1. Контролю подвергались все автосамосвалы углем, поступающим из разреза, т.е. контролировался весь добытый уголь.
2. Подготовка аппаратуры к работе:
2.1. Применялась аппаратура «Алмаз». В ее комплект входят: 2 измерительных пульта, один основной, другой резервный и 4 блока детектирования (БД) к каждой установке.
2.2. Градуирование аппаратуры производилось 1 раз в месяц с применением радиевых источников, помещаемых в геометрический центр БД. Среднеквадратичная погрешность данных по измерениям не должна превышать ±10%.
2.3 Ежесменно оператор перед началом работы:
- включает оба прибора «Алмаз» (основной и резервный) и производит их прогрев в течение 15 минут;
- устанавливает время измерения - 10 с;
- измеряет натуральный фон в данное время;
ф
кч
- производит контроль чувствительности приборов с помощью рудного эталона, помещенного в центр БД. Запись замеров производится в журнал, при этом обязательно снимаются 3 значения фона (J) и контроля чувствительности (J). Для расчета принимается среднее значение;
ф
- на лицевой панели устанавливают величину компенсируемого фона, которая равна половине натурального фона, т.е. 0,5 J. Измерение натурального фона и установку компенсируемого фона производят через каждый час работы приборов.
2.4 Методика измерений и сортировка угля по содержанию ЕРН:
- автосамосвал с углем устанавливали в строго определенном положении относительно блоков детектирования: на табло загорался сигнал «СТОП». Эти параметры определены с учетом геометрии измерений;
- снимали показания прибора в импульсах, а автосамосвал в соответствии с этими показаниями отправлялся на соответствующий штабель (он показывается на табло);
- пределы сортировки определялись расчетным методом в соответствии с сортом угля;
2.5 Обработка результатов измерения:
- обработка результатов измерений производилась оператором сразу после замера показаний приборов;
- расчетные формулы выведены по результатам опытных работ с учетом естественной влажности угля. Рабочая формула для расчета содержания ЕРН в угле:
изм
п
max
С=∑/n×К(100-W)/100 (%);
изм
где: ∑J - сумма импульсов по всем, а/с;
n - количество а/с;
max
W - максимальная влагоемкость угля (34,95% для данного месторождения);
п
К - пересчетный коэффициент, определенный в результате опытно-методических работ методом расчета:
п
d
r
-6
К=Cu/ΔNi=7,2×10,
d
d
a
a
где Сu - содержание радионуклидов в сухом топливе, %, рассчитывается по формуле Cu=C·100/(100-W), где
a
С - содержание радионуклидов в аналитической навеске;
a
W - влага аналитическая в навеске, %
r
ΔNi - аналитический параметр РКС
r
ΔNi=Ni-0,5 Nфi, где
Ni - измеренное значение гамма активности т.е. вклад датчика в общий замер от источников гамма-излучения, определяется для каждого датчика и каждого прибора, используемых при замере гамма-активности, в качестве источника гамма-излучения служат рабочие рудные эталоны;
0,5 Nфi - половина измеренной величины натурального фона, т.е. окружающего фона, без влияния источников гамма-излучения.
Рабочая формула может быть изменена только по результатам опытных работ.