Thiết bị phân tích nhanh chất lượng than trên mẫu nhỏ bằng kỹ thuật PGNAA

Monday, 02/11/2020, 00:00

       Chất lượng than được thể hiện qua các thông số về độ tro, nhiệt trị, tổng ẩm, độ bốc,.... Độ tro chính là các chất ở dạng khoáng chất trong nhiên liệu khi cháy trở thành tro. Sự có mặt của độ tro sẽ làm giảm các thành phần cháy của nhiên liệu. Đối với ngành than, độ tro than là một trong các thông số quan trọng nhất cần phải biết và kiểm soát trong quá trình từ khi thăm dò, khai thác, chế biến và cung cấp than cho khách hàng. Đối với các nhà máy nhiệt điện, độ tro, nhiệt trị cần phải biết ngay từ khâu nhập nguyên liệu do than đến từ các nơi khai thác khác nhau và đo độ tro “tức thời” để điều khiển công nghệ khi cấp than vào lò đốt hơi. Đối với ngành sản xuất xi măng, độ tro, nhiệt trị và thêm nữa là thành phần hóa của các ô xít chính trong than như SiO2, Al­­2­O3, CaCO3, Fe2O3 cũng cần phải biết để điều khiển quá trình công nghệ.

       Phân tích nhanh chất lượng than có hai hình thức chủ yếu, phân tích động - trực tiếp cho biết tức thời (online) trên băng tải vận chuyển than và phân tích tĩnh trên mẫu (offline) với thời gian rất ngắn so với phương pháp phân tích truyền thống. Có nhiều phương pháp phân tích xác định nhanh độ tro của than với các ưu nhược điểm khác nhau, trong đó phương pháp phân tích kích hoạt nơtron đo gamma tức thời (PGNAA) có ưu điểm vượt trội do phân tích nhanh, độ chính xác cao.

       Hệ thiết bị đầu tiên được chế tạo tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân (KH&KTHN) từ năm 2012 đã xác định được độ tro than bằng phương pháp PGNAA trong thời gian từ 10 - 15 phút với độ sai khác 1-2% ở dải độ tro từ 10-20%. Thiết bị dù đã xác định được độ tro với thời gian khá nhanh, có độ chính xác chấp nhận được nhưng chưa thể ứng dụng được vào sản xuất do lượng mẫu phân tích quá lớn (trên 500 kg) và khó khăn trong việc tiếp cận hiện trường. Chính vì những ưu nhược điểm của thiết bị, nhóm nghiên cứu hệ thống điều khiển hạt nhân (NCS) của Viện tiếp tục phát triển phương pháp PGNAA và đã chế tạo được thiết bị thế hệ mới phân tích nhanh độ tro than với khối lượng mẫu nhỏ và hiện đang sử dụng tại phòng thí nghiệm.

       Bài viết tập trung giới thiệu phương pháp PGNAA và hệ thiết bị để phân tích nhanh độ tro than với khối lượng mẫu nhỏ và định hướng nghiên cứu cũng như giải pháp công nghệ để phát triển thiết bị từ hệ đo tĩnh thành hệ đo trực tiếp trên băng tải.  

1. Chế tạo thiết bị đo mới từ việc phát triển thiết bị thế hệ đầu tiên

       Kỹ thuật phân tích bằng phương pháp PGNAA là một trong những kỹ thuật phân tích hạt nhân hiện đại, cho phép phân tích nhanh cùng lúc nhiều nguyên tố với độ chính xác cao [1,2,3]. Nguyên lý của phương pháp PGNAA là ghi nhận phổ gamma tức thời sinh ra từ phản ứng bắt nơtron (n,γ) hoặc do tán xạ không đàn hồi của nơtron (n, n) với các hạt nhân nguyên tử, việc nhận diện nguyên tố căn cứ vào năng lượng của các tia gamma, hàm lượng nguyên tố được xác định dựa trên số đếm các đỉnh phổ gamma; việc kích hoạt mẫu và đo phổ gamma diễn ra đồng thời.

       Trong nhiều tài liệu khoa học công bố quốc tế và trong nước về ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong phân tích độ tro của than, phương pháp PGNAA thường là lựa chọn cuối cùng sau khi các phương pháp hạt nhân khác như phân tích huỳnh quang tia X, phân tích kích hoạt nơtron đo gamma trễ, phương pháp gamma hai năng lượng (Dual Energy Gamma Rays Transmission),…không giải quyết được các yêu cầu kỹ thuật. Cùng mục tiêu là phân tích nhanh độ tro than, kể cả trong hai trường hợp phân tích offline và online, hai phương pháp được dùng phổ biến trên thế giới, đó là kỹ thuật gamma hai năng lượng và kỹ thuật PGNAA. Trên hình 1, với những loại than khai thác từ cùng một vỉa, không quan tâm đến chất bốc, độ chính xác khi phân tích không cần cao, hàm lượng các kim loại như canxi, sắt khá ổn định thì có thể sử dụng kỹ thuật gamma hai năng lượng. Với bất kỳ một sự thay đổi của một trong các yếu tố trên, như than khai thác từ nhiều vỉa, nhiều mỏ khác nhau, cần phân tích hàm lượng lưu huỳnh, sự đòi hỏi phép phân tích độ chính xác cao, thành phần hóa của kim loại nặng và trung hình trong than không ổn định thì bắt buộc phải sử dụng kỹ thuật PGNAA. Thực tế, than khai thác ở Việt Nam là từ các vỉa không nằm ngang mà có độ chênh/góc nghiêng lớn nên thành phần kim loại nặng có trong than không đồng đều, mặt khác do cấu trúc địa chất có nhiều đứt gãy nên chất lượng than ở các mỏ trong cùng khu vực, như ở Quảng Ninh cũng sẽ rất khác nhau. Do vậy, nhóm nghiên cứu NCS đã luôn hướng sự quan tâm vào chế tạo thiết bị PGNAA. Tuy nhiên, việc chế tạo thành công thiết bị PGNAA đòi hỏi rất nhiều yếu tố kỹ thuật như có sẵn nguồn nơtron đủ mạnh, đội ngũ cán bộ nghiên cứu cần có trình độ chuyên môn cao, nhiều kinh nghiệm thực tế và cần nhiều thời gian để thử nghiệm. 

       Hệ thiết bị phân tích nhanh độ tro than bằng kỹ thuật PGNAA thế hệ đầu tiên đã đáp ứng được yêu cầu về thời gian phân tích nhanh, độ chính xác chấp nhận được, kết quả phân tích không bị ảnh hưởng bởi thành phần kim loại nặng và trung bình trong than không ổn định. Nhưng nhược điểm lớn nhất của thiết bị này là lượng mẫu phân tích quá lớn, trên 500 kg. Theo quan điểm thiết kế chế tạo hệ đo thế hệ đầu tiên, lý do sử dụng mẫu lớn, lượng than nhiều nhằm tạo ra môi trường đo đủ lớn để làm chậm- nhiệt hóa hết nơtron nhanh phát ra từ nguồn phóng xạ Cf-252 có thông lượng 107n/s; để nơtron nhiệt kích hoạt các nguyên tố trong than phát ra ra các gamma tức thời (prompt γ rays)  và cũng để đủ bề dày nhằm cản tối đa các bức xạ nơtron và gamma (n và γ) ra môi trường xung quanh bộ phận chứa mẫu đo của thiết bị phân tích. Các thí nghiệm được tiến hành với lượng mẫu đo tăng dần từ 400-700 kg cho thấy, kết quả phân tích không tốt lên nhưng hoạt độ phóng xạ ra môi trường thì giảm đi đáng kể [5].

       Trước đề xuất của ngành than về thiết bị đo ở phòng thí nghiệm: thời gian phân tích phải nhanh, độ chính xác cao nhưng lượng mẫu phải nhỏ, càng nhỏ càng tốt. Nhóm nghiên cứu  NCS đã phát triển hệ đo thế hệ đầu tiên (hình a) thành hệ đo mới (hình b) trên hình 3. Sơ đồ khối của hai hệ đo này, cơ bản giống nhau như hình 2.

       So với hệ đo PGNAA đầu tiên, hệ đo PGNAA mới giữ nguyên đầu thu, khối xử lý tín hiệu, phần mềm trên máy tính. Chỉ duy nhất là thay đổi cấu hình đo mẫu, hình 3.

       Để giảm lượng mẫu đo và thực tế đã giảm kích thước cấu hình đo xuống khá nhỏ, các tính toán vật lý đã được nghiên cứu và thực nghiệm. Quan điểm xuyên suốt trong quá trình nghiên cứu thiết kế, phát triển hệ đo: dùng lượng mẫu than đủ nhỏ để tạo môi trường kích hoạt nơtron và thu nhận bức xạ gamma nhằm đạt được độ chính xác cao cho phép đo, định hướng khoảng 10 - 20 kg; sử dụng vật liệu phù hợp để nhiệt hóa hết nơtron nhanh phát ra từ nguồn trước khi đi vào chiếu mẫu đo; sử dụng vật liệu tối ưu để phản xạ tối đa bức xạ nơtron đi ra từ nguồn trở lại vùng làm chậm và nơtron nhiệt tán xạ từ vùng làm chậm và từ mẫu than ra ngoài phản xạ trở lại vào mẫu đo; sử dụng vật liệu cản xạ tốt để che chắn tối đa bức xạ n và γ ra môi trường xung quanh. Quá trình tính toán thiết kế được thực hiện trên phần mềm của chương trình mô phỏng MCNP5. Kết quả tính toán và thực nghiệm chế tạo hệ đo cũng như đánh giá chất lượng hệ đo mới đã được báo cáo tại Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ XII, từ ngày 02-04/8/2017 tại TP Nha Trang [6].

2. Xây dựng thuật toán xác định độ tro than và các thông số đạt được của thiết bị

       Phổ gamma tức thời thu nhận tại đầu thu được tạo thành chủ yếu do quá trình tương tác của nơtron nhiệt với các nguyên tố có trong than. Các nguyên tố nhẹ và trung bình như Ca, Fe, Si, Al, Ti là thành phần chính trong tro than có tiết diện bắt nơtron nhiệt lớn, vì vậy dễ dàng phát ra các bức xạ γ tức thời từ phản ứng bắt (n,g). Trong thành phần của than, nguyên tố C tương tác với nơtron theo cơ chế tán xạ đàn hồi tại góc tán xạ lớn (từ 60 đến 120o) nên hầu như không tạo ra gamma tức thời [7]. Phần lớn các gamma được tạo ra bởi các thành phần chính của độ tro trong than (Al, Si, Fe, Ca, Ti, S) có năng lượng trên 3 MeV. Trái lại, với tia gamma được tạo ra bởi các tương tác nơtron khác, tán xạ compton và gamma phóng xạ tự nhiên, chủ yếu có năng lượng dưới 3 MeV. Như vậy, phổ PGNAA (vùng năng lượng cao) phản ánh tương quan thuận với độ tro của than [4, 8], nghĩa là độ tro của than càng lớn thì số đếm ghi nhận được vùng năng lượng cao càng nhiều và phổ PGNAA của than độ tro lớn sẽ cao hơn phổ PGNAA than có độ tro nhỏ. Hình 4 là phổ bức xạ gamma tức thời thu được bởi hệ đo mới với mẫu than có độ tro 17,12%.  

       Kết quả trên hình 4 với các đỉnh gamma đặc trưng phát ra từ nguyên tố H và các kim loại nặng là thành phần chính chứa trong than. Đỉnh 2,22 MeV của H có sự chồng chập với đỉnh 2,24 MeV của S. Đỉnh 1,78 MeV của S xảy ra sự chồng chập với đỉnh 1,78 MeV của Al và dải compton sinh ra từ các kim loại nặng (như Fe, K, Ca, Si,..) chồng chập nhau gây khó khăn trong việc phân tách và hiện diện trên phổ. Các đỉnh của Fe xuất hiện tại các năng lượng 6,01 MeV; 7,63 MeV và một đỉnh nhỏ tại 1,24 MeV, tại vị trí đó Al và Si cũng góp phần tạo lên một đỉnh nhỏ trong phân bố của số đếm tổng.Một vài chỉ thị của Si, Ca, Mn  tồn tại ở 5,12; 5,63 và 6,5 MeV,... và gây ra sự cộng chồng phổ trong một vài đỉnh khác. Với sự chồng chập này, việc xác định độ tro của mẫu than dựa trên việc xác định hàm lượng các kim loại nặng chứa trong mẫu là không khả thi. Trong trường hợp này, hàm lượng tro than sẽ được xác định thông qua việc thiết lập đường chuẩn biểu diễn mối quan hệ của độ tro và tổng tốc độ đếm tại các vùng phổ được lựa chọn (Regions Of Interest - ROI/windows). Trong đó các cửa sổ được lựa chọn sẽ tương ứng với các đỉnh gamma đặc trưng phát ra từ các nguyên tố là các kim loại nặng chứa trong mẫu. Thuật toán xây dựng đường chuẩn là dựa trên mối quan hệ tuyến tính giữa hàm lượng của độ tro và tổng tốc độ đếm tại các cửa sổ được lựa chọn theo công thức (1):

%Ash = a0 + a1X1 + …+ anXn                                                                          (1)

trong đó, a0, a1,…, an là các hệ số chuẩn; X1, X2, …, Xn là các biến tương ứng của các tỷ số số đếm ghi nhận được giữa các cửa sổ năng lượng thiết lập trên phổ gamma tương ứng với Fe, Al, Ca, Si, Ti,… và H hoặc tổ hợp của các đỉnh trên.

Chương trình phần mềm xác định độ tro được thiết lập theo phương trình tuyến tính bậc nhất có dạng (2) như sau:

                                                %Ash = aX + b                                                                       (2)

 

       Sai số độ tro xác định bởi:

trong đó: X= ROI1/ ROI2 (ROI1, ROI2 là vùng phổ xác định trên phổ gamma tức thời).

       Để kiểm chứng khả năng đáp ứng của hệ đo và độ tin cậy của thuật toán trong việc xác định độ tro than, dưới đây là một vài kết quả tính toán ban đầu ứng với hệ đo mới đã chế tạo. Đường chuẩn độ tro được xây dựng từ bốn mẫu chuẩn (bảng 1) với các cửa sổ ROI thấp và ROI cao tương ứng (2050-2395) và (2675-8860) keV. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ tro và tỷ lệ tốc độ đếm trong hai vùng phổ trên hình 5. Với các hệ số của đường chuẩn này, kết quả đo xác định độ tro của các mẫu kiểm tra được thể hiện trên bảng 2. Biểu diễn độ tương quan giữa phân tích hóa và kết quả phân tích PGNAA trên hệ đo mới trên hình 6.

Bảng 1. Độ tro ứng với các mẫu than chuẩn sử dụng để xây dựng đường chuẩn

Bảng 2. Kết quả đo xác định độ tro trên hệ đo PGNAA mới

Hình 5. Đường chuẩn biểu diễn mối quan hệ giữa độ tro và tỉ lệ các vùng cửa sổ lựa chọn

Hình 6. Biểu diễn độ tương quan giữa kết quả phân tích hóa và phân tích trên hệ đo mới

Một số thông số kỹ thuật chính của hệ đo PGNAA mới:

Hệ đo PGNAA phân tích độ tro than (cấu hình mới) có các thông số kỹ thuật chính sau:

* Sử dụng nguồn nơtron Cf-252 có cường độ (9/2003) là 1×107 n/s.

* Thiết bị đo sử dụng đầu thu hạt nhân BGO kích thước 51×51mm do hãng REXON chế tạo, ADC có độ phân giải 2000 kênh.

* Thiết bị có chế độ tự ổn định phổ, giới hạn trôi kênh tối đa là 5 kênh.

* Thời gian phân tích mẫu than cho kết quả tin cậy từ 600 s - 1000 s.

* Khối lượng mẫu than phân tích là 10 - 15 kg.

* Kết quả phân tích có độ sai khác 1-2% với dải độ tro từ 10-20%.

* Hệ đo kết nối với máy tính qua cổng USB, chạy trên môi trường Window10.

* Khoảng cách từ bộ phận chứa mẫu đo tới bộ xử lý tín hiệu (phòng đo) là 30 mét.

* Có khóa để bảo vệ nguồn phóng xạ khi hệ đo không làm việc.

 3.  Nghiên cứu hoàn thiện phép đo xác định nhanh chất lượng than trên hệ đo mới và chế tạo hệ đo online trên băng tải. 

       Hệ đo mới hoàn toàn có thể đáp ứng với yêu cầu phân tích nhanh độ tro than, thông số quan trọng nhất phản ánh chất lượng than để phục vụ cho quá trình điều hành sản xuất tại các cơ sở khai thác, sản xuất và sử dụng than.

       Trên hệ đo mới, với cường độ nguồn đủ mạnh, khoảng 1×107n/s đến 2×106n/s thì có thể nghiên cứu xác định được các thông số khác có liên quan như nhiệt trị, chất bốc, độ ẩm và thành phần hoá của kim loại có trong than.

       Từ việc chế tạo thành công hệ đo mới đã có đủ niềm tin dựa trên cơ sở khoa học và thực nghiệm để có thể tiến tới bước chế tạo hệ thiết bị đo đánh giá chất lượng than online trên băng tải bằng phương pháp hạt nhân PGNAA. Thực chất, đây là việc chuyển đổi cấu hình đo từ 4π sang cấu hình đo 2π và tăng cường cách thức lấy mẫu tín hiệu khi băng tải đang chạy.

       Với những thành công đã đạt được trong việc chế tạo thiết bị phân tích nhanh độ tro bằng kỹ thuật PGNAA với lượng mẫu nhỏ, chúng tôi tin tưởng có đủ năng lực để nghiên cứu thiết kế chế tạo và chuyển giao ứng dụng công nghệ đo đánh giá chất lượng than tại phòng thí nghiệm (offline) và tiến tới đo online trên băng tải.

                                                                                                           TS. Nguyễn Thanh Tuỳ

Viện Khoa học và kỹ thuật Hạt nhân,

179 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội

Điện thoại: 0913223552

Email: ngthanhtuyf@gmail.com/

 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] http://www.inst.gov.vn/index.php/bai-viet/219/221/779/Thiet-bi-phan-tich-nhanh-do-tro-than-bang-ky-thuat-PGNAA-voi-nguon-phat-notron.html  

[2] Nguyễn Thanh Tuỳ, “Hệ thiết bị phân tích độ tro than bằng kỹ thuật PGNAA và ứng dụng”, tạp chí Hoạt động KHOA HỌC số tháng 10/2011 (629), trang 49 – 53.

[3] Nguyễn Thanh Tuỳ, “Thiết bị phân tích độ tro than bằng kỹ thuật kích hoạt nơtron – gamma tức thời”, Tạp chí Công nghiệp mỏ số 2 - 2012, trang 15 – 18.

[4] M. Bosaru, Z. Jecny., “Application of PGNAA for bulk coal samples in 4π geometry”, Applied radiation and isotopes 54 (2001) (519-526).

[5] Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thiết bị phân tích độ tro sử dụng kỹ thuật PGNAA với nguồn phát notron”, mã số ĐT.03/09.NLNT,2009-2011, Bộ KH&CN.

[6]    Nguyễn Thanh Tùy, Mai Văn Diện, Khuông Thanh Tuấn “Nghiên cứu, phát triển thiết bị phân tích nhanh độ tro than bằng kỹ thuật PGNAA với khối lượng mẫu nhỏ”, báo cáo tại Hội nghị Khoa học và công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ XII, tổ chức từ ngày 02 -04/8/2017 tại TP. Nha Trang – Khánh Hòa.

[7]    Nguyen Tuan Khai, Nguyen Thanh Tuy, Khuong Thanh Tuan, “On-line analysis system of coal ASH contents using nơtron – induced gamma spectrometry”, Journal of Nuclear Science and Technology, No 1 - 2011, Page 45- 52.

[8]    M. Bosaru, M. Biggs, W. Nichols, F. Bos, The application of prompt - gamma nơtron activation analysis to borehole logging for coal, Applied Radiation and Isotopes 54 (2001) 335-343. 

Lượt xem: 161