Un método para realizar un análisis elemental en línea, que comprende:

proporcionar una muestra de carbón omena; dar formar a la muestra de carbón o mena; dirigir los rayos X hacia la muestra; detectar la fluorescencia delos rayos X proveniente de la muestra usando un detector de rayos X (10) que produce señales en respuesta a estoy se conecta a la salida de un analizador multicanal (270), se monta dicho detector de rayos X (10) a 5,08 cm de lamuestra; y se presenta una composición elemental de la muestra basada en las señales producidas.

Analizador de elementos por fluorescencia de rayos X

Antecedentes y sumario de la invención La presente invención se refiere a un método para analizar la composición del carbón, minerales y otras menas, usando espectrometría de fluorescencia de rayos X por energía dispersiva (XRF, del ingles X-ray fluorescence) . En la preparación y utilización del carbón como combustible, es necesario cuantificar las características químicas y físicas del carbón o mena. La adquisición o comercio del carbón se basa en una o más de las siguientes características químicas y físicas, que se miden durante la preparación y antes del uso de la carga de alimentación del carbón:

• contenido de cenizas

• contenido de humedad

• contenido de valor calorífico

• contenido de azufre

• análisis elemental

Con el fin de determinar estas características se debe de realizar un muestreo del carbón, preparando muestras y analizándolas luego según procedimientos habituales de laboratorio, como establecen organizaciones tales como la American Society for Testing and Materials (ASTM) y/o la International Organization of Standardrization (ISO) . Es un procedimiento costoso y largo que requiere entre dos horas y más de un día para llevarse a cabo.

Para abordar este problema, se han desarrollado varios analizadores de carbón. La mayoría de éstos son analizadores de cenizas y determinan el contenido de cenizas usando transmisión de energía dual o retrodispersión de rayos X o gamma, generados a partir de dos o más radioisótopos. Un habitual sistema de la técnica anterior, emplea una fuente de rayos gamma de baja energía (<60 KeV) y una de alta energía (>600 KeV) para medir dos señales que se pueden correlacionar con cenizas y densidad, respectivamente. Watt (patentes de EE.UU. nºs.

4.090.074 y 4.566.114) usa cualquier número de fuentes de radioisótopos a partir de un grupo que consiste en Am

241, Gd-153, Cd-109, Ba-133, Cs-137 y Co-57 para generar una serie de energías incidentes de rayos X y/o gamma, que se transmiten o dispersan a través de una capa de carbón. Para determinar el contenido de cenizas o de materia mineral presentes en el carbón, se usa una transmisión o dispersión de rayos X y/o gamma a una energía en la que hay una significativa diferencia en la absorción de radiación por unidad de peso en carbón o materia mineral, excluyendo el hierro (medición de cenizas a baja energía) , en combinación con una medición de la densidad aparente (alta energía) . Este es predominantemente, el tipo de analizador de ceniza usado.

Una variación de este analizador de cenizas fue desarrollada por Page, como se describe en la patente de EE.UU. nº 4.486.894. Se incorporó un factor de corrección del hierro en la determinación de la ceniza. Se bombardea una muestra con radiación de baja energía (<60 KeV) , comprendiendo la radiación primaria al menos dos espectros de energías (46 KeV y 9-17 Kev) para producir reacciones radioactivas en el carbón y medir la radiación retrodispersa en las mismas regiones de energía junto con un pico de fluorescencia de hierro a 6, 4 KeV. El pico de fluorescencia de hierro también se puede relacionar con el contenido de azufre en ciertos carbones. Page (patente de EE.UU. nº 4.015.124) aproximó el contenido de azufre de un determinado tipo de hierro usando la regresión lineal múltiple:

S = a+bX+cY

en la que, S = concentración de azufre en la muestra de carbón; X = intensidad de la radiación fluorescente emitida por el azufre en la muestra; Y = intensidad de la radiación fluorescente emitida por el hierro en la muestra; y a, b, y c, son constantes.

Sin embargo, no se pudo medir con precisión el pico de azufre (X) y la relación se rompe cuando las piritas de hierro (FeS2) o bien, no se encuentran en concentraciones suficientes para ser detectadas con un contador proporcional o bien, no se pueden relacionar directamente con el contenido total de azufre.

45 El uso en la técnica anterior de la fluorescencia de rayos X para el análisis elemental, y particularmente azufre, ha sido limitado por el hecho de que los característicos rayos X Ka de azufre emitidos, tienen una ener!ía de tan sólo 2, 31 KeV. Por tanto, los rayos X se disipan rápidamente en el carbón (en 1 mm) o incluso en el aire. Para complicar la medición, el azufre normalmente aparece en concentraciones inferiores a 0, 3% en el carbón. Marshall, en la patente de EE.UU. nº 4.171.485 expone que el uso de fluorescencia de rayos X para otros materiales que no sean gases, requiere la preparación o bien la vaporización de una muestra, en una atmósfera que no confunda la medición. En cualquier caso, un problema de difícil muestreo y preparación de muestras compone los errores asociados con la fluorescencia de rayos X propiamente dicha.

El mejor método usado actualmente para determinar el contenido de azufre, al igual que de otros varios elementos presentes en el carbón, es medir directamente las diferentes energías de rayos gamma secundarias características, emitidas por los diferentes elementos cuando el carbón o las menas minerales son bombardeados por neutrones. El procedimiento de medición, según lo describe Marshall (véase referencia anterior) y Atwell en la patente de EE.UU. nº 4.582.992, se conoce en la técnica como análisis por activación neutrónica de rayos gamma instantáneos (PGNAA del inglés prompt gamma ray neutron activation analysis) . Esta técnica se basa en el hecho, de que casi todos los elementos cuando son bombardeados con neutrones lentos, capturan estos neutrones al menos momentáneamente y forman un núcleo compuesto en un estado excitado. Usualmente, la emisión instantánea de uno o más rayos gamma con energías e intensidades que son únicamente características de los núcleos capturados, disipa la mayor parte de la energía de excitación. Debido a que estos rayos gamma instantáneos tienen con frecuencia energías en el intervalo de 2 a 11 MeV, pueden penetrar cantidades sustanciales de material hasta alcanzar un detector de rayos gamma, es decir, un detector por cintilación de NaI (Ti) .

Sin embargo, debido a que se requieren altas energías para obtener suficiente penetración de corrientes de flujo de carbón que contienen partículas con tamaños máximos de 60, 96 cm, esta técnica es costosa puesto que implica emisores de neutrones y la protección necesaria. La fluorescencia de rayos X proporciona una alternativa más segura y menos costosa, si se pueden resolver los problemas de presentación de muestras y de detección de rayos X.

La patente de EE.UU. nº 5.750.883 describe un método y un dispositivo para determinar el contenido de sal en alimentos tipo aperitivo. Se dirige un haz de rayos X hacia el alimento tipo aperitivo y un detector mide los rayos X retrodispersos. El detector se monta a una distancia entre 5, 08 y 20, 32 cm del alimento tipo aperitivo.

La presente invención aborda, tanto el muestreo como la detección de rayos X, en el diseño de un método de funcionamiento de un sistema de muestreo, usando un detector de rayos X fotodiodo PIN de Si enfriado termoeléctricamente.

Los detectores usados en la espectrometría de rayos X en sistemas de la técnica anterior para medir la composición de carbón y menas minerales, han sido contadores proporcionales rellenos de gas, usando habitualmente un gas de relleno de baja densidad, tales como neón o xenón mezclados con argón. La resolución de 600 eV (FWHM) para contadores proporcionales a bajas energías de rayos X (inferior a Fe a 6, 4 KeV) no posibilita una determinación precisa de elementos tales como azufre, silicio o aluminio. Por el contrario, un detector PIN de Si tiene una resolución de 186 eV (FWHM) para una fuente de rayos X de 55Fe a 5, 9 KeV. Otros detectores semiconductores o de silicio, por ejemplo, Si (Li) , pueden lograr altas resoluciones similares, pero requieren estar en un criostato al vacío y enfriamiento mediante nitrógeno líquido. Esto limita seriamente las aplicaciones en las que se puede usar este sistema. El sistema debe ser compacto y robusto, de manera que se pueda localizar el detector dentro de un área de 5, 08 cm de la superficie de la muestra.

Como se define en la presente invención, un medio de muestreo en línea se refiere a un medio de muestreo en el que la muestra no es estacionaria con respecto al analizador. Por ejemplo, el analizador puede permanecer en una posición estacionaria fija, adyacente a una corriente de muestreo en movimiento. Alternativamente, la muestra puede permanecer... [Seguir leyendo]

1. Un método para realizar un análisis elemental en línea, que comprende: proporcionar una muestra de carbón o mena; dar formar a la muestra de carbón o mena; dirigir los rayos X hacia la muestra; detectar la fluorescencia de los rayos X proveniente de la muestra usando un detector de rayos X (10) que produce señales en respuesta a esto y se conecta a la salida de un analizador multicanal (270) , se monta dicho detector de rayos X (10) a 5, 08 cm de la muestra; y se presenta una composición elemental de la muestra basada en las señales producidas.

2. El método según la reivindicación 1, en el que el detector de rayos X es un detector de silicio enfriado.

3. El método según la reivindicación 1 ó la reivindicación 2, en el que la muestra de carbón o mena tiene un tamaño máximo de partículas de 10 mm.

4. El método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el proporcionar la muestra incluye colocar la muestra de carbón en una cinta transportadora en movimiento (50) .

5. El método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los rayos X son generados por al menos una fuente de rayos X (20) .

6. El método según la reivindicación 5, en el que dicha al menos una fuente de rayos X (20) se caracteriza por un eje de transmisión, dicho al menos un detector de fluorescencia de rayos X (10) se caracteriza por un eje de detección y en el que el eje de transmisión de rayos X y dicho eje de detección, son paralelos entre sí y normales con respecto a la muestra.

7. El método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que se dispone una delgada ventana entre la muestra y dicho al menos un detector de rayos X (10) .

8. El método según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además la detección de la presencia de un nivel suficiente de material al fluir pasando por dicho detector de rayos X (10) para permitir análisis repetibles.

9. El método según la reivindicación 8, en el que la detección de la presencia de un nivel suficiente de material de muestra se realiza mediante un sensor de microondas, de rayos X o de rayos gamma, orientado en una geometría de transmisión.

10. El método según una de las reivindicaciones anteriores, que incluye además la medición de la humedad de la muestra mediante un lector de humedad por microondas (62, 64) .

11. El método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha al menos una fuente de rayos X produce rayos X incidentes en el intervalo de 3 a 20 KeV.