用于尾矿固相分数原位监测的双X射线与光学系统

《Sensors》：Dual X-Ray and Optical System for In Situ Monitoring of Solids Fraction in Tailings

　　

研制了一种感测装置，用于量化3米测试柱内的固相分数，实现了尾矿沉降的实时监测。该集成系统采用低功率红外激光配合散射探测器，以及低活度放射源与探测器。两种方法均利用非破坏性原理来评估固体浓度。具体而言，X射线穿过介质后的透射情况可提供固相分数的度量，因为X射线的衰减与固体百分比相对应。同时，光学组件检测来自样品的辐射背散射信号。为确保精度，两种仪器均使用参考材料进行了校准。实验评估采用两种配置进行：固定阵列和深度剖面测量装置。前者利用一根2.5米长的塑料柱，在沉降容器内集成传感器以在离散深度获取数据。相反，深度剖面测量配置涉及一个潜入式移动单元，将其降至柱内以在任意深度表征固体分布。

论文解读：基于双X射线与光学系统的尾矿固相分数原位监测技术研究

研究背景与问题：阿尔伯塔省的油砂产业是全球最大的石油生产领域之一。在油砂开采过程中，矿石与热水混合以分离沥青与砂、粉砂和黏土，由此产生的尾矿浆被排入尾矿池中沉降。粗砂沉降迅速，而细颗粒固体（即成熟细尾矿，MFT）的固结耗时数十年，且固结过程通常不均匀，沿池深度方向存在不同固体浓度分层。传统上，尾矿池的固相分数调查依赖重力法，即现场取样后送实验室分析，该方法耗时、费力且成本高昂。虽然已有多种原位监测技术（如超声波、微波、电阻层析成像、高光谱成像、热导率测量等）被提出，但它们在现场部署中均面临限制：高密度浆体会迅速衰减声波；微波和电阻方法对水盐度和粒径分布敏感；高光谱成像需要大量训练数据且易受窗口污染影响；热导率方法需要亚度级别的温度测量精度。因此，亟需一种低成本、实时、原位、抗干扰能力强的新型传感系统。

研究内容与结论：研究人员将先前开发的光学背散射技术和低强度γ射线透射技术集成到两套完整的原型系统中：固定式固相含量分析仪（ST-SCA）和深度扫描式固相含量分析仪（DS-SCA）。ST-SCA由多个光学传感器和一个可移动γ射线传感器组成，安装在一根水密插入管内，可固定于尾矿池中进行连续监测；DS-SCA为便携式潜水模块，可安装在船上并降至任意位置进行深度扫描。两套系统在NAIT的3米高、0.6米直径的中试沉降柱中，使用来自Kearl矿的实际细尾矿（初始固相含量17.5 wt%）进行了长达数月的沉降实验验证。实验结果表明，1550 nm波长的光学背散射测量和30 keVγ射线透射测量均能准确量化尾矿中的固相含量，与传统重力法相比，光学系统的均方根误差约为3 wt%，γ射线系统约为2 wt%。980 nm波长激光对低固相含量（0–5 wt%）非常敏感，可作为泥线检测和疏浚作业的主要探测手段。该系统还成功获取了固相含量随深度的剖面分布，并能追踪泥线随时间的变化，精度达2 cm。研究结论表明，该技术可实现尾矿池中不同位置和深度的实时原位固相含量测量，无需耗时且昂贵的取样和实验室分析，有望提高油砂尾矿的监测与管理效率，改善工艺性能和环境表现。该论文发表在《Sensors》。

关键技术方法：研究人员主要采用了三种关键技术方法。其一为近红外（NIR）背散射光学传感技术，使用1550 nm和980 nm两种波长的激光二极管照射尾矿样品，通过光电探测器测量背散射光信号，其中1550 nm波长对固体含量敏感且不易受沥青污染影响，980 nm波长则用于泥线检测。其二为低强度γ射线透射技术，采用1 μCi的Ba-133放射源（低于许可限值十倍以上）发射30 keV X射线，穿透样品后被定制的小型低成本γ射线探测器接收，根据透射衰减程度反演固相含量，并用GEANT4蒙特卡罗模拟辅助校准。其三为重力法对比校准，使用CEM SMART System 5水分分析仪对从沉降柱不同高度阀门提取的样品进行固相含量测定，作为传感器数据的参照标准。

研究结果：实验围绕六个方面展开。在泥线检测方面，通过ST-SCA光学传感器数据与目视观测对比，光学系统检测泥线的精度达到2 cm，980 nm波长在0–5 wt%范围内数据非常准确，超过8 wt%后饱和，因此被确定为主要泥线检测手段。在固定式系统与阀门位置对比方面，分别将V1、V2、V3、V4四个阀门位置的重力法与传感器数据进行比较：V1和V2位置，由于重力法取样点比传感器位置低约40 cm和5 cm，重力法测得值略高；V3和V4位置，三组数据达到良好一致，其中V3处传感器数据达到零值的时间与基于泥线速度估算的时间差（约87 h）相吻合，V4处在30–50 h出现的台阶归因于取样扰动引起的混合。在DS-SCA与阀门位置对比方面，V3位置在250 h内所有数据一致性好，之后重力法取样导致传感器数据出现凹陷，且DS-SCA作为较重探针移动时会引起约0.5 wt%的瞬态变化，但两小时内可恢复；V4位置同样呈现良好一致性，30–50 h期间γ射线数据出现台阶，而光学数据持续偏高系窗口暂时被颗粒覆盖所致。在固相含量深度剖面方面，通过ST-SCA的γ射线传感器扫描不同深度，发现固相含量剖面边缘随沉降时间向柱底移动，最大值从初始17.5 wt%增至约600 h时的超过30 wt%，证明传感器能为尾矿池调查提供准确的深度剖面。在DS-SCA向下扫描方面，实验开始约800 h后，DS-SCA从V3位置向下移动并以15分钟间隔记录数据，所得固相含量深度剖面与重力法数据良好一致，泥线位于柱底上方约152 cm处，验证了设备无需固定位置即可完成任意地点扫描的能力。

讨论与结论总结：讨论部分指出，1550 nm波长因沥青在该波长下透明而免疫污染，且水分对1550 nm光的强吸收使得高固相含量时背散射信号增强，从而形成稳健的测量机制。γ射线测量选择30 keV光子能量，可在数厘米路径内获得合适衰减；Ba-133源的10.6年半衰期在长期实验中需校正，但本实验时间短未做修正。窗口污染事件偶有发生，但数十小时后信号可恢复。γ射线测量时间较长（15分钟），建议用作光学传感器的交叉校准以校验窗口污染。未来可通过增加多探测器阵列缩短扫描时间，并可结合γ射线结果校正粒径对光学信号的影响。研究结论翻译为：在本研究中，先前开发的用于沉降池固相含量测量的光学和γ射线技术被集成为完整的可操作系统，可用于尾矿池固相含量监测。固定式固相含量分析仪ST-SCA和深度扫描潜水式分析仪DS-SCA在中试规模的3米柱内于实际运行条件下得到验证。结果表明，两种技术均能准确测量尾矿中的固相含量，与传统重力法相比，在从同一柱内不同时间间隔采集的物理样品上的测量结果偏差在几个重量百分比以内。扫描式潜水分析仪能够快速测量固相深度剖面，无需耗时且昂贵的取样及后续实验室分析。结果表明，该传感方法在表征细粒尾矿固相含量动力学方面具有良好的能力，具有较好的时间分辨率。该技术可部署在真实油砂尾矿池中，用于不同位置和深度的实时原位固相含量测量。预期这种相对低成本的技术能够促进油砂尾矿的更好监测和管理，从而提高工艺效率和环境性能。