用于利用雙能量的x射線透射測量和x射線熒光測量進行熱值估計的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于利用雙能量的X射線透射測量和X射線熒光測量進行熱值 估計的方法和裝置
[0001] 發明的技術領域
[0002] 本發明涉及用于在自動化程序中對生物材料的熱值進行估計的方法和裝置。本發 明特別有助于對諸如木片和煤的生物燃料的熱值進行測量。
[0003] 背景
[0004] 生物材料以及尤其生物質燃料通常在燃燒過程中生成熱和能量。木材是最重要的 生物質燃料之一。然而，不同的生物質燃料在燃燒之后生成的熱量不同以及生成的殘渣的 量和種類不同。針對不同種類和品質的木材也存在巨大的差距。這使得有效地控制燃燒或 者焚燒過程很困難。
[0005] 因此，能夠估計生物材料的熱值通常是非常重要的。例如在包括燃燒系統的生物 能源系統中，估計被提供給生物能源系統的材料的熱值是非常重要的，以便更精確地控制 燃燒過程，以及提高燃燒的效率。熱值在不同種類的生物材料間通常是各異的，而且在每種 生物材料內也是各異的。例如，相同種類的生物材料可以具有不同的含水量、不同的灰渣屬 性等等。例如在木材中，這可以依賴包括樹木或灌木的種類、樹木或灌木的部位(樹皮、木 材、樹葉)等等的各種因素。
[0006] 在這些年期間已經提出了對不同材料的熱值提供估計的眾多建議。例如，U S 7690268公開了用于對流質材料的熱值進行確定的方法。然而，該方法僅能夠用于其發熱值 預先知道的單個的、預定的材料。因此，當眾多不同的材料同時進行使用時，則不能夠使用 該方法。類似地，在US 3934139中公開的方法也涉及到對一種特定的材料的熱值的估計，并 且還需要確定該材料的密度。在EP 0718553中公開的方法對材料的含水量進行確定，并且 假設材料的含水量與熱值相關。盡管該假設對某些材料可能是正確的，但卻不是普遍有效 的，這使得該方法用于處理各種生物材料的系統是困難的。此外，利用這樣的已知方法的通 常的問題還在于裝置是巨大且昂貴的，在于該方法實施起來是相當枯燥乏味和繁瑣的，和/ 或在于其結果是不精確和不可靠的。
[0007] 在由相同申請人提交的W0 13/004593中，提出了顯著改進的方法，其中熱值的估 計從透射測量中是直接可獲得的，其中是以諸如X射線的兩種不同能級照射樣品時該透射 測量被獲得，并且將該透射測量與通過諸如絕熱式熱量計獲得的參考數據相關。然而，有時 在生物材料中存在相當大含量的不可燃的成分，例如鈣、鉀和二氧化硅(例如以氧化物和/ 或碳酸鹽的形式）、鎂、磷光體以及重金屬(例如鈣、鋅和銅）。這種不可燃成分的含量也可以 隨著時間以及在樣品與樣品之間有著顯著的不同。在這些情況下，使用先前已知的方法用 于有效地和精確地確定熱值可能是困難的。
[0008] 因此存在對生物材料的熱值進行快速并且可靠地估計的改進的方法的需要，以及 尤其需要當處理各種生物材料以及處理具有各種含量的非可燃成分的生物材料時也可以 應用的方法。
[0009] 發明概述
[0010] 因此本發明的目標是優選在自動化過程中提供用于對生物材料的熱值進行估計 的改進的方法和裝置，該改進的方法和裝置克服或者至少減輕了上文討論的現有技術的問 題。
[0011]該目標是通過如在所附的權利要求中所限定的本發明來實現的。
[0012] 根據本發明的第一方面提供了用于對生物材料的熱值進行估計的方法，該方法包 括：
[0013] 利用至少兩種不同能級的X射線輻射對生物材料進行照射；
[0014]對以所述能級穿過所述生物材料透射的輻射量進行測量；
[0015] 當以所述能級進行照射時，對由生物材料發出的熒光輻射進行測量；
[0016] 基于所述生物材料的熱值的初步估計值和校正值確定熱值的最終估計值，所述生 物材料的熱值的初步估計值基于所測量的透射的輻射，該校正值基于所述熒光的輻射。
[0017] 本發明是基于先前已知的如在由相同申請人提交的W0 13/004593中所公開的方 法的認識的，以及W0 13/004593的公開內容通過引用被整體地并入本文，本發明可以通過 還對來自樣品的熒光輻射進行測量得到顯著地改進，并且將其作為校正值來使用。熒光輻 射(XRF)優選與透射輻射(DXA)同時地被測量。
[0018] 透射輻射的測量是非常強大的技術，因為其基于樣品的吸收，以及完全地穿透樣 品材料并且對樣品材料描繪。因為此處DXA使用了至少兩種不同的輻射能量，所以對樣品的 不同元素進行量化是可能的，因為不同的元素在不同的能量上具有不同的X射線的吸收。然 而，附加的元素以及尤其具有相對高的原子序數(例如超過10的原子序數)的元素提供了誤 差源(尤其如果這樣的元素的含量變化時）。利用該DXA測量，透射值可以與熱值直接相關， 而無需確定所使用的生物材料的種類、含水量等等。
[0019] 熒光測量(XRF)本身是已知的，并且能量分散的XRF可以諸如被用于借助來自被照 射的樣品的熒光確定正被發出的X射線的量。每種元素在發出的熒光光量子中呈現獨一無 二的能量，并且因此提供了關于出現在樣品中的是哪些元素以及這些元素的量的信息。
[0020] 然而，利用XRF的劣勢在于對具有低原子序數(通常10或更低）的元素的測量和量 化是困難的。這意味著XRF通常不能夠對在生物材料和生物燃料中的最重要的成分(例如氧 (Z = 8)和碳(Z = 6))進行測量。此外，XRF還主要測量材料的表面，因為來自具有低Z值的原 子的XRF量子在樣品中易發生自衰減并且經由周圍的空氣衰減。
[0021] 然而，本發明以非常有效的方式利用了這兩種技術的差異化的可能性。通過利用 DXA來測量具有較低原子序數的可燃的元素（例如碳和水），以及利用XRF來確定非可燃元 素，即使在待被測量的生物材料的屬性顯著各異時，也能夠獲得熱值的非常精確的估計。 DXA測量因此可以被用于確定初步的熱值，而XRF被用于提供校正值，通過這種方式初步的 熱值可以被調整到熱值的更準確的最終估計值。
[0022] 值得注意的是，對成分和單個元素的量的精確的確定是不必要的，因為基于XRF測 量的校正值可以通過校準（即，相關到參考測量）以及通過查看在特定能帶上的積分值被替 代地使用。因此，在本文的XRF與在常規XRF測量中的XRF使用不同，在常規XRF測量中單個的 峰被分析以對成分進行確定和量化。因此，來自不可燃元素(例如鈣(Z = 20 )、鉀(Z = 19)以 及硅(Z=14)、以及還可能的鎂、磷和重金屬（例如鈣、鋅和銅））的總的影響可以被分析，并 且用于提供校正值以改善初步的熱值估計。
[0023]此外，因為DXA和XRF測量還可以同時進行并且所有的工序都在非常短的時間內 (例如在幾毫秒內）進行，所以在在線系統(例如其中生物材料在傳送帶或其類似物上傳送） 中使用該方法并且提供對隨后工序的實時控制是可能的。
[0024] 術語"熱值"在本文被用于指示由可燃物產生的能得到的凈能量，該凈能量是用于 生物材料的單位質量以焦耳或千卡表示的凈能量。熱值還可以被稱為發熱值。本發明的方 法可以被用于或者估計毛發熱值(通常被稱為高熱值)或者估計凈發熱值(通常被稱為低熱 值）。在這兩者之間的區別是凈發熱值不包括需要用來汽化在生物材料中的水的能量。
[0025] 本發明尤其有助于估計在木片中的熱值，但是它也可以被用于其他形式的木材， 以及其他種類的生物材料，類似的其他種類的生物質燃料、森林殘留物、煤等等。本發明對 以液態或者分散形式以及優選以片的形式的生物材料尤其有意義。然而，本發明還對其他 種類的生物材料有意義。
[0026] 在本發明應用的背景下利用不同的能量或不同的能級意味著在平均能量上的差 異。因此，特定能量的輻射(如在本發明應用中使用的）指的是具有在該能級上的平均能量 的輻射，即使該輻射可被提供在不同的能量的范圍內。此外，X射線源還可以是多色的。因 此，只要不同能量或者不同能級的輻射的平均的能量彼此是不同的，那么，在能量范圍內， 不同能量或者不同能級的輻射可以甚至是全部或者部分地重疊。
[0027] 本發明的方法利用了兩種或更多不同能級的照射，并且直接或間接地根據被測量 的透射能量(即，在材料中被吸收