CN107389608A - Libs激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用 - Google Patents

Abstract

LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用，用于实现对煤质中全元素检测的同时，保证煤质检测的精度。它包括以下步骤：1)对煤粉进行压制得到煤饼；2)对每个煤饼分别进行连续打点测试，每5束激光脉冲进行一次换点，每组煤样采集220个数据光谱，对诱导出的等离子体进行空间限域；3)光谱的归一化和修正：对步骤2)中得到的光谱数据中存在峰的漂移、峰的缺失、背景波动大的光谱数据进行归一化和修正；4)将步骤3)得到的归一化后和修正后的光谱进行基于主元素的偏最小二乘回归(PCA‑PLS)分析建模；5)利用步骤4)得到的模型进行入炉煤中各项参数的含量预测。本发明可实现对煤样参数全面、精确的检测。

Description

LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用

技术领域

本发明涉及煤质检测技术领域，具体地说是LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用。

背景技术

对煤炭中有机物部分C、H、O和无机物部分Si、Ca、Mg、Fe、Al等元素的分析可得到煤炭中灰分、热值、挥发分等参数的组分信息。不论是煤炭的在线分析或者实验室的煤质研究，通过激光诱导光谱分析技术得到的光谱数据，测量精度容易受实验参数、实验条件(如激光焦距的改变、样品形貌、环境气体等)的影响。利用传统的自由定标法可以确定实验所需要的检测参数，但是该方法无法降低或消除基体效应和自吸收效应对定量分析结果带来的影响。

有研究人员发现激光焦点在样品表面下2～3mm时光谱发射强度的RSD最小，当然其强度也会有所下降；制样的煤样粒径在0.1～0.3mm，用大于5吨的压力压制的煤样得到光谱信号RSD最小。说明改进实验参数在得到高的光谱信号可重复性是实际可行的。

现有技术中提出了由激光、光谱仪、光学辅助组件和计算处理系统四大部分组成的在线检煤装置，采用全智能的采集数据和定标分析方式，通过一组特殊组装的透镜来补偿由于煤炭颗粒大小和传送带抖动带来的光谱信号的波动。对传送带上原煤中C、Al、Ca、K、Mg等元素进行分析，并确定其分析精度S和Fe的RMSE分别为1.07％、0.14％，熔融温度和热值RMSE分别为33.16℉、170kJ/kg。

现有技术还提出了用于检测在旋转台上或者传送带上原煤的LIBS系统， 由于传送带振动或者煤块大小的改变致使激光聚焦长度的改变，该装置中利用特殊激光器输出的激光具有较大的瑞利长度，约为20cm，所以激光辐射在样品上的能量几乎不会随对焦距离改变而改变。对出厂原煤中C、H、Al、Ca、Si的定标分析都显示出较好的线性关系，另外发现当Fe含量超过20％时，其372nm谱线开始出现自吸收。

从现有的国内国际的研究文献和研究成果来看，煤炭的在线检测系统主要目的是对选煤厂、电厂等以煤作为主要生产资料的工厂进行实时、快速、精确的分析，并根据分析结果来调控工业生产，达到提高生产效率的目的。LIBS煤炭在线分析系统遇到的主要问题有：1)激光能量由于聚焦距离的变化而不稳定，2)在线的煤炭颗粒大小不一会影响光谱信号稳定，3)定量分析算法达到的精确度不够。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用，用于实现对煤质中全元素检测的同时，保证煤质检测的精度。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用，其特征是，它包括以下步骤：

(1)煤饼的压制：对煤粉进行压制得到表面平整的一组煤饼，各煤饼之间的厚度差应小于1mm；

(2)激光打点测试：对每个煤饼分别进行连续打点测试，每5束激光脉冲进行一次换点，每组煤样采集220个数据光谱，利用限域环对激光击穿煤饼后诱导出的等离子体进行空间限域；

(3)光谱的归一化和修正：对步骤(2)中得到的光谱数据中存在峰的漂移、峰的缺失、背景波动大的光谱数据进行归一化和修正，得到具有平整背景和统一的峰分布的光谱；

(4)将步骤(3)得到的归一化后和修正后的光谱进行基于主元素的偏 最小二乘回归(PCA-PLS)分析建模；

(5)利用步骤(4)得到的模型进行入炉煤中各项参数的含量预测。

进一步地，在步骤(1)中以不小于25t的压力对研磨至180μm-200μm粒径之间的煤粉进行压制。

进一步地，在步骤(1)中各煤饼之间的厚度差小于0.8mm。

进一步地，所述限域环由丁腈橡胶制成，限域环的直径为3mm，高度为1mm。

进一步地，所测参数包括碳含量、氢含量、氮含量、硫含量、挥发分、热值、灰分、真相密度、灰熔点。

本发明的有益效果是：本发明利用激光诱导光谱分析技术对煤饼进行检测，通过对激光诱导出的等离子体进行限域，对等离子体激发的光谱进行归一化和修正，对光谱数据中存在峰的漂移、峰的缺失、背景波动大的光谱数据进行修正，得到具有平整北京和统一的峰分布的光谱，消除了由于仪器误差造成的各个光谱之间的差异，平衡激光能量的波动，完整了光谱信息。最后，通过算法优化和光谱标准化后的光谱进行PCA-PLS建模分析，预测煤样中的碳、氢、硫、氮、灰分、挥发分、热值、真相对密度和灰熔点参数，不但检测数据全面，而且检测精度和准确度较高。

具体实施方式

LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用，主要包括以下步骤：

(1)煤饼的压制，以不小于25t的压力对研磨至200μm左右粒径(180μm-220μm之间)的煤粉进行压制得到表面平整的煤饼，各煤饼之间的厚度差应小于0.8mm，这样做的目的是保证激光聚焦距离的稳定从而得到较为统一和一致的光谱数据。

(2)对每个煤饼进行连续打点测试，每5束激光脉冲进行一次换点，每组煤样采集220个数据光谱，利用限域环对激光击穿煤饼后诱导出的等离子 体进行空间限域，限域环由丁腈橡胶制作而成，限域环的直径为3mm，高度为1mm。激光击穿样品后诱导出等离子体同时产生激波，激波伴随等离子体沿径向扩张，LIBS中产生的激波是一种疎密波和电磁波的结合体，可以利用激波的压缩效应来压缩等离子体达到稳定等离子体中心，进而达到稳定等离子体温度和抑制光谱信号波动的效果，对等离子体进行空间限域后，其光谱信号明显增强。在限域和未限域条件下进行220次光谱测量C I247.86nm强度变化情况对比。由于光谱强度在限域后增强，所以未限域的特征线光谱强度经过相对变换即在其原始强度值上整体向上平移一定单位，使其能和限域增强的光谱信号波动形成对比，此变换只改变相对强度，不改变其波动情况。在加限域环220组脉冲的特征线光谱强度RSD从10％降低到3％，光谱信号强度的相对稳定标志着等离子体中心的稳定。

(3)对步骤(2)中得到的光谱数据中存在峰的漂移、峰的缺失、背景波动大的光谱数据进行修正，得到具有平整背景和统一的峰分布的光谱，消除了由于仪器误差造成的各个光谱之间的差异，平衡激光能量的波动，完整了光谱信息。

(4)将步骤(3)得到的归一化后和修正后的光谱进行基于主元素的偏最小二乘回归(PCA-PLS)分析建模。

(5)利用步骤(4)得到的模型进行入炉煤中各项参数的含量预测，各项参数包括碳含量、氢含量、氮含量、硫含量、挥发分、热值、灰分、真相密度、灰熔点。

通过上述处理方法对煤炭的限域信号进行增强和并稳定等离子体，得到较稳定的光谱并对其进行光谱预处理，去除背景归一化，修正异常峰信息等，通过算法优化和光谱标准化来解决由仪器误差和基体效应造成的光谱峰位异常情况。对标准化后的光谱数据进行PCA-PLS回归建模，得到模型后再应用到预测煤中各参数含量中，该方法显示预测碳、挥发分和氢的线性回归度都 达到0.99，灰分和热值的回归度为0.98，除灰分的平均相对误差为4.02％外，硫、氮、真相对密度、灰熔点的ARE都<2％。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明创造的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明创造的保护范围内。

Claims (5)

1.LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用，其特征是，它包括以下步骤：

(1)煤饼的压制：对煤粉进行压制得到表面平整的一组煤饼，各煤饼之间的厚度差应小于1mm；

(2)激光打点测试：对每个煤饼分别进行连续打点测试，每5束激光脉冲进行一次换点，每组煤样采集220个数据光谱，利用限域环对激光击穿煤饼后诱导出的等离子体进行空间限域；

(3)光谱的归一化和修正：对步骤(2)中得到的光谱数据中存在峰的漂移、峰的缺失、背景波动大的光谱数据进行归一化和修正，得到具有平整背景和统一的峰分布的光谱；

(4)将步骤(3)得到的归一化后和修正后的光谱进行基于主元素的偏最小二乘回归(PCA-PLS)分析建模；

(5)利用步骤(4)得到的模型进行入炉煤中各项参数的含量预测。

2.根据权利要求1所述的LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用，其特征是,在步骤(1)中以不小于25t的压力对研磨至180μm-200μm粒径之间的煤粉进行压制。

3.根据权利要求1所述的LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用，其特征是,在步骤(1)中各煤饼之间的厚度差小于0.8mm。

4.根据权利要求1所述的LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用，其特征是,所述限域环由丁腈橡胶制成，限域环的直径为3mm，高度为1mm。

5.根据权利要求1所述的LIBS激光诱导光谱分析在煤质检测中的在线应用，其特征是,所测参数包括碳含量、氢含量、氮含量、硫含量、挥发分、热值、灰分、真相密度、灰熔点。