元素分析技術(shù)在煤質(zhì)分析中的應(yīng)用

陶俊濤　李海柱　滕耀　尚慶敏　張偉

摘 要：中國一直是能源消耗和產(chǎn)能大國，其中煤炭產(chǎn)量和消耗一直在世界前列。自2016年以來，中國煤炭產(chǎn)能過剩，煤炭消費結(jié)構(gòu)持續(xù)調(diào)整，而中國煤炭產(chǎn)能利用率只有78.8%。因此針對煤炭、電力等行業(yè)中煤炭的工業(yè)指標分析將變得尤為重要。元素分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭中C、H、O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Ti元素的成分分析，得到煤炭工業(yè)指標中灰分、水分、熱值、揮發(fā)份等指標，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)分析方法，對檢測物料進行快速分析，并可以對生產(chǎn)工藝進行有效的監(jiān)督和控制，提高產(chǎn)品品質(zhì)，提高經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：元素 成分分析 煤炭

中圖分類號：TQ533.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（b）-0076-03

燃煤占火電廠發(fā)電總成本的70%以上，入爐煤質(zhì)量的控制水平直接影響電廠安全經(jīng)濟運行。對CFB機組，用煤來源復(fù)雜，煤質(zhì)波動大，摻燒矸石、煤泥等劣質(zhì)煤，其煤質(zhì)參數(shù)測量的準確性與及時性對配煤、燃燒調(diào)整都極其重要。煤質(zhì)關(guān)鍵指標包括：發(fā)熱量、揮發(fā)分、硫含量、灰分、水分、固定碳、無機元素等。目前這些指標檢測現(xiàn)狀：采樣送試驗室檢測，使用很多種設(shè)備，采用傳統(tǒng)測試方法人工測試。一是采樣均勻性和操作人員熟練程度直接影響結(jié)果精度；二是檢測結(jié)果嚴重滯后于鍋爐燃燒運行操作，嚴重影響機組的燃燒優(yōu)化與節(jié)能降耗。在入廠煤檢測、配煤、入爐煤煤質(zhì)檢驗、優(yōu)化燃燒，石灰石利用、降低排渣和除塵負荷、排放達標等方面存在著巨大的改進空間，潛在著可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

目前落后的煤質(zhì)分析技術(shù)成為制約火力發(fā)電工業(yè)技術(shù)提升的瓶頸。利用激光元素分析技術(shù)（LEAT）結(jié)合先進的信息處理技術(shù)，準確和同時在線測量發(fā)熱量、揮發(fā)分、硫含量、灰分、水分、固定碳、無機元素等煤質(zhì)關(guān)鍵指標的方法和系統(tǒng)，將提高燃煤利用率，降低污染，提升電力工業(yè)技術(shù)水平。

1 研究內(nèi)容

（1）基于煤組分的成分分析，準確和同時測量發(fā)熱量、揮發(fā)分、硫含量、灰分、水分、固定碳、常見無機元素等煤質(zhì)關(guān)鍵指標的方法；（2）煤組分成分分析的信號在線采集技術(shù)；（3）消除水分、顆粒尺寸、煤層厚度等對在線測量信號干擾的信息處理技術(shù)；（4）多元分析建模技術(shù)；（5）在線分析硬件系統(tǒng)的設(shè)計與制造；（6）在線分析軟件系統(tǒng)設(shè)計與編制；（7）在線分析模型；（8）系統(tǒng)技術(shù)集成；（9）在線分析系統(tǒng)操作規(guī)范

2 工作原理

激光元素分析儀采用激光光譜分析技術(shù)（LEAT）。這種技術(shù)是一種基于原子發(fā)射光譜和激光等離子體發(fā)射光譜的元素分析技術(shù)，利用高功率高能量密度的脈沖激光照射到被測物料，瞬間達到高溫6000℃以上，灼燒被測物料表面。在高溫作用下，使被測物料表面吸收光子產(chǎn)生初始的自由電子，在激光能力的進一步作用下，原子吸收能量產(chǎn)生更多的自由電子引起雪崩效應(yīng)，形成了由大量原子，離子，自由電子組成的呈現(xiàn)電中性的瞬態(tài)等離子體。然后這種等離子體迅速冷卻，被激發(fā)的離子重新回到低能量狀態(tài)，產(chǎn)生有特征的光譜輻射，在等離子體發(fā)射光譜中包含攜帶著豐富的樣品元素信息的線狀光譜和背景信息的連續(xù)光譜，通過光譜分析等離子體發(fā)射光譜中原子、離子特征譜線，可直接計算出物質(zhì)特征元素的含量。

2.1 實驗方式

采用如圖1所示的實驗裝置進行煤質(zhì)測量。實驗中采用能量范圍在100～300mJ可調(diào)的激光器作為激發(fā)光源，激光器重復(fù)頻率為1～2Hz，脈沖寬度10ns，波長1064nm。當激光光束經(jīng)透鏡聚焦后作用于樣品表面，樣品表面形成等離子體，等離子體輻射光經(jīng)由透鏡聚焦到光譜儀的光纖輸入端，利用光譜儀獲取等離子體的光譜信號。

2.2 實驗結(jié)果

圖2中顯示了在180～820nm波段范圍里的煤炭樣品光譜圖像。對同一樣品進行重復(fù)檢測，所獲取的多張光譜在篩選后取其平均值用于進行煤炭中各元素含量的計算，煤炭成分含量如表1所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

偏最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。采用偏最小二乘法（PLS）擬合，得到部分元素數(shù)據(jù)的相關(guān)性R2如圖3、圖4所示。

利用多元線性回歸計算元素含量，由于每個元素含量與多個譜線因素相聯(lián)系，用多個自變量的最優(yōu)組合共同來預(yù)測或估計因變量，得到更有效的相關(guān)性R2，圖5、圖6是多元線性回歸得到的計算結(jié)果。

3 結(jié)語

元素分析儀很好的解決了目前電廠生產(chǎn)運行過程中存在一些問題，可以有效的監(jiān)測燃料品質(zhì)，控制燃料成本，監(jiān)測混煤品質(zhì)，控制入爐煤偏差，監(jiān)測入爐煤品質(zhì)，合理指導(dǎo)鍋爐運行優(yōu)化，并且有效控制了污染物的排放，提高電廠運行的精細化管理水平。

以100萬kW機組每年消耗250萬t原料煤預(yù)測，改善鍋爐運行工況，提高1%鍋爐效率，可以節(jié)約2.9g/kW/h標煤，按5000運行小時，煤價每噸800計算，每年可以節(jié)約1200萬元，減少約500萬tCO2的排放，實現(xiàn)對入爐原料煤及鍋爐運行精細化管理而產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，按每噸原料煤節(jié)約5元計算，則可實現(xiàn)節(jié)約成本1250萬元。

參考文獻

[1] 崔執(zhí)鳳，張先燚，姚關(guān)心，等.鉛黃銅合金激光誘導(dǎo)擊穿譜特性的實驗研究[J].原子與分子物理學(xué)報，2007（1）：25-30.

[2] 吳金泉，林兆祥，劉林美，等.LIBS技術(shù)在線檢測重金屬污染物的應(yīng)用研究[J].中南民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，32（3）：68-71.

[3] 徐軍偉，崔國圣，宋兆龍.煤質(zhì)成分在線檢測裝置[J].江蘇電機工程，2005（1）：1-3.

[4] 陸同興.激光光譜技術(shù)原理及應(yīng)用[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.

[5] 陳金忠，王敬，馬瑞玲，等.納秒激光誘導(dǎo)等離子體發(fā)射光譜中的自吸收效應(yīng)[J].強激光與粒子束，2015，27（1）：119-124.

[6] 李雄威.激光誘導(dǎo)擊穿光譜法測量煤中碳含量的基體效應(yīng)及其消除[D].北京：清華大學(xué)，2014.