基于激光诱导击穿光谱的煤质检测仪器研究

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)在空气环境下进行煤质分析时，由于激光激发能量的起伏和样品表面的不平整以及等离子体空间分布的变化等因素，导致光谱数据的起伏从而影响测量精度，成为制约该技术实际应用的关键问题之一;同时煤中氧含量、硫含量的测量是影响该技术实际应用的另外两个关键问题。本项目拟在改进现有实验样机平台的基础上，对光谱数据通过优化选择分析线、等离子体温度校正等方法实现对煤中常见元素的定量分析；利用内标法解决在空气环境下对煤中氧含量的测量难题；利用双脉冲激发技术实现硫含量的测量难题，利用特殊设计的测量室结合气扫技术解决粉尘环境下光学系统长期稳定工作的技术瓶颈，在元素分析的基础上完成向工业分析指标转换的模型研究,利用光机电气一体化设计实现激光煤质在线分析仪器的集成创新。本项目技术原理和方法可在地矿、环保、医药、材料、考古、食品安全、生化及冶金等领域推广和应用。

我国燃煤种类多、煤质差异大，煤质分析对于以煤为能源或原料的发电厂、水泥厂、焦化厂等行业十分重要。利用煤质分析数据通过合理配煤可以提高煤的使用效率降低单位能耗、减少设备非计划停运保证生产安全运行、降低有害物资排放减少对大气的污染。但目前的煤质分析方法和技术远远不能满足实际需求。本项目在科学基金的支持下，解决了国内外利用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术进行煤质分析存在的主要难点。研究组结合内标法、温度校正法、多线法等措施获得在空气环境下煤中全氧和无机氧的含量，由此实现了在空气环境下对煤中有机氧的定量分析，分析精度达到±1.4%；研究组经过大量的实验最终决定选用921.3nm、922.8nm、923.8nm的特征谱线作为煤中硫的分析谱线，不仅避免了其它元素谱线的干扰还避免了硫在紫外波段荧光易淬灭的现象，同时利用均衡激发技术，克服了S元素激发电位高的难题，实现了在空气环境下对硫元素的定量分析，分析精度达到±0.2%；研究组提出结合Boltzmann-Maxwell分布和Saha-Eggert公式来提高等离子体温度测量精度，建立了基于McWhirter准则的等离子体局部热平衡态光谱数据判据，发展了光谱数据的等离子体温度校正技术，使煤中常规元素分析精度达到：C、Si、Al平均±1.1%，H、N、Ca、Mg、K、Na、Ti、Fe、Mn、P、Cu平均±0.2%；建立了元素分析向工业分析指标转换的模型，发热量误差<±500KJ，灰分、挥发分测量相对偏差(RSD)分别≤±1.5%、±1.1%；采用校准光源的光斑成像经电控单元控制激光与样品的对焦及光学探头角度，解决了工作环境变化引起系统偏离最佳工作状态的问题；利用正压保护和高压吹扫技术，进行光学系统的即时吹扫除尘，解决了光学系统受工业粉尘污染的问题；利用激光功率信号与设定值比较误差信号经PID处理后反馈调整激光电源的氙灯供电电压来纠正功率偏离，实现了脉冲光功率的长期稳定，解决了因环境变化、器件衰变而导致光功率漂移问题，长时间的功率变化率优于±1.5%。在上述研究的基础上，研制了激光煤质在线检测（分析）仪器样机。样机在山西神头电厂、中煤集团朔州杨涧洗选公司进行了实地现场实验检测，达到了预期目的。利用该项目研究成果，项目组还研制了水泥生料品质在线激光检测与优化控制设备，并在山西中条山水泥厂和山西双良鼎新水泥公司进行了现场中试实验。