提高激光诱导等离子光谱技术的煤质成分测量精度研究

To improve coal combustion efficiency and safty, it is of importance to develop a on-line coal analysis technology especially for China. Laser induced-breakdown spectroscopy (LIBS) is one of the most potential solution due to its fast measurement, safety, and lost operational cost. The main purpose of the project is to solve the two bottleneck problems for coal online measurement using LIBS: to reduce measurement uncertainty and to improve accuracy to coal analysis standard. The reseach includes: 1)investigatation of the mechanism of interaction among laser,confinement reflected shockwave, and plamsm,the mechanism of two or more simulataneous laser shots to plasm property, mechanism of plasma tune to reduce measurement uncertainty; 2)application of plasma characteristics based spetrum standization method to coal to reduce measurement uncertainty; 3)study of combining the above methods with the dominant factor based partial least square (PLS) model for coal application; 4)investigation of the specialty of LIBS coal application.

我国亟需发展煤质在线测量技术以提高燃煤效率和安全性。激光诱导击穿光谱技术（LIBS）以快速测量、安全、低运行成本等特点成为最有可能实现煤质在线测量的商业应用技术之一。本研究旨在解决实现基于LIBS煤质在线测量的关键问题：即LIBS煤炭成分的精确测量。内容紧紧围绕解决目前LIBS定量测量的两大瓶颈问题（测量可重复度和精度较低）来展开，主要包括：1）研究利用等离子体与空间限制体之间的相互作用机理、激光分光对等离子体信号增强机理从硬件设置角度调制等离子体，从而提高测量可重复度；2）研究利用激光诱导等离子体本身的特征参数（电子密度、等离子体温度、总粒子数密度）的光谱标准化在煤炭成分测量中的应用；3）研究结合传统定标模型和统计学建模方法的主导因素偏最小二乘(PLS)方法和光谱标准化方法在煤质测量中的联合应用。4）基于LIBS的煤炭成分测量特殊性研究。

测量可重复性差和精度低是激光诱导击穿光谱技术（LIBS）煤质快速检测领域工业应用的瓶颈问题。本项目从降低LIBS 测量不确定度的理论与方法、提高LIBS测量精度的技术与方法以及LIBS 煤炭成分测量特殊性三个方面对这两大问题展开了研究，超额完成了项目计划内容，研究成果具体包括：.1）验证了利用空间限制对等离子体进行调制进而降低LIBS测量不确定度的可行性； .2）完成了光谱标准化方法的煤质应用，降低了LIBS煤质测量的不确定度； .3）形成了一套基于主导因素偏最小二乘(PLS)方法和光谱标准化方法在煤质测量中的联合应用定标方法，提高了LIBS煤质分析测量精度。.4)采用添加粘结剂的主动式内标法，解决了无烟煤的定量分析问题；通过惰性气体环境，解决了挥发分燃烧对煤质测量精度的影响问题。.5)利用快速放电和空间限制联合控制的方法提高了等离子体稳定性，利用小波分析方法实现了LIBS信号降噪,并提高了定量分析的准确性；利用LIBS实现了发热量、灰分和挥发分等煤质特性的定量分析。.研究结果表明，等离子体空间形状的波动是测量不确定性度的主要来源，而测量不确定度是测量误差的主要来源。降低测量的不确定度对提高测量精度至关重要。.