元素分析技術在煤質分析中的應用

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能大國，其中煤炭產量和消耗一直在世界前列。自2016年以來，中國煤炭產能過剩，煤炭消費結構持續調整，而中國煤炭產能利用率只有78.8%。因此針對煤炭、電力等行業中煤炭的工業指標分析將變得尤為重要。元素分析儀能夠實現煤炭中C、H、O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Ti元素的成分分析，得到煤炭工業指標中灰分、水分、熱值、揮發份等指標，可代替傳統化學分析方法，對檢測物料進行快速分析，并可以對生產工藝進行有效的監督和控制，提高產品品質，提高經濟效益。

關鍵詞：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

燃煤占火電廠發電總成本的70%以上，入爐煤質量的控制水平直接影響電廠安全經濟運行。對CFB機組，用煤來源復雜，煤質波動大，摻燒矸石、煤泥等劣質煤，其煤質參數測量的準確性與及時性對配煤、燃燒調整都極其重要。煤質關鍵指標包括：發熱量、揮發分、硫含量、灰分、水分、固定碳、無機元素等。目前這些指標檢測現狀：采樣送試驗室檢測，使用很多種設備，采用傳統測試方法人工測試。一是采樣均勻性和操作人員熟練程度直接影響結果精度；二是檢測結果嚴重滯后于鍋爐燃燒運行操作，嚴重影響機組的燃燒優化與節能降耗。在入廠煤檢測、配煤、入爐煤煤質檢驗、優化燃燒，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，潛在著可觀的經濟效益和社會效益。

目前落后的煤質分析技術成為制約火力發電工業技術提升的瓶頸。利用激光元素分析技術（LEAT）結合先進的信息處理技術，準確和同時在線測量發熱量、揮發分、硫含量、灰分、水分、固定碳、無機元素等煤質關鍵指標的方法和系統，將提高燃煤利用率，降低污染，提升電力工業技術水平。

1 研究內容

（1）基于煤組分的成分分析，準確和同時測量發熱量、揮發分、硫含量、灰分、水分、固定碳、常見無機元素等煤質關鍵指標的方法；（2）煤組分成分分析的信號在線采集技術；（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；（4）多元分析建模技術；（5）在線分析硬件系統的設計與制造；（6）在線分析軟件系統設計與編制；（7）在線分析模型；（8）系統技術集成；（9）在線分析系統操作規范

2 工作原理

激光元素分析儀采用激光光譜分析技術（LEAT）。這種技術是一種基于原子發射光譜和激光等離子體發射光譜的元素分析技術，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，原子吸收能量產生更多的自由電子引起雪崩效應，形成了由大量原子，離子，自由電子組成的呈現電中性的瞬態等離子體。然后這種等離子體迅速冷卻，被激發的離子重新回到低能量狀態，產生有特征的光譜輻射，在等離子體發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光譜，通過光譜分析等離子體發射光譜中原子、離子特征譜線，可直接計算出物質特征元素的含量。

2.1 實驗方式

采用如圖1所示的實驗裝置進行煤質測量。實驗中采用能量范圍在100～300mJ可調的激光器作為激發光源，激光器重復頻率為1～2Hz，脈沖寬度10ns，波長1064nm。當激光光束經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 數據處理

偏最小二乘法是一種數學優化技術，它通過最小化誤差的平方和找到一組數據的最佳函數匹配。采用偏最小二乘法（PLS）擬合，得到部分元素數據的相關性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系，用多個自變量的最優組合共同來預測或估計因變量，得到更有效的相關性R2，圖5、圖6是多元線性回歸得到的計算結果。

3 結語

元素分析儀很好的解決了目前電廠生產運行過程中存在一些問題，可以有效的監測燃料品質，控制燃料成本，監測混煤品質，控制入爐煤偏差，監測入爐煤品質，合理指導鍋爐運行優化，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原料煤預測，改善鍋爐運行工況，提高1%鍋爐效率，可以節約2.9g/kW/h標煤，按5000運行小時，煤價每噸800計算，每年可以節約1200萬元，減少約500萬tCO2的排放，實現對入爐原料煤及鍋爐運行精細化管理而產生的經濟效益，按每噸原料煤節約5元計算，則可實現節約成本1250萬元。

參考文獻

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