基于光譜分析的煤質分析技術研究

李 楊

(晉能控股煤業集團晉陽煤炭事業部，山西 太原 030031)

引 言

煤炭作為國民經濟發展的核心，對推動經濟社會進步起著非常大的作用，目前全球煤炭供應處于供大于求的狀態，因此加快對煤炭的二次處理，提升其附加價值，是煤化工企業不斷研究的前沿課題。煤質分析是指對煤炭內所含的水分、灰分、元素、揮發分等進行檢測，確定煤炭的關鍵性能指標，用于分類處理，實現效益的最大化。目前煤質分析主要是采用人工做樣、化學檢測的方法，在測試過程中極度地依賴于檢測人員的操作方式、設備的檢測精度和檢測的時機，因此檢測周期長、效率低，已經無法滿足煤化工生產快速、精確的檢測需求[1]。

基于激光測量技術的不斷發展，本文提出了一種新的基于光譜分析的煤質自動檢測技術，利用激光發生器發出激光光束，光束經過煤炭后會產生不同的光譜，利用偏最小二乘法對光譜分析后即可獲取檢測樣本的煤質狀態。該方案為非接觸式檢測，速度快、精度高，根據實際應用表明其煤質檢測時間比傳統方案降低90%以上，能夠有效地提升煤化工企業的檢測效率和精確性，具有較大的應用推廣價值。

1 光譜分析機理

光譜分析是利用激光元素分析儀發出定功率的激光光束，光束射到檢測物體上后，激光的高能脈沖會對物質表面產生高溫灼燒，使物料中不同元素離子的表面產生能量躍遷，形成游離的等離子體基團，待激光光束照射結束后，等離子基團會產生退激效應，形成發光的光譜，通過對光譜的分析即可推算出游離的等離子基團的元素特性，進而實現對待測物特性的分析，光譜分析原理如圖1所示[2]。

圖1 激光光譜分析原理示意圖

在檢測的過程中，獲取待測樣品后，需要人工對其進行破碎處理，制成直徑為50 mm、厚度為10 mm的圓形樣片，每一類的樣品均需要準備10份。然后將激光發生器的發射能量調整到300 MJ，激光光束的波長設置為1 066 nm，將光譜分析設備的檢測范圍設定為190 nm～790 nm，用于對激光照射后激發的光譜進行分析，確定樣品的成分類型。

2 光譜分析測量

取測量樣片，每個樣片上設置一個4*4的測量點陣列，共計16組測量點，在測量的過程中對每個點進行50次的激光頻譜分析，這主要是在樣片的表面含有較多的雜質或者氧化層，通過多次的激光照射可以消除雜質內的因子，避免對測量結果產生干擾，根據實際驗證，對每個點連續照射30次后能夠完全消除外界干擾離子的影響，因此每個點的實際有效數據為20組，每一個樣片的有效數據為320組。

在檢測的過程中隨著激光束照射次數的增加，樣本上會產生一個激光灼燒坑，灼燒區域越深，激光束所激發的游離基團就越少，因此在灼燒過程中產生的光譜具有一定的分散性，為了提高對頻譜分析的準確性，需要對原始頻譜進行預處理[3]，獲取光譜波動曲線，如圖2所示。

圖2 激光光譜曲線示意圖

由光譜曲線分析可知，各個元素峰值和實際的元素頻譜存在一定的差異性，這主要是由于在激光照射過程中由于光譜波動和不同元素離子激發時間差異性導致的基體效應，同時在測試過程中樣本表面雜質和氧化物離子的干擾也加劇了基體效應，因此為了更精確地確定分析結果，需要根據每種元素的準確光譜特性和測量結果進行修正，消除各類干擾因素的影響。同時，為了降低光譜分析的難度，提高準確性，在進行修正邏輯的編輯時，重點對影響煤質的硫、磷、氮、硅、鈦等元素進行修正，對影響不大的氧、氫等元素可以統一給出一個修正系數即可，既能夠保證元素分析的準確性又能夠提高分析效率。

3 光譜分析結果擬合

通過對元素實際光譜峰值和測量峰值的對比分析，最終確定采用偏最小二乘法[4]作為光譜分析的優化函數，通過對測量結果最小誤差平方和分析來找到兩個關聯波動點之間最佳的過渡曲線，將光譜分析結果轉換為元素含量分析，實現對光譜測量結果的直觀判定，以鈦元素為例，其光譜分析擬合結果如圖3所示，圖中r2表示擬合后的數據曲線。

由此可知，采用光譜擬合后，能夠顯著提升光譜分析對煤炭內元素和元素含量判斷的準確性，根據實際測試，采用光譜分析方法后，對相同樣本的檢測時間由最初的120 min降低到目前的12 min，測試時間比優化前降低了90%，而且能夠準確地判斷樣本內各類元素的含量，對提升煤化工企業的煤質分析精確性和效率具有十分重要的意義。

圖3 光譜擬合結果示意圖

4 結論

針對目前煤質分析采用人工化學檢測方法所存在的檢測周期長、檢測結果偏差大的現狀，提出了一種基于光譜分析的自動煤質分析技術，根據實際分析表明：

1) 光譜分析是利用激光元素分析儀發出定功率的激光光束，射到檢測物體上后激發出游離的等離子基團和發光光譜，通過對光譜的分析即可獲取樣本中的離子類別。

2) 偏最小二乘法修正，能夠顯著提升光譜分析結果的準確性，用于指導實際生產。

3) 用光譜分析方法后，對相同樣本的檢測時間比優化前降低了90%，而且能夠準確地判斷樣本內各類元素的含量，對提升煤化工企業的煤質分析精確性和效率具有十分重要的意義。