煤質分析中元素分析技術的應用

邊 疆

（西山煤電（集團）有限責任公司官地選煤廠，山西 太原 030022）

0 引言

煤炭是一種典型的混合物，由多種元素所組成，不同元素的含量對于煤炭質量的影響頗為顯著，顯然，對煤炭中的元素進行準確分析具有重要的現實意義[1-2]。為實現這一目標，選取最為適宜的元素分析技術則至關重要。通過有效的元素分析技術，能夠針對煤炭中的多種元素進行準確分析，進而確定煤炭的主要工業指標，以此有效指導生產，助力提高工業生產效率和質量。

1 實驗原理與材料

1.1 實驗原理

為提升元素分析的準確性，在本次研究中，采用激光元誘導擊穿光譜分析技術（LIBS）對煤中的主要元素進行分析，取代傳統的化學分析模式。相對而言，這項技術的優勢較為突出，目前也有著較廣的應用，在實際應用中，其主要依托于激光元素分析儀進行，該設備的基本原理圖見圖1。

圖1 激光元素分析儀基本工作原理示意圖

如圖1 所示，在實驗過程中，首先激光器發射激光束，該激光束能量較高，能夠在局部節點產生超過6 000 ℃的高溫，使該節點處的物料受到高溫燒灼，物料原子隨之產生能級躍遷，產生一定量的等離子體。而后隨著激光束強度的減弱，物料原子中的躍遷電子又將失去能量回到基態，因而發出特定的光譜，光纖經由回收光路到達光譜儀中，在光譜儀對光信號分析處理后，信號將傳輸至控制器和上位機中，實現物質特征元素含量的準確計算[3]。

1.2 實驗材料與參數

本次實驗材料采購自某大型煤炭企業，包括精煤和高灰分煤等類型，而后按照不同比例進行試樣制作。試樣制作過程中，首先對各種材料進行充分混合，而后使用破碎機將混合物處理為粒徑在0.1 mm 左右的粉體材料，并將其均勻等分為五組待用。

而后對激光元素分析儀工作參數進行調整，調整后的工作參數如表1 所示。

表1 激光元素分析儀工作參數

2 主要實驗方法

2.1 樣品檢測流程

在確定實驗參數后，從已選定的五份樣品中，每份各取7 g，壓制成直徑為5 cm 的圓形樣片，在樣片上取4×4 的點陣，共計16 個點進行檢測，每個點檢測60 次。在每次檢測中，均取一組完整的光譜數據。同時，考慮到樣品表面存在一定的雜質干擾因素，因此在檢測過程中，前20 次檢測數據不采用，僅采用后40 次的檢測數據。由此，每份樣品可獲得640 組有效數據，數據取平均值進行運算后，即可得到對應的元素含量如表2 所示。

表2 樣品主要元素類型及含量

2.3 數據處理

由于激光分析過程中，樣品表面燒蝕坑的面積和深度會不斷增大，進而影響到激光能量和延伸距離，因此，受到以上情況的影響，會導致測試得到的光譜在穩定性上存在一定不足。本次實驗所取得的原始譜線如圖2 所示。

圖2 原始光譜圖

結合圖2 并查閱元素波長對照關系表后得知，光譜圖與本次測定的主要元素基本明顯對應，但在此基礎上，還存在大量的基體輻射譜線。造成這種情況的主要原因是激光激發物質等離子體光譜過程中，受到基體效應影響而產生。同時，各種元素的原子之間也存在相互干擾，發生二次激發或黑體輻射等情況，造成光譜圖的穩定性較低。針對這一問題，通過引入解譜算法即可得到有效解決[4]。

另一方面，根據表2 的元素測量結果可知，煤炭中的主要元素除C 外，Si、Al、Fe 和Ca 元素是煤質灰分的重要成分，針對以上四種元素的測定結果是判斷灰分指標的關鍵。除此之外，煤炭中含有的少量K、Na等堿金屬元素則容易在燃燒過程中對鍋爐產生損傷，同樣應當對其進行準確檢驗。

3 實驗測量結果分析

基于上文的實驗結果，對實驗結果做進一步深入分析。在本環節的深入分析模式下，主要分析各種元素的標準含量與檢測含量之間的關系，以前者為橫坐標，后者為縱坐標，使用偏最小二乘法作為測量算法進行測量。在應用這種測量算法時，首先利用擬合方法，找出一次線性方程中某組數據的最優函數。而后采用偏最小二乘法進行擬合，得到數據的相關性。

按照上述方法對元素擬合結果的相關性進行分析后得知，原始數據的擬合結果存在明顯波動，其中Si 元素的原始擬合結果最差，相關系數為0.552，K 元素的原始擬合效果相對最優，相關系數為0.990，其他元素的擬合相關系數多位于0.6～0.8 之間，整體擬合效果不盡如人意。從實際情況來看，本次采用的一次線性擬合結果對部分采樣點無法做到較為精準的覆蓋，造成了偏差的產生。

為規避上述問題，研究人員引入多元線性回歸的方法，對元素含量重新進行擬合計算，并從光譜資料中，選擇代表元素的多個特征譜線，與譜線所對應的多個發射峰進行逐一對應，以此建立多個自變量的擬合方程，而后應用偏最小二乘法進行擬合分析，分析完成后，選擇其中的最優組合進行因變量的預測，最終得到優化后的相關系數[5]。整體來看，修正后的擬合曲線類似于折線統計圖形狀，在相關系數上也得到了顯著優化，其對比分析結果如表3 所示。

表3 樣品中主要元素的擬合結果系數對比

從表3 的數據可知，在對擬合算法進行優化后，能夠得到較好的相關性和偏差，證明本次建立的分析方法有望在后續的煤炭元素分析工作中得到逐步應用。

4 結語

在本次研究中，采用激光元素分析儀對煤質分析中的元素分析技術流程進行了探討，并對后續的數據處理工作進行了初步討論，以此初步建立起一種基于激光元素分析技術的煤質元素分析方法。從實際測試結果來看，該方法具有一定的準確性，能夠對煤炭資源的質量進行較好把控，以規避低質量煤炭材料的大量應用，這對于控制污染物排放和提高精細化管理水平而言均具有重要的現實意義。