元素分析技术在煤质分析中的应用

陶俊涛　李海柱　滕耀　尚庆敏　张伟

摘 要：中国一直是能源消耗和产能大国，其中煤炭产量和消耗一直在世界前列。自2016年以来，中国煤炭产能过剩，煤炭消费结构持续调整，而中国煤炭产能利用率只有78.8%。因此针对煤炭、电力等行业中煤炭的工业指标分析将变得尤为重要。元素分析仪能够实现煤炭中C、H、O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Ti元素的成分分析，得到煤炭工业指标中灰分、水分、热值、挥发份等指标，可代替传统化学分析方法，对检测物料进行快速分析，并可以对生产工艺进行有效的监督和控制，提高产品品质，提高经济效益。

关键词：元素 成分分析 煤炭

中图分类号：TQ533.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（b）-0076-03

燃煤占火电厂发电总成本的70%以上，入炉煤质量的控制水平直接影响电厂安全经济运行。对CFB机组，用煤来源复杂，煤质波动大，掺烧矸石、煤泥等劣质煤，其煤质参数测量的准确性与及时性对配煤、燃烧调整都极其重要。煤质关键指标包括：发热量、挥发分、硫含量、灰分、水分、固定碳、无机元素等。目前这些指标检测现状：采样送试验室检测，使用很多种设备，采用传统测试方法人工测试。一是采样均匀性和操作人员熟练程度直接影响结果精度；二是检测结果严重滞后于锅炉燃烧运行操作，严重影响机组的燃烧优化与节能降耗。在入厂煤检测、配煤、入炉煤煤质检验、优化燃烧，石灰石利用、降低排渣和除尘负荷、排放达标等方面存在着巨大的改进空间，潜在着可观的经济效益和社会效益。

目前落后的煤质分析技术成为制约火力发电工业技术提升的瓶颈。利用激光元素分析技术（LEAT）结合先进的信息处理技术，准确和同时在线测量发热量、挥发分、硫含量、灰分、水分、固定碳、无机元素等煤质关键指标的方法和系统，将提高燃煤利用率，降低污染，提升电力工业技术水平。

1 研究内容

（1）基于煤组分的成分分析，准确和同时测量发热量、挥发分、硫含量、灰分、水分、固定碳、常见无机元素等煤质关键指标的方法；（2）煤组分成分分析的信号在线采集技术；（3）消除水分、颗粒尺寸、煤层厚度等对在线测量信号干扰的信息处理技术；（4）多元分析建模技术；（5）在线分析硬件系统的设计与制造；（6）在线分析软件系统设计与编制；（7）在线分析模型；（8）系统技术集成；（9）在线分析系统操作规范

2 工作原理

激光元素分析仪采用激光光谱分析技术（LEAT）。这种技术是一种基于原子发射光谱和激光等离子体发射光谱的元素分析技术，利用高功率高能量密度的脉冲激光照射到被测物料，瞬间达到高温6000℃以上，灼烧被测物料表面。在高温作用下，使被测物料表面吸收光子产生初始的自由电子，在激光能力的进一步作用下，原子吸收能量产生更多的自由电子引起雪崩效应，形成了由大量原子，离子，自由电子组成的呈现电中性的瞬态等离子体。然后这种等离子体迅速冷却，被激发的离子重新回到低能量状态，产生有特征的光谱辐射，在等离子体发射光谱中包含携带着丰富的样品元素信息的线状光谱和背景信息的连续光谱，通过光谱分析等离子体发射光谱中原子、离子特征谱线，可直接计算出物质特征元素的含量。

2.1 实验方式

采用如图1所示的实验装置进行煤质测量。实验中采用能量范围在100～300mJ可调的激光器作为激发光源，激光器重复频率为1～2Hz，脉冲宽度10ns，波长1064nm。当激光光束经透镜聚焦后作用于样品表面，样品表面形成等离子体，等离子体辐射光经由透镜聚焦到光谱仪的光纤输入端，利用光谱仪获取等离子体的光谱信号。

2.2 实验结果

图2中显示了在180～820nm波段范围里的煤炭样品光谱图像。对同一样品进行重复检测，所获取的多张光谱在筛选后取其平均值用于进行煤炭中各元素含量的计算，煤炭成分含量如表1所示。

2.3 数据处理

偏最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配。采用偏最小二乘法（PLS）拟合，得到部分元素数据的相关性R2如图3、图4所示。

利用多元线性回归计算元素含量，由于每个元素含量与多个譜线因素相联系，用多个自变量的最优组合共同来预测或估计因变量，得到更有效的相关性R2，图5、图6是多元线性回归得到的计算结果。

3 结语

元素分析仪很好的解决了目前电厂生产运行过程中存在一些问题，可以有效的监测燃料品质，控制燃料成本，监测混煤品质，控制入炉煤偏差，监测入炉煤品质，合理指导锅炉运行优化，并且有效控制了污染物的排放，提高电厂运行的精细化管理水平。

以100万kW机组每年消耗250万t原料煤预测，改善锅炉运行工况，提高1%锅炉效率，可以节约2.9g/kW/h标煤，按5000运行小时，煤价每吨800计算，每年可以节约1200万元，减少约500万tCO2的排放，实现对入炉原料煤及锅炉运行精细化管理而产生的经济效益，按每吨原料煤节约5元计算，则可实现节约成本1250万元。

参考文献

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