基于光谱分析的煤质分析技术研究

李 杨

(晋能控股煤业集团晋阳煤炭事业部，山西 太原 030031)

引 言

煤炭作为国民经济发展的核心，对推动经济社会进步起着非常大的作用，目前全球煤炭供应处于供大于求的状态，因此加快对煤炭的二次处理，提升其附加价值，是煤化工企业不断研究的前沿课题。煤质分析是指对煤炭内所含的水分、灰分、元素、挥发分等进行检测，确定煤炭的关键性能指标，用于分类处理，实现效益的最大化。目前煤质分析主要是采用人工做样、化学检测的方法，在测试过程中极度地依赖于检测人员的操作方式、设备的检测精度和检测的时机，因此检测周期长、效率低，已经无法满足煤化工生产快速、精确的检测需求[1]。

基于激光测量技术的不断发展，本文提出了一种新的基于光谱分析的煤质自动检测技术，利用激光发生器发出激光光束，光束经过煤炭后会产生不同的光谱，利用偏最小二乘法对光谱分析后即可获取检测样本的煤质状态。该方案为非接触式检测，速度快、精度高，根据实际应用表明其煤质检测时间比传统方案降低90%以上，能够有效地提升煤化工企业的检测效率和精确性，具有较大的应用推广价值。

1 光谱分析机理

光谱分析是利用激光元素分析仪发出定功率的激光光束，光束射到检测物体上后，激光的高能脉冲会对物质表面产生高温灼烧，使物料中不同元素离子的表面产生能量跃迁，形成游离的等离子体基团，待激光光束照射结束后，等离子基团会产生退激效应，形成发光的光谱，通过对光谱的分析即可推算出游离的等离子基团的元素特性，进而实现对待测物特性的分析，光谱分析原理如图1所示[2]。

图1 激光光谱分析原理示意图

在检测的过程中，获取待测样品后，需要人工对其进行破碎处理，制成直径为50 mm、厚度为10 mm的圆形样片，每一类的样品均需要准备10份。然后将激光发生器的发射能量调整到300 MJ，激光光束的波长设置为1 066 nm，将光谱分析设备的检测范围设定为190 nm～790 nm，用于对激光照射后激发的光谱进行分析，确定样品的成分类型。

2 光谱分析测量

取测量样片，每个样片上设置一个4*4的测量点阵列，共计16组测量点，在测量的过程中对每个点进行50次的激光频谱分析，这主要是在样片的表面含有较多的杂质或者氧化层，通过多次的激光照射可以消除杂质内的因子，避免对测量结果产生干扰，根据实际验证，对每个点连续照射30次后能够完全消除外界干扰离子的影响，因此每个点的实际有效数据为20组，每一个样片的有效数据为320组。

在检测的过程中随着激光束照射次数的增加，样本上会产生一个激光灼烧坑，灼烧区域越深，激光束所激发的游离基团就越少，因此在灼烧过程中产生的光谱具有一定的分散性，为了提高对频谱分析的准确性，需要对原始频谱进行预处理[3]，获取光谱波动曲线，如图2所示。

图2 激光光谱曲线示意图

由光谱曲线分析可知，各个元素峰值和实际的元素频谱存在一定的差异性，这主要是由于在激光照射过程中由于光谱波动和不同元素离子激发时间差异性导致的基体效应，同时在测试过程中样本表面杂质和氧化物离子的干扰也加剧了基体效应，因此为了更精确地确定分析结果，需要根据每种元素的准确光谱特性和测量结果进行修正，消除各类干扰因素的影响。同时，为了降低光谱分析的难度，提高准确性，在进行修正逻辑的编辑时，重点对影响煤质的硫、磷、氮、硅、钛等元素进行修正，对影响不大的氧、氢等元素可以统一给出一个修正系数即可，既能够保证元素分析的准确性又能够提高分析效率。

3 光谱分析结果拟合

通过对元素实际光谱峰值和测量峰值的对比分析，最终确定采用偏最小二乘法[4]作为光谱分析的优化函数，通过对测量结果最小误差平方和分析来找到两个关联波动点之间最佳的过渡曲线，将光谱分析结果转换为元素含量分析，实现对光谱测量结果的直观判定，以钛元素为例，其光谱分析拟合结果如图3所示，图中r2表示拟合后的数据曲线。

由此可知，采用光谱拟合后，能够显著提升光谱分析对煤炭内元素和元素含量判断的准确性，根据实际测试，采用光谱分析方法后，对相同样本的检测时间由最初的120 min降低到目前的12 min，测试时间比优化前降低了90%，而且能够准确地判断样本内各类元素的含量，对提升煤化工企业的煤质分析精确性和效率具有十分重要的意义。

图3 光谱拟合结果示意图

4 结论

针对目前煤质分析采用人工化学检测方法所存在的检测周期长、检测结果偏差大的现状，提出了一种基于光谱分析的自动煤质分析技术，根据实际分析表明：

1) 光谱分析是利用激光元素分析仪发出定功率的激光光束，射到检测物体上后激发出游离的等离子基团和发光光谱，通过对光谱的分析即可获取样本中的离子类别。

2) 偏最小二乘法修正，能够显著提升光谱分析结果的准确性，用于指导实际生产。

3) 用光谱分析方法后，对相同样本的检测时间比优化前降低了90%，而且能够准确地判断样本内各类元素的含量，对提升煤化工企业的煤质分析精确性和效率具有十分重要的意义。