應用激光誘導擊穿光譜進行煤質(zhì)測量的機理研究.pdf

1、煤的元素組成是鍋爐熱力計算和燃燒調(diào)整等諸多方面都必不可少的依據(jù)之一。傳統(tǒng)的煤質(zhì)分析方法通常是進行離線測量，不能及時提供入爐煤質(zhì)的分析數(shù)據(jù)，無法滿足鍋爐燃燒調(diào)整和事故分析的需要，具有很大的局限性。因此，有必要發(fā)展新技術以實現(xiàn)煤質(zhì)的快速檢測。激光誘導擊穿光譜（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS）是一種新的元素分析技術，具有快速、多元素同時測量等優(yōu)點，因而能夠?qū)⑵鋺糜诿嘿|(zhì)分析，以開發(fā)一種新

2、型的煤質(zhì)分析技術。本文采用理論分析和實驗研究相結合的方法開展研究，為該技術應用于煤質(zhì)分析提供實驗基礎和理論依據(jù)。
　　 本文分析了激光誘導擊穿光譜技術在燃煤領域應用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并總結了煤樣LIBS研究的一些關鍵性問題：煤樣等離子體的產(chǎn)生和演化機制十分重要；煤中待測的主要元素共有十幾種，多元素同時測量存在困難；C、H和O等元素很難激發(fā)和電離，但這些元素的定標和定量分析至關重要。這些內(nèi)容均與激光誘導擊穿光譜技術在煤質(zhì)測量上的實

3、際應用密切相關。本文是針對這些關鍵性問題開展了一系列研究，其主要內(nèi)容如下：
　　 搭建了一套LIBS煤質(zhì)檢測實驗系統(tǒng)。選用典型的神華煤為對象，通過對連續(xù)背景譜線和原子譜線C I 247.9nm時間演化過程的分析，探討了煤樣等離子體從產(chǎn)生到湮滅過程各階段中譜線的形成機制。將煤樣和金屬銅的等離子體演化過程進行比較，討論了煤樣揮發(fā)分對等離子體的影響。該研究為開發(fā)LIBS煤質(zhì)分析儀提供了實驗平臺和理論基礎。
　　 分析了元素激發(fā)

4、、電離特性對等離子體的影響，并對不同譜線的時間演化過程開展一系列實驗研究，從中選擇了合適的延遲時間和采樣門寬進行煤樣的多元素同時測量。通過改變激光能量、透鏡焦平面位置和光譜平均次數(shù)等相關參數(shù)對煤樣進行實驗，分析它們對譜線強度及其重復性的影響。在此基礎上確定了較優(yōu)的技術參數(shù)，并選擇這些參數(shù)對四種不同產(chǎn)地的煤樣開展了驗證性實驗，結果表明譜線較明顯且重復性較好。這些研究為LIBS煤質(zhì)分析儀的開發(fā)提供了實驗依據(jù)和技術參數(shù)。
　　 煤中C

5、、H和O元素與煤的燃燒狀況密切相關，但通過分析得知它們的譜線靈敏度低且定標曲線的效果較差。針對這些問題，本文選用原子譜線SiI 288.2nm作為內(nèi)標譜線，對譜線C I 247.9nm、H I 656.3nm和O I 777.4nm建立內(nèi)標曲線，得到了較好的定標結果。此外，為了避免環(huán)境大氣對煤中O元素測量的干擾，本文采用直吹氬氣的方法，結果表明氬氣環(huán)境對O元素不存在干擾且能夠增大煤中元素譜線的強度，并發(fā)現(xiàn)氬氣環(huán)境下C、H和O元素的定標結

6、果比大氣環(huán)境下C、H和O元素的定標結果有所改善。這些研究為煤中C、H和O元素的測量提供了合適的定標方案。
　　 對煤中元素進行定量分析是LIBS技術應用于燃煤領域的最終目的。對目前常用的定量分析方法進行了歸納。采用定標曲線法對煤中的次量元素進行了定量分析，結果表明測量的準確度較高。采用內(nèi)標法對煤中的C、H和O元素進行了定量分析，分析結果具有了一定的準確度。采用內(nèi)標法對煤灰中未燃碳進行了研究，結果表明該技術應用于煤灰中含碳量的測量