應(yīng)用激光誘導(dǎo)擊穿光譜進(jìn)行煤質(zhì)測量的機(jī)理研究.pdf

1、煤的元素組成是鍋爐熱力計(jì)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(jìn)行離線測量，不能及時(shí)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(shù)以實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)的快速檢測。激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS）是一種新的元素分析技術(shù)，具有快速、多元素同時(shí)測量等優(yōu)點(diǎn)，因而能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于煤質(zhì)分析，以開發(fā)一種新

2、型的煤質(zhì)分析技術(shù)。本文采用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法開展研究，為該技術(shù)應(yīng)用于煤質(zhì)分析提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。
　　 本文分析了激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在燃煤領(lǐng)域應(yīng)用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并總結(jié)了煤樣LIBS研究的一些關(guān)鍵性問題：煤樣等離子體的產(chǎn)生和演化機(jī)制十分重要；煤中待測的主要元素共有十幾種，多元素同時(shí)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(biāo)和定量分析至關(guān)重要。這些內(nèi)容均與激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在煤質(zhì)測量上的實(shí)

3、際應(yīng)用密切相關(guān)。本文是針對這些關(guān)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jī)制。將煤樣和金屬銅的等離子體演化過程進(jìn)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(shí)驗(yàn)平臺和理論基礎(chǔ)。
　　 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(shí)間演化過程開展一系列實(shí)驗(yàn)研究，從中選擇了合適的延遲時(shí)間和采樣門寬進(jìn)行煤樣的多元素同時(shí)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(guān)參數(shù)對煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析它們對譜線強(qiáng)度及其重復(fù)性的影響。在此基礎(chǔ)上確定了較優(yōu)的技術(shù)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(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明譜線較明顯且重復(fù)性較好。這些研究為LIBS煤質(zhì)分析儀的開發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。
　　 煤中C

5、、H和O元素與煤的燃燒狀況密切相關(guān)，但通過分析得知它們的譜線靈敏度低且定標(biāo)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(biāo)譜線，對譜線C I 247.9nm、H I 656.3nm和O I 777.4nm建立內(nèi)標(biāo)曲線，得到了較好的定標(biāo)結(jié)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(jié)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(qiáng)度，并發(fā)現(xiàn)氬氣環(huán)境下C、H和O元素的定標(biāo)結(jié)

6、果比大氣環(huán)境下C、H和O元素的定標(biāo)結(jié)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(biāo)方案。
　　 對煤中元素進(jìn)行定量分析是LIBS技術(shù)應(yīng)用于燃煤領(lǐng)域的最終目的。對目前常用的定量分析方法進(jìn)行了歸納。采用定標(biāo)曲線法對煤中的次量元素進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明測量的準(zhǔn)確度較高。采用內(nèi)標(biāo)法對煤中的C、H和O元素進(jìn)行了定量分析，分析結(jié)果具有了一定的準(zhǔn)確度。采用內(nèi)標(biāo)法對煤灰中未燃碳進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該技術(shù)應(yīng)用于煤灰中含碳量的測量