元素分析技術在煤質分析中的實踐

張麗婷

（山西地寶能源有限公司 山西 太原 030045）

以往在煤質分析中，大多選擇人工采樣結合化學檢驗的方式，具有一定滯后性，且人工誤差比較大。同時，目前市場中大部分檢測儀表均有反射性，存在安全隱患，管理難度大。而激光元素分析技術是一種非接觸式的檢測分析技術，測量速度快，可對PPM含量元素成分進行有效測量，并可科學分析煤炭中的Ti、Na、K、Ca、Fe等元素，經計算得出工業指標，為生產方案的制定提供可靠參考，促進生產效率提升。

1 測定方法介紹

我國是能源開采和能源消耗大國，尤其煤礦開采及消耗量在世界中位于前列，雖然近年來國家持續調整煤炭消耗結構，但煤炭產能利用率始終不能顯著提升，基本保持在79%左右的水平，因此國家及相關領域越來越重視煤炭工業指標分析，并積極推進者煤質分析技術發展。在煤質檢測中，元素分析可為煤能量轉換效率分析提供基礎數據，還可指導電廠鍋爐燃燒空氣量、煙氣排量、煙氣成分等參數制定，促使工作人員合理選擇爐膛送風量，盡量減少風機電耗以及排煙熱損失。

本文研究中所用的激光元素分析儀，主要運用了激光誘導擊穿光譜分析技術（LIBS），該技術優勢突出，目前在氣體、液體以及固體等樣品檢測中廣泛應用，可對多種金屬及非金屬元素實現定性與定量分析。該技術在應用中，主要利用光學鏡片和激光器共同形成聚焦光路，由此使激光全部聚焦于目標測量物料表面，隨后高能脈沖激光會于物料表面出現溫度超6 000 ℃的燒灼，而在物料表面物質逐漸燒灼期間，物料元素原子的外部電子將出現能級躍遷，并有等離子體出現，在激光作用逐漸消減過程中，躍遷電子也會同步退激，并出現發光光譜[1]。隨后著重對發光光譜進行分析，并進行科學計算，可定量獲得物質特征元素含量。圖1為激光元素分析技術工作原理圖。

圖1 激光元素分析技術工作原理圖

2 試驗檢測過程

2.1 試驗檢測原料

從某煤炭生產基地購入基礎礦樣，包括精煤、高灰分煤，之后按照不同比例分別制作試樣。因為基礎礦樣粒度比較大，而要得到均勻性優良的試樣，并保證化學分析結果高度精準，先以人工方式均勻混合現場的礦樣，之后借助破碎機對現場礦石進行破碎處理，使其粒徑保持在0.1 mm，后以人工方式將礦石破碎縮分為6 mm，并均勻分5個小組[2]。表1為5組配置后樣品的分析檢測數據。

表1 樣品部分成分含量檢測數據 %

2.2 選擇工作參數

在煤質分析中，激光元素分析儀工作參數設定可見表2。

表2 工作參數

2.3 確定檢測方法

每組培養中選取7 g，之后壓制成圓形樣片（直徑5 cm），每個樣片上按照4×4的標準取點陣，共檢測16個點，并且每個點位的測量次數是50次，每檢測1次都可得到一組光譜數據。由于樣品表面均有一定雜質，為避免這些雜質干擾檢測結果，前20次檢測所得數據視作無效數據，只對后40次檢測中所得數據進行計算[3]。單份樣品均會得出640組有效數據，先計算得出目標檢測元素的峰數據均值，之后將相關數據帶入到數學模型當中展開計算，最后獲得相應元素含量值。

在碳氫元素測定中同步使用三節爐法，具體是選取定量煤樣，于氧氣流當中完全燃燒，其中的碳元素、氫元素經過燃燒會生成水、二氧化碳，之后利用吸水劑、二氧化碳吸收劑分別吸收其中的水及二氧化碳，結合吸收劑增量對煤中碳元素及氫元素質量分數進行計算。由于煤樣測定中，硫及氯會對碳的測定產生一定干擾，測定期間可通過銀絲卷、鉻酸鉛進行消除，對于氮對碳測定產生的干擾，主要通過粒裝二氧化錳加以消除。在測定期間，注意先進行空白試驗，而后進行煤樣測定，且第一節爐溫度保持在840～860 ℃區間，第二節爐溫度保持在790～810 ℃區間，第三節爐溫度保持在590～610 ℃區間。

在氮元素測定中，同步使用開氏法，具體是選取定量煤樣，基于混合催化劑，通過濃H2SO4加以消除，由此使煤樣中的氮絕大部分都轉成硫酸氫銨，后向其中加入過量混合堿溶液，經加熱蒸餾處理，促進氨排出，之后通過硼酸吸收后，以H2SO4滴定，結合滴定中H2SO4用量，對當量濃度進行計算，經至少5次標定后取平均值，進而對硫酸滴定液濃度進行計算。

2.4 數據處理

對煤炭樣品成分進行激光檢測過程中，會在激光的激發作用影響下，使樣品的表面有等自離體出現，并由此形成燒灼坑，并且燒灼面積超過0.8 mm2，在激光次數不斷增加過程中，深度也會同步持續延伸，不過深度在高于激光焦點之后，會因激光能量逐步下降而使延伸距離不斷縮減[4]。在此過程中會有光譜產生，但相關光譜的穩定性不佳，且重復性比較低，在光譜處理中要先對大量譜線進行平均處理和預處理，之后才能獲得代表性突出的譜線。

在所得的光譜圖當中，不僅有對應顯著的多個元素峰，還有大量基體輻射譜線，出現此現象主要是因為受到激光影響而激發物質等離子體光譜期間，會有基體效應影響存在，根源是激光激發期間，由于元素類型不同，所形成的等離子體會在時間與空間方面存在激發差異，并且在電子層數不同情況下，其所保持的差異化激發強度、激發能力均會引起基體效應。此外，不同元素相互之間也會在激發當中產生一定干擾，如會出現黑體輻射、二次激發等情形。雖有研究提出解譜算法當中有方法可對主要元素相關基體效應影響加以去除，不過研究內容有待深入。測量煤質元素成分期間，結合相關測量結果，可發現煤炭中的煤質灰分主要包含Ca、Fe、Al、Si等成分，所以為提出更準確的灰分指標，需要重點測量這些元素，并保證測量結果的準確。Na、K屬于堿金屬成分，在鍋爐燃燒期間，這些成分可能會使鍋爐受到一定損傷。

2.5 測量結果

在測量分析中，將偏最小二乘法確定為測量算法，此方法屬于數學優化算法，主要是先得出數據點極小誤差平方和，之后借助擬合方法在一次線性方程當中尋找一組數據最佳函數。擬合中選擇偏最小二乘法，可獲得數據相關性r2。

通過分析基于偏最小二乘法得出的擬合結果，可發現一次線性擬合得出的結果不能對采樣點實現全覆蓋，所以會有一定偏差。所以，需要選擇折線方程擬合，具體可在元素含量計算過程中選擇多元線性回歸方程，在光譜當中選擇代表元素有關的多個譜線，由于代表元素其不同的峰位之間有一定關聯性，在此基礎上針對多項自變量構建擬合方程，進而挑選最優組合，進而對因變量進行估計或預測，之后得出相關性r2具體的優化結果。

3 技術分析

煤質測量中應用激光元素分析技術，可有效測量不同元素，測量結果具有較高準確性和精度，特別是在測量Ti、Na以及K等微量元素中優勢突出。分析方法選擇聯合應用偏最小二乘法及多元擬合算法，可獲得較準確的偏差與相關性分析結果。同時和傳統的三節爐法以及開氏法相比，C、H、N元素測定結果基本一致，證明此方法測定結果具有良好的準確性，但操作更加便捷。

基于激光元素分析技術的激光元素分析儀在實踐應用中，可有效解決當前企業生產及運行中難以有效指導生產穩定性的缺陷和不足，綜合應用分析結果，可明顯節約人力消耗，合理降低誤差，幫助企業提升經濟效益，并有助于優化生產工藝，把控燃料品質，由此有效降低燃料成本，避免煤質大幅波動，在此基礎上促進生產自動化改進和發展，加大污染物排放控制力度，使企業生產過程中加強精細化管理。

4 結束語

激光元素分析技術應用在煤質分析中優勢突出，檢測分析迅速，屬于非接觸式應用技術，檢測分析結果具有良好的準確性和精確度，可有效指導裝車站配煤、精細化分類堆放等工作，保證優質煤產量。為充分發揮該技術的優勢，需要相關技術人員充分掌握技術應用原理，把握技術應用要點，在實踐操作中規范、嚴謹，保證分析結果準確，促進煤質分析水平不斷提升。