激光诱导击穿光谱分析法在煤质分析中的应用研究

杨松渊

（霍州煤电集团李雅庄矿选煤厂，山西 霍州 031400）

1 工作原理分析

激光诱导击穿光谱分析法（LIES）的工作原理：采用高能量激光光源在试样表面形成高强度激光光斑，激发样品发光，对发光进行光谱检测可得到元素含量。采用激光诱导击穿光谱分析法实现元素含量检测的工作原理如图1。

图1 激光元素分析工作原理

2 试验原料

检测试样取自霍州煤电集团李雅庄矿选煤厂，该试样主要是由高灰分煤和精煤构成，按相应比例进行配置而成。采用人工和机械混合方法对煤样进行混匀，并逐步破碎，直至达到规定的粒度。取6组试样送检，检测主要元素含量，得到煤炭试样元素成分，见表1 数据。

表1 煤炭试样元素成分分析结果（%）

3 检测方法分析

3.1 工作参数

试验采用Niton Apollo 手持激光诱导击穿光谱（LIBS）分析仪。该设备激光器能量范围为 150～350 MJ，设备发射激光波长1064 nm，设备检测范围180～850 nm，设备工作频率1～2 Hz，测量时间4～10 min。

3.2 检测方法

从6 组试样中，各取试样6 g，制片为d=5 cm的圆形样片，取4×4 点阵共16 个点进行检测，共检测60 次。排除干扰数据后，对后40 次光谱检测数据计算各元素含量。

3.3 数据处理

在检测试验中，激光在激发煤炭样品时，煤样表面会被激光烧蚀有一定烧蚀坑，面积在1 mm2左右。由于每次烧蚀坑的面积不同，检测结果会有一定的差别，因此数据会有一定的波动，数据重复性差，一般要对检测数据进行有效的数据处理后才可得到较理想的检测结果。在本次煤质元素成分检测试验中可知煤炭样品中灰分主要成分是Si、Al、Fe、Ca 等元素，因此对元素成分的准确检测决定着煤炭灰分等指标。

4 测量结果

当前激光诱导击穿光谱分析法对测量数据算法主要采用偏最小二乘法（PLS）进行拟合，可得数据相关性R2。从偏最小二乘法拟合结果可知，该一次线性拟合结果无法有效地覆盖全部采样点，存在偏差较为严重，因此必须寻找更为合理的数据处理方式。

针对数据处理存在的不足，考虑采用一种“折线”方程拟合。从光谱中挑选相应的代表元素的多个谱线，利用多元线性回归计算元素含量，建立多个自变量的拟合方程，选择最优组合来预测，得到相关性R2的优化结果，如图2～图5。

图2 样品Ti 元素拟合结果图

图3 样品Fe 元素拟合结果图

图4 样品Ca 元素拟合结果图

图5 样品Al 元素拟合结果图

结果可知，对检测数据采用多元线性回归拟合处理得到的样品元素含量与通过标准检测所得到的样品元素含量基本一致，处理结果可完全覆盖采样点。采用激光诱导击穿光谱分析法及采用多元线性回归拟合对数据进行处理，可准确地检测到煤样的不同元素含量，为煤质分析的准确性提供了保障。

5 结论

（1）激光诱导击穿光谱分析法精度和准确性高，可以针对煤样的不同元素进行针对性测试，测量K、Na、Ti 等微量元素准确性高。在进行检测数据处理时，采用偏最小二乘法与多元拟合算法进行结合使用，可得较好的相关性和偏差。

（2）激光诱导击穿光谱分析法应用于煤矿企业中煤质的分析，有效提高了煤质分析的准确性和 时效性，并提高了煤质分析的自动化程度。

（3）李雅庄矿选煤厂煤质科采用激光诱导击穿光谱分析法进行煤质在线分析后，有效解决了因无法实时检测煤质而导致的生产过程的不稳定性问题。该检测方式的应用，自动化程度高，减少了人工岗位，提高了检测精度，有效降低检测误差。