元素分析技术在煤质分析中的实践

张丽婷

（山西地宝能源有限公司 山西 太原 030045）

以往在煤质分析中，大多选择人工采样结合化学检验的方式，具有一定滞后性，且人工误差比较大。同时，目前市场中大部分检测仪表均有反射性，存在安全隐患，管理难度大。而激光元素分析技术是一种非接触式的检测分析技术，测量速度快，可对PPM含量元素成分进行有效测量，并可科学分析煤炭中的Ti、Na、K、Ca、Fe等元素，经计算得出工业指标，为生产方案的制定提供可靠参考，促进生产效率提升。

1 测定方法介绍

我国是能源开采和能源消耗大国，尤其煤矿开采及消耗量在世界中位于前列，虽然近年来国家持续调整煤炭消耗结构，但煤炭产能利用率始终不能显著提升，基本保持在79%左右的水平，因此国家及相关领域越来越重视煤炭工业指标分析，并积极推进者煤质分析技术发展。在煤质检测中，元素分析可为煤能量转换效率分析提供基础数据，还可指导电厂锅炉燃烧空气量、烟气排量、烟气成分等参数制定，促使工作人员合理选择炉膛送风量，尽量减少风机电耗以及排烟热损失。

本文研究中所用的激光元素分析仪，主要运用了激光诱导击穿光谱分析技术（LIBS），该技术优势突出，目前在气体、液体以及固体等样品检测中广泛应用，可对多种金属及非金属元素实现定性与定量分析。该技术在应用中，主要利用光学镜片和激光器共同形成聚焦光路，由此使激光全部聚焦于目标测量物料表面，随后高能脉冲激光会于物料表面出现温度超6 000 ℃的烧灼，而在物料表面物质逐渐烧灼期间，物料元素原子的外部电子将出现能级跃迁，并有等离子体出现，在激光作用逐渐消减过程中，跃迁电子也会同步退激，并出现发光光谱[1]。随后着重对发光光谱进行分析，并进行科学计算，可定量获得物质特征元素含量。图1为激光元素分析技术工作原理图。

图1 激光元素分析技术工作原理图

2 试验检测过程

2.1 试验检测原料

从某煤炭生产基地购入基础矿样，包括精煤、高灰分煤，之后按照不同比例分别制作试样。因为基础矿样粒度比较大，而要得到均匀性优良的试样，并保证化学分析结果高度精准，先以人工方式均匀混合现场的矿样，之后借助破碎机对现场矿石进行破碎处理，使其粒径保持在0.1 mm，后以人工方式将矿石破碎缩分为6 mm，并均匀分5个小组[2]。表1为5组配置后样品的分析检测数据。

表1 样品部分成分含量检测数据 %

2.2 选择工作参数

在煤质分析中，激光元素分析仪工作参数设定可见表2。

表2 工作参数

2.3 确定检测方法

每组培养中选取7 g，之后压制成圆形样片（直径5 cm），每个样片上按照4×4的标准取点阵，共检测16个点，并且每个点位的测量次数是50次，每检测1次都可得到一组光谱数据。由于样品表面均有一定杂质，为避免这些杂质干扰检测结果，前20次检测所得数据视作无效数据，只对后40次检测中所得数据进行计算[3]。单份样品均会得出640组有效数据，先计算得出目标检测元素的峰数据均值，之后将相关数据带入到数学模型当中展开计算，最后获得相应元素含量值。

在碳氢元素测定中同步使用三节炉法，具体是选取定量煤样，于氧气流当中完全燃烧，其中的碳元素、氢元素经过燃烧会生成水、二氧化碳，之后利用吸水剂、二氧化碳吸收剂分别吸收其中的水及二氧化碳，结合吸收剂增量对煤中碳元素及氢元素质量分数进行计算。由于煤样测定中，硫及氯会对碳的测定产生一定干扰，测定期间可通过银丝卷、铬酸铅进行消除，对于氮对碳测定产生的干扰，主要通过粒装二氧化锰加以消除。在测定期间，注意先进行空白试验，而后进行煤样测定，且第一节炉温度保持在840～860 ℃区间，第二节炉温度保持在790～810 ℃区间，第三节炉温度保持在590～610 ℃区间。

在氮元素测定中，同步使用开氏法，具体是选取定量煤样，基于混合催化剂，通过浓H2SO4加以消除，由此使煤样中的氮绝大部分都转成硫酸氢铵，后向其中加入过量混合碱溶液，经加热蒸馏处理，促进氨排出，之后通过硼酸吸收后，以H2SO4滴定，结合滴定中H2SO4用量，对当量浓度进行计算，经至少5次标定后取平均值，进而对硫酸滴定液浓度进行计算。

2.4 数据处理

对煤炭样品成分进行激光检测过程中，会在激光的激发作用影响下，使样品的表面有等自离体出现，并由此形成烧灼坑，并且烧灼面积超过0.8 mm2，在激光次数不断增加过程中，深度也会同步持续延伸，不过深度在高于激光焦点之后，会因激光能量逐步下降而使延伸距离不断缩减[4]。在此过程中会有光谱产生，但相关光谱的稳定性不佳，且重复性比较低，在光谱处理中要先对大量谱线进行平均处理和预处理，之后才能获得代表性突出的谱线。

在所得的光谱图当中，不仅有对应显著的多个元素峰，还有大量基体辐射谱线，出现此现象主要是因为受到激光影响而激发物质等离子体光谱期间，会有基体效应影响存在，根源是激光激发期间，由于元素类型不同，所形成的等离子体会在时间与空间方面存在激发差异，并且在电子层数不同情况下，其所保持的差异化激发强度、激发能力均会引起基体效应。此外，不同元素相互之间也会在激发当中产生一定干扰，如会出现黑体辐射、二次激发等情形。虽有研究提出解谱算法当中有方法可对主要元素相关基体效应影响加以去除，不过研究内容有待深入。测量煤质元素成分期间，结合相关测量结果，可发现煤炭中的煤质灰分主要包含Ca、Fe、Al、Si等成分，所以为提出更准确的灰分指标，需要重点测量这些元素，并保证测量结果的准确。Na、K属于碱金属成分，在锅炉燃烧期间，这些成分可能会使锅炉受到一定损伤。

2.5 测量结果

在测量分析中，将偏最小二乘法确定为测量算法，此方法属于数学优化算法，主要是先得出数据点极小误差平方和，之后借助拟合方法在一次线性方程当中寻找一组数据最佳函数。拟合中选择偏最小二乘法，可获得数据相关性r2。

通过分析基于偏最小二乘法得出的拟合结果，可发现一次线性拟合得出的结果不能对采样点实现全覆盖，所以会有一定偏差。所以，需要选择折线方程拟合，具体可在元素含量计算过程中选择多元线性回归方程，在光谱当中选择代表元素有关的多个谱线，由于代表元素其不同的峰位之间有一定关联性，在此基础上针对多项自变量构建拟合方程，进而挑选最优组合，进而对因变量进行估计或预测，之后得出相关性r2具体的优化结果。

3 技术分析

煤质测量中应用激光元素分析技术，可有效测量不同元素，测量结果具有较高准确性和精度，特别是在测量Ti、Na以及K等微量元素中优势突出。分析方法选择联合应用偏最小二乘法及多元拟合算法，可获得较准确的偏差与相关性分析结果。同时和传统的三节炉法以及开氏法相比，C、H、N元素测定结果基本一致，证明此方法测定结果具有良好的准确性，但操作更加便捷。

基于激光元素分析技术的激光元素分析仪在实践应用中，可有效解决当前企业生产及运行中难以有效指导生产稳定性的缺陷和不足，综合应用分析结果，可明显节约人力消耗，合理降低误差，帮助企业提升经济效益，并有助于优化生产工艺，把控燃料品质，由此有效降低燃料成本，避免煤质大幅波动，在此基础上促进生产自动化改进和发展，加大污染物排放控制力度，使企业生产过程中加强精细化管理。

4 结束语

激光元素分析技术应用在煤质分析中优势突出，检测分析迅速，属于非接触式应用技术，检测分析结果具有良好的准确性和精确度，可有效指导装车站配煤、精细化分类堆放等工作，保证优质煤产量。为充分发挥该技术的优势，需要相关技术人员充分掌握技术应用原理，把握技术应用要点，在实践操作中规范、严谨，保证分析结果准确，促进煤质分析水平不断提升。