邊 疆

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司官地選煤廠，山西 太原 030022）

0 引言

煤炭是一種典型的混合物，由多種元素所組成，不同元素的含量對(duì)于煤炭質(zhì)量的影響頗為顯著，顯然，對(duì)煤炭中的元素進(jìn)行準(zhǔn)確分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，選取最為適宜的元素分析技術(shù)則至關(guān)重要。通過(guò)有效的元素分析技術(shù)，能夠針對(duì)煤炭中的多種元素進(jìn)行準(zhǔn)確分析，進(jìn)而確定煤炭的主要工業(yè)指標(biāo)，以此有效指導(dǎo)生產(chǎn)，助力提高工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)原理與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

為提升元素分析的準(zhǔn)確性，在本次研究中，采用激光元誘導(dǎo)擊穿光譜分析技術(shù)（LIBS）對(duì)煤中的主要元素進(jìn)行分析，取代傳統(tǒng)的化學(xué)分析模式。相對(duì)而言，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)較為突出，目前也有著較廣的應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中，其主要依托于激光元素分析儀進(jìn)行，該設(shè)備的基本原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 激光元素分析儀基本工作原理示意圖

如圖1 所示，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先激光器發(fā)射激光束，該激光束能量較高，能夠在局部節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生超過(guò)6 000 ℃的高溫，使該節(jié)點(diǎn)處的物料受到高溫?zé)?，物料原子隨之產(chǎn)生能級(jí)躍遷，產(chǎn)生一定量的等離子體。而后隨著激光束強(qiáng)度的減弱，物料原子中的躍遷電子又將失去能量回到基態(tài)，因而發(fā)出特定的光譜，光纖經(jīng)由回收光路到達(dá)光譜儀中，在光譜儀對(duì)光信號(hào)分析處理后，信號(hào)將傳輸至控制器和上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)特征元素含量的準(zhǔn)確計(jì)算[3]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)材料采購(gòu)自某大型煤炭企業(yè)，包括精煤和高灰分煤等類(lèi)型，而后按照不同比例進(jìn)行試樣制作。試樣制作過(guò)程中，首先對(duì)各種材料進(jìn)行充分混合，而后使用破碎機(jī)將混合物處理為粒徑在0.1 mm 左右的粉體材料，并將其均勻等分為五組待用。

而后對(duì)激光元素分析儀工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的工作參數(shù)如表1 所示。

表1 激光元素分析儀工作參數(shù)

2 主要實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品檢測(cè)流程

在確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，從已選定的五份樣品中，每份各取7 g，壓制成直徑為5 cm 的圓形樣片，在樣片上取4×4 的點(diǎn)陣，共計(jì)16 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)點(diǎn)檢測(cè)60 次。在每次檢測(cè)中，均取一組完整的光譜數(shù)據(jù)。同時(shí)，考慮到樣品表面存在一定的雜質(zhì)干擾因素，因此在檢測(cè)過(guò)程中，前20 次檢測(cè)數(shù)據(jù)不采用，僅采用后40 次的檢測(cè)數(shù)據(jù)。由此，每份樣品可獲得640 組有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行運(yùn)算后，即可得到對(duì)應(yīng)的元素含量如表2 所示。

表2 樣品主要元素類(lèi)型及含量

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于激光分析過(guò)程中，樣品表面燒蝕坑的面積和深度會(huì)不斷增大，進(jìn)而影響到激光能量和延伸距離，因此，受到以上情況的影響，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試得到的光譜在穩(wěn)定性上存在一定不足。本次實(shí)驗(yàn)所取得的原始譜線如圖2 所示。

圖2 原始光譜圖

結(jié)合圖2 并查閱元素波長(zhǎng)對(duì)照關(guān)系表后得知，光譜圖與本次測(cè)定的主要元素基本明顯對(duì)應(yīng)，但在此基礎(chǔ)上，還存在大量的基體輻射譜線。造成這種情況的主要原因是激光激發(fā)物質(zhì)等離子體光譜過(guò)程中，受到基體效應(yīng)影響而產(chǎn)生。同時(shí)，各種元素的原子之間也存在相互干擾，發(fā)生二次激發(fā)或黑體輻射等情況，造成光譜圖的穩(wěn)定性較低。針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)引入解譜算法即可得到有效解決[4]。

另一方面，根據(jù)表2 的元素測(cè)量結(jié)果可知，煤炭中的主要元素除C 外，Si、Al、Fe 和Ca 元素是煤質(zhì)灰分的重要成分，針對(duì)以上四種元素的測(cè)定結(jié)果是判斷灰分指標(biāo)的關(guān)鍵。除此之外，煤炭中含有的少量K、Na等堿金屬元素則容易在燃燒過(guò)程中對(duì)鍋爐產(chǎn)生損傷，同樣應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確檢驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分析

基于上文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步深入分析。在本環(huán)節(jié)的深入分析模式下，主要分析各種元素的標(biāo)準(zhǔn)含量與檢測(cè)含量之間的關(guān)系，以前者為橫坐標(biāo)，后者為縱坐標(biāo)，使用偏最小二乘法作為測(cè)量算法進(jìn)行測(cè)量。在應(yīng)用這種測(cè)量算法時(shí)，首先利用擬合方法，找出一次線性方程中某組數(shù)據(jù)的最優(yōu)函數(shù)。而后采用偏最小二乘法進(jìn)行擬合，得到數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

按照上述方法對(duì)元素?cái)M合結(jié)果的相關(guān)性進(jìn)行分析后得知，原始數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果存在明顯波動(dòng)，其中Si 元素的原始擬合結(jié)果最差，相關(guān)系數(shù)為0.552，K 元素的原始擬合效果相對(duì)最優(yōu)，相關(guān)系數(shù)為0.990，其他元素的擬合相關(guān)系數(shù)多位于0.6～0.8 之間，整體擬合效果不盡如人意。從實(shí)際情況來(lái)看，本次采用的一次線性擬合結(jié)果對(duì)部分采樣點(diǎn)無(wú)法做到較為精準(zhǔn)的覆蓋，造成了偏差的產(chǎn)生。

為規(guī)避上述問(wèn)題，研究人員引入多元線性回歸的方法，對(duì)元素含量重新進(jìn)行擬合計(jì)算，并從光譜資料中，選擇代表元素的多個(gè)特征譜線，與譜線所對(duì)應(yīng)的多個(gè)發(fā)射峰進(jìn)行逐一對(duì)應(yīng)，以此建立多個(gè)自變量的擬合方程，而后應(yīng)用偏最小二乘法進(jìn)行擬合分析，分析完成后，選擇其中的最優(yōu)組合進(jìn)行因變量的預(yù)測(cè)，最終得到優(yōu)化后的相關(guān)系數(shù)[5]。整體來(lái)看，修正后的擬合曲線類(lèi)似于折線統(tǒng)計(jì)圖形狀，在相關(guān)系數(shù)上也得到了顯著優(yōu)化，其對(duì)比分析結(jié)果如表3 所示。

表3 樣品中主要元素的擬合結(jié)果系數(shù)對(duì)比

從表3 的數(shù)據(jù)可知，在對(duì)擬合算法進(jìn)行優(yōu)化后，能夠得到較好的相關(guān)性和偏差，證明本次建立的分析方法有望在后續(xù)的煤炭元素分析工作中得到逐步應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

在本次研究中，采用激光元素分析儀對(duì)煤質(zhì)分析中的元素分析技術(shù)流程進(jìn)行了探討，并對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作進(jìn)行了初步討論，以此初步建立起一種基于激光元素分析技術(shù)的煤質(zhì)元素分析方法。從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該方法具有一定的準(zhǔn)確性，能夠?qū)γ禾抠Y源的質(zhì)量進(jìn)行較好把控，以規(guī)避低質(zhì)量煤炭材料的大量應(yīng)用，這對(duì)于控制污染物排放和提高精細(xì)化管理水平而言均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。