Interpretation of T/CBWA 0028-2024， Rapid testing method of coal performance index-Laser induced breakdown spectroscopy

CHEN Xiaoxuan1.2.3.4 LI Ting13.4 LI Zhichun1.2 XIAO Wei1.3.4 HUANG Wenhao1.3.4 LU Weiye1.3.4* （1.Guangdong Instituteof Special Equipment InspectionandResearch ShundeBranch;2.SchoolofElectric Power Enginering，South China UniversityofTechnology;3.National IndustrialBoilerQualityInspectionandTestingCenter Guangdong;4.National Center for CarbonMetrology，Guangdong）

Abstract：TheassociationstandardT/CBWAoo28-2O24，Rapidtestingmethodofcoalperformanceindex—Lasernduced breakdownspectroscopy，wasoffcialleleasedonOctober29，2024.Thispaperprovidesadetailedinterpretationof the standard，coveringitsbackgroundandsignificance，developmentprinciples，maintechnicalcontent，andapplication status.Itaims tohelprelevantpersonnel tobeterunderstand thestandardamongrelevantstakeholders，therebypromoting its widespreadadoption.Thestandard isdesigned toregulatecriticalinks inthermal power enterprises，includingcoal sampling，coalqualitytesting，anddataverification，toenhance themanagementeficiencyandeconomicperformanceof theseenterprises，support thecleanandeffcientutilizationoffosilenergyresources，and improve thestandards system for coal quality testing in the thermal power industry.

Keywords：coal; rapid testing; laser induced breakdown spectroscopy; carbon emission

0 引言

T/CBWA0028—2024《燃煤性能指標(biāo)快速檢驗(yàn)方法激光誘導(dǎo)擊穿光譜法》（以下簡稱《燃煤激光快速檢驗(yàn)法》）于2024年10月29日正式發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)的提出與制定，是積極貫徹落實(shí)國家碳達(dá)峰碳中和綠色發(fā)展戰(zhàn)略以及煤電低碳轉(zhuǎn)型要求的關(guān)鍵舉措，旨在為企業(yè)采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜法（Laserinduced breakdownspectroscopy，簡稱LIBS）開展燃煤性能指標(biāo)快速檢驗(yàn)工作提供指導(dǎo)。本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)條文，深人剖析了采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜法進(jìn)行燃煤性能指標(biāo)快速檢驗(yàn)的主要技術(shù)要求，著重闡明標(biāo)準(zhǔn)的理解要點(diǎn)與應(yīng)用關(guān)鍵，為相關(guān)企業(yè)及從業(yè)人員提供清晰的實(shí)踐指引，進(jìn)而推動該標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)有效和廣泛的實(shí)施，推動能源行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型升級。

1標(biāo)準(zhǔn)制定的背景和意義

我國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施對能源的高效低污利用提出了更高的要求[]，當(dāng)前以煤電為主的能源格局仍將持續(xù)較長時間[2]。2024年我國能源消費(fèi)總量為59.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭消費(fèi)占比高達(dá)54%^[3] ，由此產(chǎn)生的溫室氣體排放量巨大。要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，準(zhǔn)確計算與核查用煤企業(yè)的溫室氣體排放是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[4]。碳平衡法作為目前國際認(rèn)可的碳排放監(jiān)測方法之一[5]，其碳排放量計算結(jié)果主要取決于煤質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的煤質(zhì)檢測主要基于化學(xué)分析方法，然而，該方法存在檢測周期較長、人為影響因素高等局限性，難以滿足用煤企業(yè)對實(shí)時掌握碳數(shù)據(jù)的迫切需求。因此，發(fā)展一種能夠快速獲取煤質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法具有重要意義。

近年來，激光誘導(dǎo)擊穿光譜法受到廣泛關(guān)注，GB/T38257—2019《激光誘導(dǎo)擊穿光譜法》對激光誘導(dǎo)擊穿光譜法的基本原理、試驗(yàn)條件、設(shè)備及裝置、樣品處理、試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理等流程進(jìn)行了規(guī)范。在煤質(zhì)分析應(yīng)用方面，國內(nèi)外的多項研究均驗(yàn)證了該方法在檢測煤元素含量及工業(yè)分析等方面的可行性[7-9]，但尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此本標(biāo)準(zhǔn)基于煤質(zhì)快速檢測的迫切需求，提出一種將激光誘導(dǎo)擊穿光譜法應(yīng)用于煤質(zhì)快速檢測的方法。該方法可全面涵蓋煤質(zhì)檢測要求的主要元素（碳、氫、氮、全硫元素含量）及工業(yè)指標(biāo)（灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量）全范圍，有助于進(jìn)一步完善煤質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)體系。

2標(biāo)準(zhǔn)的編制原則

2.1規(guī)范性原則

《燃煤激光快速檢驗(yàn)法》根據(jù)《中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化法》及其《實(shí)施細(xì)則》，以及GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》進(jìn)行編制。

2.2適用性原則

本標(biāo)準(zhǔn)適用于燃煤中碳、氫、氮、全硫元素含量以及灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量等煤質(zhì)指標(biāo)的快速檢測。

2.3可行性原則

本標(biāo)準(zhǔn)制定以《碳排放核查與監(jiān)測服務(wù)平臺建設(shè)及相關(guān)技術(shù)研究》《燃料端碳排放數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究及平臺開發(fā)》等科研項目系列成果作為基礎(chǔ)。目前上述科研項目均已取得階段性成果，研發(fā)了激光誘導(dǎo)擊穿光譜煤質(zhì)快速分析設(shè)備，且在多個燃煤發(fā)電企業(yè)建立了應(yīng)用試點(diǎn)，該試點(diǎn)已經(jīng)連續(xù)無故障運(yùn)行超過2年，具有較高的可行性。

3 標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容

《燃煤激光快速檢驗(yàn)法》的整體結(jié)構(gòu)按照一般的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)編排，內(nèi)容主要包括范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、原理、試驗(yàn)條件、儀器、樣品采

集制備、定標(biāo)模型的建立與驗(yàn)證、樣品測定、結(jié)果報告、方法重復(fù)性、方法準(zhǔn)確度，共12章。

3.1激光誘導(dǎo)擊穿光譜煤質(zhì)快速分析儀的原理

本章節(jié)對采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃煤性能指標(biāo)快速檢驗(yàn)的原理進(jìn)行了概述。激光器發(fā)出的脈沖激光聚焦至煤樣表面并燒蝕樣品產(chǎn)生等離子體，等離子體的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)由探測器采集；根據(jù)煤樣光譜數(shù)據(jù)與煤質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系建立線性或非線性關(guān)系，建立多個煤樣的定標(biāo)模型，即可實(shí)現(xiàn)對煤的碳、氫、氮、全硫元素含量以及灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量的快速定量分析。

3.2試驗(yàn)條件

本章節(jié)規(guī)范了激光誘導(dǎo)擊穿光譜燃煤性能指標(biāo)快速檢驗(yàn)的試驗(yàn)條件。按照測試或應(yīng)用的要求，在進(jìn)行煤樣元素含量或特性指標(biāo)定量分析時，應(yīng)注明環(huán)境的具體參數(shù)（氣氛、壓力、溫度、濕度等）及變化范圍。儀器應(yīng)避免放置在振動、高粉塵、強(qiáng)氣流、酸堿等腐蝕及強(qiáng)電磁場的環(huán)境。保持儀器供電電壓、頻率穩(wěn)定，接地良好。試驗(yàn)人員應(yīng)嚴(yán)格按照GB7247.1—2024的要求做好激光安全防護(hù)。

3.3儀器

本章節(jié)規(guī)范了儀器的構(gòu)成及使用方法，激光誘導(dǎo)擊穿光譜煤質(zhì)快速分析儀應(yīng)由進(jìn)樣系統(tǒng)、激光器、光譜儀、光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構(gòu)成，用于在煤樣上激發(fā)等離子體、探測等離子體譜線信號，加以分析處理并獲得煤樣各測試指標(biāo)的集成光學(xué)分析儀器。

進(jìn)樣系統(tǒng)用于將待測樣品輸送至激光聚焦區(qū)域，能夠保證樣品處于可持續(xù)激發(fā)位置。激光器采用脈沖寬度1ns量級的固體激光器，聚焦在煤樣表面的超短脈沖激光能夠迅速燒蝕樣品表面并激發(fā)出等離子體，激光能量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不大于 5% 。

光譜儀的波長測量范圍和分辨率應(yīng)滿足對C、H、O、N、 Mg 、Si、Ca、Al、Na和K等元素特征譜線識別的需求。宜采用標(biāo)準(zhǔn)光源對光譜儀進(jìn)行光強(qiáng)校準(zhǔn)。

光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)同時具有將激光器發(fā)出的激光聚焦至樣品表面以及將等離子體輻射光耦合進(jìn)光譜儀的功能。光學(xué)聚焦元件的尺寸應(yīng)大于激光器光斑直徑，所有聚焦元件對應(yīng)激光波長的透過率應(yīng)不低于 95% ，聚焦后激光功率應(yīng)能夠激發(fā)出樣品的等離子體。

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光器和光譜儀的時序控制，對光譜儀信號采集的延遲時間、門寬、積分時間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，激光器實(shí)際產(chǎn)生激光與光譜儀采集之間的時間控制誤差宜控制在1ns以內(nèi)。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等離子體光譜數(shù)據(jù)的收集、存儲、處理，以及進(jìn)行煤樣元素含量和特性指標(biāo)的定量分析。

3.4定標(biāo)模型的建立與驗(yàn)證

本章節(jié)規(guī)范了反映樣品激光誘導(dǎo)擊穿光譜與煤質(zhì)分析指標(biāo)之間關(guān)系的定標(biāo)模型的建立與驗(yàn)證方法和要求。定標(biāo)模型可采用單變量定標(biāo)、多變量定標(biāo)等方法進(jìn)行建立，將預(yù)處理后的光譜輸入定標(biāo)模型，計算出待分析指標(biāo)的測定值。

使用驗(yàn)證樣品集驗(yàn)證定標(biāo)模型的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，應(yīng)用建好的定標(biāo)模型進(jìn)行檢測，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法測定其標(biāo)準(zhǔn)測定值，激光誘導(dǎo)擊穿光譜法與標(biāo)準(zhǔn)方法的測定結(jié)果之差應(yīng)滿足表1的要求，

3.5樣品測定

本章節(jié)規(guī)范了樣品測定的流程。首先用戶開機(jī)預(yù)熱，將測量系統(tǒng)通電，確認(rèn)各軟硬件處于正常工作狀態(tài)。檢測前宜將儀器預(yù)熱，以確保激光器、光譜儀等達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)行儀器設(shè)置，測定樣品時，試驗(yàn)條件和激光誘導(dǎo)擊穿光譜煤質(zhì)快速分析儀的參數(shù)設(shè)置應(yīng)當(dāng)與測定定標(biāo)樣品集、驗(yàn)證樣品集時保持一致。上機(jī)測試，當(dāng)儀器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，準(zhǔn)備上機(jī)測試，將制備的煤樣置于進(jìn)樣系統(tǒng)中，進(jìn)行測試分析。

4 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用情況

該標(biāo)準(zhǔn)適用于基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜法（LIBS）的燃煤性能指標(biāo)快速檢測。目前，標(biāo)準(zhǔn)起草單位已開發(fā)了基于LIBS技術(shù)的煤質(zhì)快速分析設(shè)備，并在數(shù)家火力發(fā)電企業(yè)中得到應(yīng)用，主要用于燃煤熱值和含碳量的快速檢測。結(jié)果表明，該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施顯著提升了煤質(zhì)參數(shù)的檢測效率與準(zhǔn)確性，為碳排放數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與核查提供了可靠依據(jù)，有效支持了企業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型，具有廣泛的應(yīng)用前景。

5結(jié)語

《燃煤性能指標(biāo)快速檢驗(yàn)方法激光誘導(dǎo)擊穿光譜法》標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施，填補(bǔ)了我國在燃煤性能指標(biāo)快速檢驗(yàn)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)空白，為火力發(fā)電企業(yè)實(shí)現(xiàn)燃煤性能指標(biāo)的高效、準(zhǔn)確檢測提供了科學(xué)、系統(tǒng)的方法論。通過激光誘導(dǎo)擊穿光譜法，企業(yè)能夠快速獲取煤質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)，如碳、氫、氮、全硫元素含量以及灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量等，從而提高能源利用效率，降低污染物排放，為實(shí)現(xiàn)火電行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。通過宣貫、實(shí)施本標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效規(guī)范火力發(fā)電企業(yè)煤樣采制、煤質(zhì)檢測、數(shù)據(jù)核驗(yàn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提高火電企業(yè)的相關(guān)管理水平和經(jīng)濟(jì)效益，助力化石能源清潔高效開發(fā)利用，完善火電行業(yè)煤質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)體系。

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（責(zé)任編輯：馬磊）