基于LIBS的锅炉一次风煤粉成分检测研究

摘要

煤炭是我国火力发电应用最多的一次能源，对于煤炭配比的优化可以有效的提高燃煤效率，煤质特性分析是提高燃烧效率及降低煤耗的重要手段。现有的煤质特性分析技术多采用传统的离线分析方式，其检测周期长、效率低，难以实现实时在线指导炉膛燃烧的作用。激光诱导击穿技术（LIBS）具有多元素同时测量、适用对象范围广、分析速度快等优点，可以应用于煤粉成分在线检测中。本文针对LIBS目前常用的煤粉压片式检测存在实时性不足、不能真实反映入炉煤的特性等问题，开展了煤粉颗粒流在线检测研究。本文的主要研究内容如下。 首先，在全面了解LIBS技术的国内外研究现状的基础上，将LIBS应用于电厂一次风管道煤粉成分检测中，搭建煤粉颗粒流检测平台，检测平台主要由输送煤粉系统、激光诱发系统、收光检测系统组成。实验平台中的煤粉流速由PWM调速控制模块控制螺旋给煤机实现，激光对煤粉流进行激发，煤粉被激产生的激发光谱由光谱仪采集，将这些数据用于对煤粉元素成份及浓度的分析。 其次，由于煤粉颗粒基体效应导致谱线峰值衰减而影响检测精度。本文研究中，建立补偿煤粉颗粒流中主量元素光谱强度波动的方法，通过与压片煤粉检测方式相比，计算出不同性质样品的等离子体温度及电子密度，用来补偿煤粉颗粒流中物理特性波动。利用C2，CN分子谱线对C元素检测进行光强补偿，同时，校正煤中主量元素谱线峰值的衰减量，提高煤中主量元素光强利用率。 最后，在对煤中主量元素的定量分析的研究中，将偏最小二乘法（PLS）非线性多谱线主导因素法引入到煤粉颗粒流主量元素检测的建模与分析中，该方法能有效解决自吸收效应、互干扰效应以及等离子体参数波动等主导因素造成的残差过大问题。通过与传统定标检测法对比，PLS拟合非线性多变量主导因素模型对于煤粉颗粒流的检测具有很好的预测能力，对于主量元素的定标与预测曲线的拟合优度均有提高，样品计算平均相对误差降低，各项指标均呈现良好的趋势。 研究结果表明，本文搭建的LIBS检测平台能够实现一次风管道煤粉浓度检测功能的模拟，消除煤中主量元素的基体效应，结合PLS非线性多谱线主导因素可实现对煤粉流中主量元素浓度的预测功能，为基于LIBS煤粉颗粒流检测技术应用于电厂中煤质检测提供了理论基础。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2.1 技术原理

1.2.2 等离子体形成过程及性质

1.2.3 LIBS技术特点

1.3 国内外研究现状

1.3.1 煤粉成分检测方法

1.3.2 LIBS在煤质分析领域的国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 LIBS煤粉颗粒流的实验平台搭建

2.1.1 激光器

2.1.2 光纤光谱仪

2.1.3 其他附件

2.2 LIBS检测实验系统设计

2.3 实验过程

2.3.1 实验样品配置

2.3.2 实验过程及说明

2.4 实验数据采集

2.4.1 煤粉颗粒流的光谱数据采集

2.4.2 异常数据处理

2.5 本章小结

第3章 光谱数据的预处理及分析

3.1 常见光谱预处理方法

3.2 归一化强度法对数据的预处理

3.3 平均次数法光谱数据优化

3.3.1 绝对值强度对N值的选取

3.3.2 归一化强度对N值的选取

3.3.3 平均次数优化分析

3.4 本章小结

第4章 煤粉颗粒流基体效应光强校正

4.1 基体特性对LIBS煤粉颗粒流检测的影响分析

4.1.1 基体对颗粒流的等离子体形成影响分析

4.1.2 基体对等离子体光谱发射的影响分析

4.1.3 LIBS测量煤中碳含量的基体效应影响因素

4.2 校正光谱谱线强度

4.2.1 等离子体温度波动的校正

4.2.2 电子密度波动的校正

4.2.3 其他成分对C元素的影响及校正

4.3 本章小结

第5章 煤粉中主量元素检测与分析

5.1 主导因素模型

5.1.1 PLS的理论基础

5.1.2 基于PLS的非线性多变量主导因素模型

5.1.3 模型评价指标

5.2 煤中C元素检测研究

5.2.1 比较模型数据分析

5.2.2 应用模型C元素数据分析

5.3 煤中H元素检测研究

5.3.1 比较模型数据分析

5.3.2 应用模型H元素数据分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢