基于光谱特征的灰分快速检测方法研究

摘要

灰分是衡量煤炭优劣的重要指标之一，根据灰分这个指标，也能实现煤炭的合理利用。快速准确地煤炭灰分检测是每个选煤厂面临的至关重要的问题。传统的灰分检测方法工序繁琐，分析周期过长，而大部分实时灰分检测方法存在不同程度放射性物质、成本昂贵等问题。本文利用光谱检测仪器，以光谱学和色度学为基础，探究煤炭灰分与反射光谱和色度三刺激值两个光谱特征之间的影响规律，并试图建立一种快速、安全的煤炭灰分检测方法。主要内容包括以下几个方面： 设计单因素试验探究煤炭灰分对反射光谱和三刺激值的影响规律，最终得出随煤炭灰分增加，反射光谱和三刺激值均增加的规律，为后续研究奠定了基础。 制备-0.075mm，-0.25mm 和-0.5mm 三个粒度级不同灰分的煤样，采集光谱信息，探究煤炭粒度对反射光谱和三刺激值的影响。得出灰分相同时，波长在780~1000nm之间反射光谱随粒度的减小而升高，三刺激值X值、Y值、Z值与粒度的大小没有明显关系。在粒度为-0.25mm时，平均反射率与灰分的线性相关性最大，三刺激值X值、Y值、Z值与灰分的线性相关性最大。因此，在后续研究中都采用粒度为-0.25mm粒度级煤样进行试验。 运用X射线衍射仪（XRD）对煤样的矿物组成进行了分析，运用X射线荧光光谱仪（XRF）对煤样的元素组分进行了分析，运用 K 值法结合煤样的元素组成对矸石煤样进行了矿物质的定量分析。 选取石英、高岭石、白云石、黄铁矿四种无机矿物质配制煤样，探究单一无机矿物质对反射光谱和三刺激值的影响。研究表明，对于每种矿物质配煤，随矿物质比例的增加，平均反射率和三刺激值均有不同程度的增加，且矿物质种类不同，平均反射率和三刺激值增加的趋势也有差异，其中，石英、高岭石、白云石三种矿物质配煤增加的趋势基本相同，黄铁矿配煤中，平均反射率和三刺激值增加的最小。 对100个不同灰分煤样采集反射光谱和三刺激值，选取其中85个作为校正集，采用偏最小二乘法建立基于反射光谱的灰分检测模型，剩下的15个作为预测集检验模型的预测精度。然后运用数据平滑和MSC多元散射校正对光谱数据进行预处理，优化灰分检测模型，得出对原始数据进行 25 点平滑和 MSC 多元散射校正后的回归模型效果最优。用同样的方法建立基于三刺激值的煤炭灰分检测模型和基于反射光谱和三刺激值的煤炭灰分检测模型，得出基于三刺激值的煤炭灰分检测模型的效果最优，相关系数达到了0.945，RMSEC和RMSEP的值分别为4.9503、5.0453。基于反射光谱的回归模型的效果最差，两种方法结合建立的模型处于中间的效果。

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