激光诱导击穿光谱技术对于煤中有机元素的测量研究

发布时间：2020-10-24 12:14

　　 中国煤种分布广泛且性质差异较大,使得以煤为主要燃料的电站常需更换煤种或使用混煤,影响锅炉的安全稳定运行。因此,亟需实现对煤质的在线快速分析,其中最重要的是实现对有机元素(C、H、O、N、S)的测量。煤中C、H、O、S的含量决定了煤的热值,而N、S含量与锅炉的污染物排放密切相关。传统的煤质分析技术操作复杂且十分费时,而激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术作为一种新型原子发射光谱分析技术,能实现多元素快速同时检测,在煤质测量领域有巨大的应用潜力。但由于煤的基体效应和有机元素的难电离特性给测量带来了困难,提高LIBS对煤中有机元素测量的准确性成为关键的研究问题。本文针对应用LIBS技术同时测量煤中有机元素的问题,首先进行了多元素同时测量的参数优化研究。以C元素为例,分析了激光波长对等离子体时间演化特性、谱线时间特性及能量特性的影响,结果表明:C元素谱线在使用532nm激光时具有最佳特性。在此基础上,优化选择了其它实验参数:激光能量10～70 mJ/pulse、延迟时间0.8μs、激光聚焦点位置-2mm、制样压力30t。基于上述优化参数,本文进一步选择了 15种不同煤样,利用LIBS测量结果对煤中有机元素进行了定标,由于煤基体组成复杂,且等离子体状态参数在测量过程中存在较大波动,传统的单条谱线定标方法效果较差。根据等离子体中谱线强度的理论公式,本文发展了 一种基于局部光谱归一化和等离子体温度补偿的光谱修正方法,并利用偏最小二乘法(partial least squares,PLS)建立了定标模型。经修正后的各有机元素PLS定标效果得到了显著改善,定标曲线的R2值均在0.9左右。在此基础上,基于有机元素的LIBS测量结果,利用热值计算经验公式给出了煤的热值测量结果,测量均方误差为1.716MJ/kg,平均相对误差6.89%,验证了 LIBS技术用于煤质测量的可行性,为实现煤发热量的快速在线检测提供了依据。本文发展的基于数据修正法的PLS定标方法可以有效提高有机元素定标模型精度,而对于H、O、N、S等在煤中含量较少的元素,如果能通过适当手段增强其谱线强度,则有希望降低定标难度。微波增强LIBS是新近发展起来的信号增强技术,本文将其应用到煤质测量中,考察了外加微波场的功率变化对有机元素的谱线增益和等离子体温度的影响,探讨了外加微波场时谱线强度随激光能量的变化规律,验证了微波增强LIBS用于煤质测量的可行性。尽管微波增强LIBS在一定程度上增强了煤中有机元素的谱线强度,但效果尚不明显,这说明需要进一步优化实验参数和实验设置,以获得更好的信号增强效果。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN249
【部分图文】：

图１．１激光与固体样品表面的相互作用过程??（１）样品的等离子化??

当等离子体达到最大电离状态时，等离子体不再吸收激光能量并开始冷却。??冷却过程中，等离子体中处于高能激发态的粒子开始向低能级跃迁，并释放出特??征谱线。跃迁过程如图１．２所示：??▲??Ａ－ｎｎ?ｉｓｌ??ｔ?Ｉ?Ａ苎??？Ｅ?＊５??－?？?■?＂？????把—：?？离化?Ｋ??Ｓｔ???—ｈ????Ｖ??遂??仁ｉ???Ａ?余??Ｉ???＾?基态??图１．２能级跃迁示意图??由图１．２可以看出，处于激发态的粒子可能处于连续区或分立能级区，因??此能级跃迁过程中释放的谱线有三种：??韧致辐射：连续区到连续区的跃迁，释放的光谱为连续谱线，？??复合辐射：连续区到分立能级区的跃迁，释放的光谱为连续谱线；??６??

（Ｂｅａｍｔｅｃｈ）固体激光器。??（１）?ＰＲＯ－２５０－１０Ｈ固体激光器??ＰＲＯ－２５０－１０Ｈ激光器由美国ＳｐｅｃｔｒａＰｈｙｓｉｃｓ公司生产，其外形图如图２．１所??不。??１２??
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本文编号：2854449