基于太赫兹时域光谱的煤粉点燃敏感性参数分析及评价方法

发布时间：2020-08-26 10:16

【摘要】：煤粉作为燃料或化工原料具有节能高效、清洁环保等优势,是实现煤炭能源高效、清洁利用的主要形式。煤粉的点燃敏感性关系到煤粉利用设备运行的安全性和经济性,研究煤粉的点燃敏感性对工业生产和科研实践中具有重要的意义。传统的煤粉点燃敏感性分析技术已经难以满足现代工业中快速分析要求。利用光谱技术进行煤粉相关参数的分析是一种新型的检测方法,但该技术是一种间接分析方法,分析结果的准确性主要取决于光谱数据和选用的数学模型。因此针对煤粉光谱数据易受散射影响、维数高、特征不明显等问题,研究光谱数据的散射校正、数据降维、特征提取以及构建定量分析模型十分有必要。太赫兹时域光谱是一种新型光谱技术,由于该频段内包含了物质分子的振动和旋转特征信息,而这些信息与物质的物理、化学和结构有关,因此太赫兹时域光谱技术在物质分子、化学组分以及宏观结构检测领域都有着广泛的应用前景。本文以太赫兹时域光谱技术为检测方法对煤粉的平均粒径、煤质和点燃敏感性做了定性和定量分析研究,主要研究工作及成果如下:(1)针对煤粉-HDPE粉末复合物样品压片在太赫兹时域光谱测量过程中因散射产生光谱扭曲的问题,提出了煤粉太赫兹本征吸收谱的提取模型,在此基础上对比了两种有效场近似理论(Effective field Approximation,EFA)和准晶体近似理论(Quasi-Crystalline Approximation,QCA)对煤粉-HDPE压片太赫兹消光谱散射校正的适用性。实验结果表明QCA结合Waterman-Truell EFA理论具有较好的散射校正效果,为不同粒度煤粉的太赫兹光谱定量分析提供了一种有效的散射校正方法。(2)针对传统煤粉细度检测方法取样过程复杂,容易造成煤粉二次破碎,且存在样品检测浓度低等问题,提出了一种基于太赫兹时域光谱信号混沌特性的煤粉平均粒径检测方法。应用混沌非线性动力系统时间序列的概念分析太赫兹时域光谱信号,提取了太赫兹时域信号的混沌特征。基于混沌特征与煤粉平均粒径存在的定性关系,利用支持向量机(SVM)建立了混沌特征与煤粉平均粒径之间的数学定量模型,并分别采用引力搜索算法(GSA)和PSO算法对SVM的参数进行寻优,实验结果表明了混沌特征变量结合GSA-SVM对煤粉平均粒径的预测具有较高的准确性和收敛速度,并采用未知平均粒径的煤样对模型进行了验证,取得了较为准确的检测结果。(3)针对煤粉太赫兹时域光谱高维数,信息冗余的问题,提出了一种基于流形学习算法结合最小二乘支持向量机(LSSVM)的煤粉灰分、挥发分、发热量和含碳量的定量分析方法。利用主成分分析(PCA)、高斯过程潜变量模型(GPLVM)、随机临近嵌入(SNE)和最大方差展开(MVU)四种流形学习算法提取了不同煤质太赫兹光谱的特征变量作为LSSVM建模的输入变量,采用自适应混沌粒子群算法(ACPSO)对LSSVM的参数进行寻优。实验结果表明,SNE结合ACPSO-LSSVM算法具有较高的预测相关系数和较低的均方根误差,基于太赫兹时域光谱技术可实现煤质的定量分析。(4)针对煤粉点燃敏感性定量分析的问题,提出了煤粉太赫兹时域光谱信号混沌特征和频域流形学习算法相结合,构建不同煤质和平均粒度煤粉点燃敏感性定量分析模型的方法。通过热重分析法确定了不同煤质和平均粒径对煤粉点燃敏感性的影响。利用太赫兹时域光谱系统测量了煤样的时域信号和消光谱,采用太赫兹时域信号的混沌特征和SNE流形学习算法提取的煤样消光谱特征值共同组成了煤粉点燃敏感性特征变量,并通过ACPSO-LSSVM和GSA-SVM构建了特征变量与煤粉点燃敏感性之间的数学模型。实验表明,GSA-SVM算法具有良好的建模性能,利用太赫兹时域混沌特征和流形学习提取特征相结合的方法能够准确的分辨煤质和粒径对煤粉点燃敏感性造成的影响。本文利用太赫兹时域光谱技术结合光谱学、煤化学以及机器学习等多门学科的知识对煤粉点燃敏感性相关参数进行了分析,并在此基础上进行了煤粉点燃敏感性定量分析模型的构建。研究成果丰富了太赫兹光谱数据处理和回归预测模型的相关理论,并可有效提高煤粉点燃敏感性相关参数分析的准确性,弥补了传统煤粉点燃敏感性定量分析方法的不足,对太赫兹时域光谱技术在煤粉点燃敏感性分析和评价方法应用具有重要的理论意义和应用价值。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ533
【图文】：

太赫兹,时域光谱,实物,原理图

TeraKit-TDS 光谱仪扫描时间范围 60ps，频率范围 1~12T产生与探测采用 DSTMS 有机非线性晶体实现，仪器可以产太赫兹脉冲。激光（975nm）锁相放大器飞秒激光（1560nm）M1M2M3M4M6M5M8M7M1P1P2时延模块分光镜PM2计算机红外滤光片样品太赫兹发生器太赫兹探测器探测光泵浦光控制器光电传感器PM1(a)(b)

照片,样品架,设计图,实物

蒸气和其他气体杂质以及其他电磁波对 THz 脉冲的影响，仪器将太赫兹光路（图2-6(a)中虚线框内）用铝合金罩密封接地并充入高纯氮气。图2-7 样品架 (a) 设计图 (b) 实物照片Figure 2-7 sample holder (a) scheme (b) physical map为了避免更换样品过程破坏干燥的氮气环境，本文在实验中重新设计样品托盘，并通过 Makerbot Z18 3D 打印机制成实体，可以一次性测量 9 种样品而不需要开启暗盒。如图 2-7 所示，该样品托盘为了配合仪器样品池托架，尺寸为宽55mm 高 60mm 厚 3mm，以 3 3 的形式分布有 9 个直径 13.5mm 的沉孔样品槽，其中沉孔内径 13.2mm，厚度 1.5mm。在制备样品时

煤粉样,压片机,模具,煤样

2 太赫兹光谱技术与实验条件110℃干燥除去煤样中的内在水分。干燥步骤如下：（1）通过电子天平的初始重量 M1；（2）干燥 24 小时后取出煤样进行称量得到 M2。那么的相对偏离可表示为：1 2D1100%M MRM 重复步骤（1）和（2）直到 RD小于 0.1%。（3）将煤样遮光密封保在压片和测量过程中尽可能缩短暴露在空气中的时间以减少空气中水影响。煤粉样品的制样过程中采用化学分析纯高密度聚乙烯粉末作为稀粉与高密度聚乙烯粉末按照一定质量比例均匀混合放入压片模具中，再机施加一定压力（视样品成型情况来确定）使混合物形成具有一定厚以便用于太赫兹时域光谱设备的测量。压片机与模具如图 2-8 所示。

【参考文献】