水分测定煤炭工业论文提纲

2022-11-15

论文题目：激光诱导击穿光谱技术在火电厂煤炭与石油焦在线检测中的应用研究

摘要：目前,煤炭仍是中国一次性能源的主要来源。对于火电厂,煤炭和石油焦均可作为燃料用于电力生产。煤质的复杂多样、石油焦的高污染特性,直接影响着电厂锅炉运行的安全性和经济性。煤炭和石油焦在生产过程中实时检测技术的缺乏,严重制约着相关产业安全化、智能化的发展。由于传统实验室检测方法的滞后性,亟需新的技术以实现煤炭、石油焦的快速检测。激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）是光谱分析领域中一种新的分析工具。LIBS使用脉冲激光器激发样品表面生成等离子体,然后利用光谱分析设备从等离子体发光中提取原子、离子和分子的光谱信息,用于定性和定量分析。LIBS的优点包括全元素分析、快速实时检测、较低的检测限、样品预处理简单等,因此在工业在线分析领域拥有巨大优势和前景。本文基于LIBS技术,采用理论分析、实验研究与工程应用相结合的方式对煤炭、石油焦开展研究。针对重要定量检测参数如煤炭工业分析指标、煤炭熔融特性、煤炭与石油焦的元素含量等进行深入分析,为LIBS技术用于相关产业的实时测量提供实验基础与理论依据。具体研究内容如下:1.搭建了应用于电厂的煤炭与石油焦在线检测系统。选用国家标准煤样、山东华电公司不同火电厂的煤样作为煤质检测研究对象,选用山东智谷碳素研究院的标准石油焦样品作为石油焦检测研究对象,设计LIBS在线检测的实验装置,并通过光谱分析与等离子体图像分析方式优化了制样压力、激光器能量、聚焦位置、采集延迟时间等实验参数。分别使用背景光谱去除、光谱归一化、基线去除、异常光谱筛选、特征波长洛伦兹拟合对LIBS光谱进行预处理,减少实际工程应用中LIBS光谱不稳定性带来的影响,提高定量检测精度。2.运用基体匹配的方法对煤炭样品进行回归建模预测,提高了煤炭灰分、挥发份和热值的定量分析精度。针对由于煤炭复杂的物理化学性质,不同种类煤的LIBS光谱受到基体效应的影响显著不同。通过经过遗传算法参数优化的支持向量机分类方式对不同种类的煤炭进行基体匹配,将101组煤样根据灰分含量分为三类,然后利用偏最小二乘回归法对不同类型的煤建立不同的回归模型。运用此方法,煤炭训练集和测试集的挥发分含量决定系数分别由0.9269和0.9310提高到0.9959和0.9888。煤炭挥发分的交叉验证均方根误差（Root-mean-square Error of Cross-Validation,RMSECV）和预测均方根误差（Root-mean-square Error of Prediction,RMSEP）也分别从 1.9940%和 1.8320%降低到0.4989%和0.7719%。这种基于煤质灰分基体匹配的LIBS检测方式同时提高了灰分与热值的定量检测精度。3.煤灰熔融特性的预测和结渣特性的测定对火电厂的运行具有重要意义。传统方法通过加热煤灰灰锥的方式来测量煤灰熔融温度需要较长时间。在煤炭灰熔点与金属元素含量相关的基础上,利用LIBS技术直接从煤炭而不是从煤灰中预测煤的四个灰熔点。具体是在煤样空干基状态下的灰分、挥发分、固定碳和水分已知的前提下,将这四个参数作为广义光谱添加到灰熔点预测模型中。通过灰熔点临界点1500℃运用四种方法（支持向量机、神经网络、随机森林、偏最小二乘判别）进行分类,再将小于1500℃的煤样进行支持向量回归建模。通过这种方法,煤炭的软化温度与半球温度的预测集决定系数为0.9958 和 0.9856,训练集RMSECV 分别为 4.88℃和 9.11℃,RMSEP 分别为8.15℃和11.3℃。另外还定性分析了煤的灰熔点随特定元素含量（或比值）变化的关系趋势。通过LIBS对煤样直接进行灰熔点预测,提高了工作效率,可用于火电厂实际生产过程中的实时指导。4.首次采用LIBS对石油焦进行了检测,重点分析了石油焦中的钒（V）、铁（Fe）、镍（Ni）等微量元素的含量。虽然LIBS石油焦的元素定量检测精度与原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）有一定差距,但具有测量环境污染小、无试剂消耗、测定速度快等优点。结合NIST数据库与石油焦LIBS光谱,对V、Fe、Ni元素的原子和离子谱线进行特征选择,再利用支持向量机回归（Support Vector Regression,SVR）建模并预测三种元素含量,得到V、Fe、Ni含量的RMSEP分别达到36.4mg/kg,36.04mg/kg和14.94 mg/kg。其中特征选择过程为循环选择自变量用SVR方法进行建模,根据拟合结果和真值计算出的均方根误差（Root-mean-square Error,RMSE）来确定特征波长的权重,再由权重的结果排序得到选择结果。由上述方法对石油焦中V和Ni的预测结果接近ASTMD6376-10标准中波长色散X射线荧光光谱法（WD-XRF）规定的准确度（32mg/kg和14mg/kg）。验证了 LIBS用于石油焦行业的微量元素检测的可行性,为石油焦作为燃料、碳素制品生产过程中的检测提供理论与应用基础。综上所述,本论文基于LIBS技术对火电厂的煤炭与石油焦的定量检测进行了系统研究。研究了基体匹配的煤炭工业分析参数与热值;利用煤炭熔融特性与元素含量的关系,预测了煤炭四个灰熔点;利用全谱建模、特征选择方法对煤炭主量元素、石油焦微量元素定量检测进行优化,提高预测精度。上述研究已经应用于火电厂煤炭质量的在线分析,并将有力推动LIBS技术在工矿领域的发展和应用。

关键词：激光诱导击穿光谱技术;光谱分析;煤质在线检测;煤炭工业分析;煤炭熔融特性检测;石油焦定量检测;机器学习

学科专业：光学工程

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论

§1.1 引言

§1.2 激光诱导击穿光谱技术

1.2.1 技术原理

1.2.2 研究现状

§1.3 煤炭与石油焦定量检测技术

1.3.1 煤炭定量检测技术

1.3.2 石油焦定量检测技术