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1、第 1 9卷第 6期 2 0 0 3年 l 1 月 电站系统工程 P o we r Sy s t e m En g i n e e r i n g 、，0 1 1 9 NO 6 No v ，2 0 0 3 文章编号：1 0 0 5 0 0 6 X(2 0 0 3)0 6 0 0 1 9 0 2 应用近红外光谱方法在线测定煤中水分 李凤瑞 1,3 肖宝兰 唐玉国 许思传(1 中国科 学院长春光学精密机械与物理研究所，2 士林大学，3 士林省电力科学研 究院)摘 要：应用近红外光谱方法进行煤质在线分析工作的研究，主要进行煤中水分的测定。阅读了多个光谱图，采用多元回归方法对数 据进行了分析和处理，得
2、 出回归模型。模型的预测值和人工化验标准值之 间的相关系数在 0 9 7，模型的定标标准差为 0 5。关键 词：近 红外 光谱；煤 质；在线 分 析：水 分 中图分类号：T K3 9 文献标识码：A Ap p l i c a t i o n o f NI R S pe c t r a M e t h o d a t on-l i ne An a l y s i s O f M o i s t u r e i n Co a l LI Fe n g-r u i，XI AO Ba o-l a n，TANG Y_u-g uo,XU S i-c h ua n Ab s t r a c t：功 e r e
3、 s e a r c h wo r k,o n l i n e a n a l y s i s o f e q u a l i t y o f C O al。i s c a r rie d ou t Me a s u rin g e mo i s t u r e i n C O al i s an e s s e n ti al pa r t o f t h e wh o l e wo r k Re a d i ng ma n y s p e c t r a,an aly z i n g an d d e ali n g wi t l l d a t a an d g e t t i n g
4、the mu l ti-l ine ar reg r e s s i o n i t c o n c l u d e s ma t the mo i s t u r e in C O al C an b e me a s u r e d t h r o u g h me me tho d o f NI R s p ect r a an d me rel e v an c e c o e f fic i e n t i s 0 9 7，the s t a n d ard d e v i a ti o n i s 0 5 Ke y wo r d s：N s p ect r u m；C O al q
5、 u a l i t y；o n 1 i n e an aly s i s；mo i s t u r e l 煤质在线 分析的必要 性和迫切性 火电厂燃煤煤质多变，如果调整不及时，就会严重影响 电厂的安全经济运行。其中燃煤水分不仅影响锅炉燃烧效 率，增加运输和处理煤量，还可能造成重大故障。据报道，对容量为 1 0 0 0 MW 的火电厂来说，煤中水分每增加 1，估计每年将损失 1 0 0万美元，而且，如果煤中水分已经超过 规定范围却没有及时测出，就可能使燃烧过程产生意想不到 的变化，从而造成事故和附加损失。所以对电厂燃煤煤质水 分进行在线监测具有很重要 的意义。传统的煤质分析均采用人工采样制样
6、，再对样品进行实 验室仪器分析，此过程分析速度慢，一批煤样 的分析周期约 为 6 8 h，大多数电厂当天的煤样第二天才能出报告，远远 不能满足锅炉燃烧调整、事故分析的需要。由于测试手段的 限制，使得实际需要与测试数据报出时间滞后的矛盾越来越 突出。因此，研究如何实现煤质 的快速在线检测非常必要，本文着重于煤 中水分测定模型的建立。2 采用近红外 光谱 方法进行煤质 在线分析 的原 理 近红外是指波长在 7 8 0 2 5 2 6 a m范围内的光线，当近 红外线照射到要分析的物体上时，由于组成物体的化学键不 同，会产生某些特征波长的吸收，吸收度 的多少与成分含量 的大小有密切关系，由于 固体对
7、近红外波长的吸收较弱，因 此适用于漫反射技术，根据其漫反射光谱就可以分析物体成 分。近红外具有 以下特点：收稿 日期：2 0 0 2 1 2 2 8 李 1(1 9 7 3 一)，男，博士。长春市，1 3 0 0 2 1 (1)可在非破坏(无需采制样)和非接触的条件下进行 分析。(2)可对许多煤质参数(水分、灰分、挥发分、发热量 等)同时进行分析。(3)分析响应迅速。(4)安全性能好。(5)抗干扰能力强。(6)因为煤的漫反射信号很弱，故对探测器要求较高。(7)当水与试样共 同存在时，中红外一般受水的影响较 大，而近红外 的优点是可以避开水 的影响而对光谱进行观 测，可以省略对水的预处理，所以近
8、红外测水有着必然的优 势。多年来 国内外许多光谱试验室对近红外光谱仪器的开 发应用做了大量的工作，成功地将近红外分析技术应用于医 学领域、农产品和石油产品分析等方面。作者的研究 目的是 探索将该技术应用于煤在线分析的可行性。对某些标准煤样 的近红外线光谱进行 了阅读分析，期望从煤质 的漫反射光谱 上，得到煤质 的特征波长，通过对煤质 特征波长的吸光度分 析可以得到煤质分析结果。3 采用近红外光谱 方法测定煤 中水分 煤 的工业分析是实验室煤质分析化验的主要内容。煤的 工业分析又称煤 的技术分析或实用分析，包括水分、灰分、挥发分产率以及固定碳等 4个项 目，用做评价煤质的基本依 据。根据煤的水分
9、和灰分产率的测定结果，可以大致 了解煤 中有机质或可燃物的百分含量，所 以测定煤中水分成为煤质 分析的重中之重。维普资讯 http:/ 2 0 电站系统工程 2 0 0 3年 第 1 9卷 目前国内外应用于水分在线测量的方法有中子源、红外 线一 电导法、电容法和微波法等。其中微波法较为常用，其 原理是当微波穿过物料时，使 自由水分子旋转，这一效应降 低了微波的强度(衰减)和速度(相移)，用微波法测量水 分需要有放射源辅助测量物料发厚度、密度。德 国生产 的 L B 3 5 4型微波测水仪不仅可以利用传统的衰减法进行测量，而且还利用了相移新技术测量水分。常规的微波测水仪只能 在一种频率下测量，而
10、该仪器可在很宽的频率带 内使用，因 而 可抑 制 由于 多次 反 射 而引 起 的谐 振 干 扰。另 外美 国 Ga mma Me t r i c s 公司提出的利用 中子源在线测定煤中水分也 是可行 的。微波、中子源在线测水固然可行，但因为对放射源的使 用有严格限制，并且这些方法使用费用高，人力耗费大，所 以微波、中子源测水仪的工业应用受到一定局限。国外也提 出应用近红外方法实现煤质在线分析，但也因其仪器体积庞 大、价格 昂贵而离工业应用尚有一定距离。作者希望通过采 用近红外光谱漫反射方法，进行煤质在线分析的研究工作。因为近红外测水有其 自 身 的优势，所以，进行 的工作是从应 用近红外光谱
11、方法测定煤 中水分开始的。4 典型 实验 光谱 图 图 1 选取了试验中 4个煤样的原始光谱图，图 2为处理 后的二次微分光谱 图(为了清晰起见，只选取其中两个样品 的微分光谱图)。这 4 个样 品含水量(Ma d)分别是：6 5 4、8 2 6 、4 61 和 2 97 5。，改 3 0 2 5 2 O 1 5 1 O r Y 05 O O O 5 。1 O 。1 5 2 O l 5 o o 2 0 0 0 波 Jn m 图 1 部分煤样的原始光谱图 1 5 0 0 2 0 0 0 波ff v n m 图 2 二次微分后的光谱图 谱图进行微分处理是为了消除光谱 图基线漂移的影响，更准确地寻找
12、顶点。但微分后噪音加强、信噪比降低，可以 根据工作需要，选择原始光谱 图或微分光谱图进行阅读分 析。在这里，因为原始光谱图之间的相关度很好，所 以对原 始光谱图进行阅读分析。5 数 据分析 与处 理 根据原始光谱图之 间的相关 度以及公认 的水的近似吸 收峰，选用 1 9 3 0 n m、2 0 7 4 n r n和 2 3 0 9 n m这几个特征波 长。从原始光谱中读取这几个波长下各样品所对应的吸光度 的值。采用多元线性回归分析方法得到 回归方程(读取的吸光 度值与水分化验值之间的关系)：水分预测值()=6 0+6 l lX+b 2 x 2+b 3 x 3 式中：0 常数；b l、b 2、
13、b 3 各波长的系数；X l、x 2、吸收波长对应的吸光度。通过对多个样 品进行 回归得出系数 b 0、b l、b 2、b 3。因 为波长个数少于校正样 品个数，只能采用最d x Z 乘求解，得 到：b o=一 0 0 0 3 6；b l=一 6 7 9 5；b 2=1 0 2 6 4；b 3=一1 8 o 4 回归关系式为：水分预测值()一0 0 0 3 6 6 7 9 5 x l+1 0 2 6 4 X 2 1 8 0 4 x 这样得到的预测值与人工化验标准值之间的相关系数 可达到 0 9 7，定标标准差为 0 5，用上述 回归方程就可以从 未知试样的吸光度数据计算出煤 中水分的含量。6
14、结论 从测定煤 中水分着手将近红外光谱方法应用到煤质在 线分析的研究上。主要介绍 了水分的测定，采用多元线性回 归方法得出回归方程，应用该 回归方程得到的煤 中水分的预 测值与人工化验标准值之间的相关系数为 0 9 7，定标标准差 为 0 5。口 参考文献 1】吴 曙笛 近红 外 煤质 自动分 析装 置 的开 发 国外 电力 选译，2 0 o 1(4)：2 9 3 4 2】陆婉珍，袁洪福，等现代近 红外 光谱 分析技术 M】中国石化 出 版社 2 0 0 0 3】P h i l Wi l l i a ms，K a r l No r r i s Ne a r-i n f r a r e d T
15、e c h n o l o g y i n t h e A g r i c u l t u r a l a n d F o o d I n d u s t r i e s q A me r i c an A s s o c i a t i o n o f Ce r e a l Ch e mi s t s STUART A FYSH，DOM A J S W I NKELSPE TE R M，F REDERI CKSNe a r-In f r a r e d Di f f us e Re flec t a n c e S p e c t r o s c o py o f C o a l M】5】许 丽 珍，等德 国煤 质 在线 分 析 仪 的技 术 考察 中 国电力，1 9 9 5(2)编辑：康德 的 勰 加 H ：傩 乏：鳃 舛 如窨 8 i_ _ _ _ _ _ l 0 0 0 0 0 O 维普资讯 http:/