煤的激光诱导等离子体特性及其基体效应研究

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1、硕士学位论文煤的激光诱导等离子体特性及其基体效应研究作者姓名赵静波学科专业工程热物理指导教师姚顺春副教授所在学院电力学院论文提交日期2018年4月ResearchontheCharacteristicofLaser-InducedPlasmaandItsMatrixEffectinCoalADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZhaoJingboSupervisor：AssociateProf.YaoShunchunSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TQ5

2、33学校代号：10561学号：201520110730华南理工大学硕士学位论文煤的激光诱导等离子体特性及其基体效应研究作者姓名：赵静波指导教师姓名、职称：姚顺春副教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：工程热物理研究方向：清洁能源转换及优化运行论文提交日期：2018年4月18日论文答辩日期：2018年06月03日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：马晓茜委员：杨敏林刘金平姚顺春楼波摘要研发煤质快速分析装置，实现煤质数据在线检测对推进燃煤电厂燃料管理和智能化改造，促进煤炭清洁高效发电有重要意义。激光诱导击穿光谱技术（LaserInducedBreakdown

3、Spectroscopy，LIBS）具有无需/简单样品预处理、快速、多元素同时测量等优点，在燃煤电厂煤质在线检测领域具有很大的应用潜力。然而对于煤质分析来说，由于煤种之间物理化学性质不同引起的复杂基体效应会导致激光和煤相互作用过程中烧蚀、蒸发和等离子体形成存在强烈的非线性特征，这是影响LIBS测量煤质结果准确性和精确度的主要因素。本文以改善LIBS检测煤质的性能为目标，通过等离子光谱和空间演化特性深入研究了不同煤种及其成分对激光烧蚀样品过程和基体效应的的影响。本文通过搭建一套可以进行等离子体时空演化规律的LIBS实验装置。首先，以不同挥发分含量的煤及其煤焦作为研究对象，对比分析了由于挥发

4、分的差异所导致的煤粉及其煤焦的等离子体特征光谱的谱线强度差别。同时研究了不同挥发分含量的煤等离子体空间特性的差异，证明随着煤中挥发分含量增加，更多的挥发性物质受热汽化、蒸发，并随着等离子体膨胀过程到达等离子体羽的上层区域。最后以样品表面各区域之间的元素浓度差异评价了激光热效应的影响。其次，深入研究了LIBS检测煤质中的基体效应的关键影响因素和修正方法。研究了粘结剂在改善煤质检测基体效应的效果，通过样品烧蚀坑形态特征和等离子体的温度波动等对比分析了粘结剂（KBr）混合比例对基体效应的影响。进一步利用等离子体温的标准偏差确定了最优的粘结剂混合比例，有效提高了碳元素定量分析模型的准确性和精度，

5、为LIBS煤质检测的复杂基体匹配提供了一种思路。最后，针对同一批训练样本建立的BP神经网络热值预测模型受燃煤物质组成复杂引起的基体效应的影响，对不同类别的煤样有不同的效果。通过引入聚类分析算法，对建立模型的样本进行分类，初步评价了所建立的燃煤热值定量分析模型对不同煤种的适应性。可针对不同的样本种类分别建立不同的预测模型，从数据处理方面减弱由于基体效应带来的对定量分析结果的不利影响。关键词：煤质检测；激光诱导击穿光谱；基体效应；空间分布；光谱特性IABSTRACTFastorinsituanalysisofcoalpropertitesiscrucialformanagementandde

6、tectionofcoalqualityincoal-firedpowerplants,cleanandefficientcoalutilization,anditalsoimportrantforcombustionprocessoptimization,energyconvervationandpollutantemissionreduction,amingforeconomicalefficiencyofpowergeneration.Laser-inducedbreakdownspectroscopy(LIBS)hasbeenregardedasthealternatiaveme

7、thodforon-lineanalysisofcoalpropertiesfulfillingthecharacteristicsofminimalorevennosamplepreparation,rapidanalysisspeed,longdistanceandmulti-elementmeasurement.However,oneoftheissuesthathaveplaguedthequantitativeanalys