摘要：煤炭是国家经济发展的重要资源，其品质检测尤为重要。目前，常采用激光诱导击穿光谱技术进行煤炭检测，由于激光温度过高，导致检测结果不准确。为了提高激光诱导击穿光谱技术检测的准确性，引入氩气，构建激光诱导击穿光谱系统。对火焰面积变化情况分析发现，样品A在添加氩气前、后，分别在200μs和712μs时火焰面积变为0。样品B在添加氩气前、后，分别在247μs和400μs时火焰面积下降至0。对钠元素光谱强度分析发现，样品A和样品B在添加氩气后，钠元素光谱强度分别在102μs和163μs时降至0，明显比添加氩气前的下降速度更快。研究结果表明，研究提出的方法能有效抑制煤炭挥发，提高激光诱导击穿光谱系统检测的准确性。

       关键词：激光诱导击穿光谱技术；煤炭；检测

　　0引言

　　煤炭因其价格便宜和耐烧性，被广泛应用于火力发电、钢铁冶炼和化工行业[1]。激光诱导击穿光谱技术具有快速分析、灵敏度高和适应性强等特点，被广泛应用于煤炭分析[2]。挥发分是指煤炭在特定高温条件下受热分解时气体和液体的质量占初始质量的百分比，挥发分质量分数的高低，决定了煤炭质量的好坏[3]。然而，采用激光诱导击穿光谱技术对煤炭进行品质检测时，由于激光温度过高，导致煤炭中的有机物质分解，并释放出气体和液体形式的挥发性物质，从而使煤炭的成分发生变化，影响检测结果的准确度。因此，本研究引入惰性气体，设计了一种激光诱导击穿光谱试验系统，旨在减少挥发性物质的析出，提高煤炭检测的准确性。

　　1材料和方法

　　1.1试验材料及仪器

　　试验所用的仪器包括高速摄像机、四通道光谱仪、数字延迟发生器脉冲激光器、反光镜、气瓶、流量计、3D移动平台、光纤耦合器和喷嘴等。

　　此次试验用样品共两种，第一种样品编号为A，其水分质量分数为1.49％，灰分质量分数为6.78％，挥发分质量分数为36.18％，固定碳质量分数为55.26％。元素组成中，w（C）为72.85％，w（H）为4.69％，w（N）为0.81％，w（O）为11.56％。第二种样品编号为B，其水分质量分数为1.13％，灰分质量分数为29.15％，挥发分质量分数为24.49％，固定碳质量分数为45.23％。元素组成中，w（C）为46.79％，w（H）为3.52％，w（N）为0.91％，w（O）为8.31％。选用的惰性气体为氩气，其比热容为0.54 J/（g·K），导热系数为0.017 9 W/（m·K），电离能为1 520.6 kJ/mol，密度为1.78 kg/m3。

　　1.2样品制备

　　为了确保试验成功，制备样品，并对煤炭样品进行了标准化处理。首先，将煤粉样品研磨并筛分至粒度为100μm，以保证样品的均匀性。随后，利用压片机在15 t压力下压制6 min，从而将样品制成片状。片状样品的直径为Φ2.5 cm、高度为5 cm，样品质量为3.5 g。为避免因过度烧蚀和样品不均匀性导致信号波动，将煤压片置于电动3D移动平台上，利用激光在样品表面的3个不同位置分别进行40次烧蚀，并记录光谱。最终，将这3组独立数据取平均值，从而得到光谱。

　　1.3激光诱导击穿光谱试验系统设计

　　煤炭样品制备完成之后，需要设计激光诱导击穿光谱系统对其进行分析。煤炭是人们赖以生存的主要矿产资源之一，已渗透到社会生活的各个方面。在电力供应方面，利用煤炭进行火力发电一直是重要的发电方式。火力发电厂在使用煤炭时，常采用激光诱导击穿光谱技术进行品质检测。激光诱导击穿光谱技术是一种基于激光能量激发物质产生等离子体，并通过光谱分析来确定物质成分的分析技术。然而，目前，采用激光诱导击穿光谱技术在对煤炭品质进行检测时，存在检测结果准确率低的问题。因此，研究引入惰性气体，设计了一种激光诱导击穿光谱系统。该系统工作原理如图1所示。

　　从图1可以看出，该系统主要由光谱仪、数字延迟发生器、脉冲激光器、反光镜、气瓶、流量计、可移动样品平台、高速摄像机、光纤耦合器和喷嘴等组成。在试验过程中，脉冲激光器的运行由数字延迟发生器精确调控，确保激光的频率和能量满足要求。激光光束通过水平方向发射至反光镜，并由其竖直向下经过透镜将光束汇聚至制备完成的煤炭样品上。由于脉冲激光经过透镜聚焦后产生的能量密度较高，将煤炭样品表面的元素激发为等离子体。等离子体散发后，发出特征谱线，该特征谱线再经过另一个透镜聚集后，由光线耦合器进行采集。采集后，经由光谱仪进行分析和处理。光谱仪将特征谱线转化为计算机可识别的信号，并采用光谱软件对收集到的数据进行处理与分析。通过数字延迟发生器对光谱仪采集等离子体发射的特征线谱的时间间隔进行调控，以便光谱仪能准确采集不同时间段的特征线谱。此外，相机负责拍摄脉冲激光作用在煤炭样品上的图像和元素挥发时形成的等离子体。其时间间隔亦由数字延迟发生器调控。试验过程中，氩气存储于气瓶中，并将气体流量设置为3 L/min，喷嘴与样品片之间呈30°。

　　2结果分析

　　为了验证氩气在激光诱导击穿光谱系统检测煤炭过程中对挥发性物质的抑制效果，研究利用高速摄像机对两种煤炭样品在不同延迟时间下的挥发物质燃烧火焰图像进行拍摄。通过测量火焰面积，可以反映煤炭挥发物质的多少。采用了Image-Pro Plus软件来测量煤样等离子体燃烧火焰的面积。添加氩气前、后，煤等离子体燃烧火焰面积测量结果如图2所示。

　　从图2-1可以看出，样品A在未添加氩气时，火焰面积在0～199μs呈上升趋势，表明此时煤炭有大量物质被挥发，引起火焰剧烈燃烧，火焰面积快速增加。在712μs时，火焰面积变为0。而在添加氩气后，样品A的火焰面积快速缩小，在200μs时，火焰面积变为0。这表明添加氩气后，煤炭中的挥发性物质快速减少，从而使火焰面积快速缩小。由图2-2可知，样品B在添加氩气前、后，整体上呈下降状态。但是，添加氩气前，在188μs左右，火焰面积有小幅度上升。添加氩气后，火焰面积在247μs时下降至0，而添加氩气后，样品B的火焰面积在400μs时才下降至0。以上结果表明，氩气在激光诱导击穿光谱系统检测煤炭过程中对挥发性物质有抑制效果，具有实用性。对煤炭样品中钠元素的特征谱线强度变化进行研究，如图3所示。

　　从图3-1可知，添加氩气前，样品A的钠元素光谱强度呈迅速下降趋势，在196μs时下降到接近0。添加氩气后，钠元素光谱强度的下降速度更快，在102μs时，就下降到接近0。由图3-2可知，在添加氩气前、后，样品B的钠元素光谱强度分别在203μs和163μs时接近0。上述结果表明，在两种样品中，添加氩气后，钠元素的光谱强度下降速度明显加快。这表明氩气在激光诱导击穿光谱系统中对煤炭样品的挥发性物质有显著的抑制效果。

　　3结语

　　为了提高激光诱导击穿光谱技术检测的准确性，研究通过引入氩气构建激光诱导击穿光谱系统。对施加氩气前、后的煤等离子体燃烧火焰面积和钠元素光谱强度变化情况进行分析发现，煤炭样品A在添加氩气前，在200μs时火焰面积变为0。添加氩气后，火焰面积在712μs时变为0。煤炭样品B在添加氩气前，在247μs时火焰面积变为0。添加氩气后，火焰面积在400μs时变为0，说明添加氩气可抑制煤炭挥发。在钠元素光谱强度分析中，样品A和样品B在添加氩气后，钠元素光谱强度分别在102μs和163μs时降至0，明显比添加氩气前的下降速度更快。以上结果表明，研究提出的方法能有效抑制煤炭挥发，提高激光诱导击穿光谱系统检测的准确性。此次研究的不足之处在于未考虑其他惰性气体，未来，将进一步研究利用其他惰性气体提高激光诱导击穿光谱技术检测的准确性。

　参考文献

　　[1]张祥良，林柏泉，申建，等.循环等离子体击穿受载煤体电学响应及孔隙结构演化规律[J].煤炭学报，2023，48（4）：1567-1583.

　　[2]陈翊翔，董美蓉，蔡俊斌，等.激光诱导击穿光谱技术结合Tr Ada Boost算法的煤粉颗粒流定量分析[J].中国电机工程学报，2023，43（24）：9638-9645.

　　[3]赵峥，苏胜，宋亚伟，等.基于PLIF检测的生物质挥发分燃烧多环芳烃生成特性[J].燃烧科学与技术，2024，30（4）：359-369.