样品形态对燃煤的激光烧蚀特性影响分析

将激光诱导击穿光谱技术应用于煤质检测,分析了燃煤形态对激光烧蚀特性的影响.利用532 nm激光在大气常压环境下烧蚀样品.同时使用多通道光纤光谱仪和CCD探测器对激光烧蚀形成的等离子体发射信号进行分光和探测.对比分析两种不同形态煤样的等离子体温度、电子密度以及元素特征谱线强度随脉冲能量变化的规律.实验研究表明,样品形态对燃煤的激光烧蚀特性有显著影响.不问形态燃煤的等离子体温度、电子密度以及元素特征谱线强度随脉冲能量的变化规律有所不同.相同实验条件下,粉状煤样形成的等离子体温度和电子密度均比块状煤样的高,但块状煤样的元素特征谱线强度则更大.     

激光能量对飞灰颗粒流中未燃碳LIBS检测影响研究

飞灰含碳量是评价锅炉燃烧效率的重要指标之一,对其进行在线测量有助于实时进行燃烧优化调整,从而提高整个机组的经济性和安全性。利用螺杆式给粉机搭建飞灰颗粒流含碳量测量台架,将脉冲激光直接作用于飞灰颗粒流,形成等离子体,利用激光诱导击穿光谱技术测量飞灰颗粒流中的含碳量信息。重点研究了激光能量对飞灰颗粒流中未燃碳有效激发和测量的影响规律。研究结果显示,在40～130 mJ能量的脉冲激光作用下,碳谱线强度随着激光能量的增大线性增强,而其信噪比则先增加后趋于稳定,无效光谱的剔除率则呈下降趋势。本实验条件下,激光能量在90～100 mJ之间,可得到较强的等离子体发射信号和较优的光谱数据利用率。因而激光能量与颗粒流的激发状态、碳元素特征谱线强度等密切相关。合理的激光能量有利于保证飞灰颗粒流的有效稳定激发,并获得具有良好信噪比的等离子体光谱信号。     

样品温度对纳秒激光诱导Cu等离子体特征参数的影响

为了研究样品温度对激光诱导击穿Cu等离子体特征参数的影响,以黄铜为研究对象,在优化的实验条件下采用波长为532 nm的Nd∶YAG纳秒脉冲激光诱导激发不同温度下的块状黄铜,测量了Cu等离子体的特征谱线强度和信噪比;同时在局部热平衡条件下利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析计算了不同的样品温度条件下等离子体电子温度和电子密度。实验结果表明,在激光功率为60 mW时,随着样品温度的升高,Cu的特征谱线强度和信噪比逐渐增加,样品温度为130 ℃时达到最大值,然后趋于饱和。计算表明,黄铜样品中Cu元素Cu Ⅰ 329.05 nm,Cu Ⅰ 427.51 nm,Cu Ⅰ 458.71 nm,Cu Ⅰ 510.55 nm,Cu Ⅰ 515.32 nm,Cu Ⅰ 521.82 nm, Cu Ⅰ 529.25 nm,Cu Ⅰ 578.21 nm八条谱线在130℃的相对强度相较于室温（18 ℃）下分别提高了11.55倍、4.53倍、4.72倍,3.31倍、4.47倍、4.60倍、4.25倍、4.55倍,光谱信噪比分别增大了1.35倍,2.29倍、1.76倍、2.50倍、2.45倍、2.28倍、2.50倍,2.53倍。分析认为,升高样品温度会增大样品的烧蚀质量,相对于温度较低状态增加了等离子体中样品粒子浓度,进而提高等离子体发射光谱强度。所以,适当升高样品温度能够提高谱线强度和信噪比,从而增强LIBS技术检测分析光谱微弱信号的测量精度,改善痕量元素的检测灵敏度。同时研究了改变样品温度时等离子体电子温度和电子密度的变化趋势。计算表明,当样品温度从室温上升到130 ℃的过程中,等离子体的电子温度由4 723 K上升到7 121 K时基本不再变化。这种变化规律与发射谱线强度和信噪比变化趋势一致。分析认为,这主要是由于在升高样品温度的初始阶段,激光烧蚀量增大,等离子体内能增大,从而导致等离子体电子温度升高。当激光烧蚀样品的量达到一定值后不再变化,激光能量被激发溅射出来的样品蒸发物以及尘粒的吸收、散射和反射,导致激光能量密度降低,电子温度趋于饱和,达到某种动态平衡。选用一条Cu原子谱线（324.75 nm）的Stark展宽系数计算激光等离子体的电子密度,同时研究改变样品温度时等离子电子密度的变化趋势,计算表明在样品温度为130 ℃时,Cu Ⅰ 324.75 nm对应的等离子电子密度相较于室温（18 ℃）条件下增大了1.74×1017 cm-3。该变化趋势与电子温度的变化趋势一致。适当升高样品温度使得电子密度增大,从而提高电子和原子的碰撞几率,激发更多的原子,这是增强光谱谱线强度的原因之一。由此可见,升高样品温度是一种便捷的提高LIBS检测灵敏度的有效手段。     

气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.     

激光诱导煤粉等离子体的特性研究

本文研究了煤粉形态对于激光诱导煤粉等离子体特性的影响,以指导应用激光感生击穿光谱进行煤质测量时最佳样品形态的选择.建立了一套激光诱导击穿光谱的实验台架,对同一煤种的4个不同粒径范围的粉状样品进行激光激发与光谱分析,利用钙原子不同跃迁能级发射谱线的强度分布计算了0.3～0.5μs区间内的等离子体温度,并依据谱线Stark展宽与电子密度的关系得到了等离子体的电子密度.再对激发不同粒径煤粉样品产生的等离子体温度与电子密度进行了对比.实验证明,煤粉粒径越小,等离子体温度越高且电子密度越大,也即样品的等离子化程度越高,越有利于煤中元素的定量分析.     

多脉冲高能量强激光诱导产生Al等离子体发射光谱分析

 用Nd:YAG脉冲激光器产生的1.064 μm激光,在空气环境下作用于金属Al诱导产生等离子体,获得了不同能量以及多次脉冲烧蚀下的Al等离子体发射光谱,分析了谱线强度与能量变化之间的关系,实验结果表明：随激光能量的增加,谱线的信号强度明显增强;对等离子体光谱进行Lorentz线型拟合,获取了谱线的半高宽,以此来计算电子密度,得到了电子密度及信号强度随多脉冲强激光诱导次数的增加而逐渐下降的演化规律。     

激光诱导击穿空气等离子体时间分辨特性的光谱研究

空气等离子体的时间行为对空气环境下激光诱导等离子体形成过程的研究有重要意义.本文将纳秒Nd:YAG脉冲激光(1064 nm)聚焦于一个大气压的空气中,诱导其产生等离子体.利用具有纳秒时间分辨功能的PI-MAX-II型ICCD,采用时间分辨光谱方法,研究了大气环境下激光诱导等离子体的时间行为.大气环境下的激光诱导等离子体光谱广泛分布于300—900 nm范围内,并且是由带状光谱和线状光谱叠加而成的.根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库,对等离子体光谱中的氧、氮、氢等元素的特征谱线进行了识别和归属.给出了激光诱导击穿大气等离子体光谱随时间演化的直观图像,根据空气等离子体发射谱线计算了等离子体电子温度和等离子体电子密度.这些结果对于提高在大气环境下进行的在线测量结果的准确性和精确性具有重要的科学意义.     

预制小孔对激光诱导不锈钢等离子体辐射的增强作用

为了研究预制小孔对激光诱导不锈钢等离子体辐射特性的影响,在常压下空气中,利用高能量钕玻璃脉冲激光烧蚀不锈钢样品,由组合式多功能光栅光谱仪和CCD光谱采集处理系统记录等离子体光谱,并通过测量光谱线的强度和半高全宽度分别计算了等离子体电子温度和电子密度。研究结果表明,当一束高能量激光(～5J)作用于表面放置直径为1.5 mm、深度为0.8 mm的预制小孔的不锈钢样品时,激光等离子体发射的谱线强度提高了71.5%～125.8%,光谱信背比提高了7.6%～18.5%;而等离子体温度和电子密度分别提高了1 200 K和1.21×1016cm-3。证明了预制小孔对激光诱导不锈钢等离子体辐射有明显的增强作用。     

透镜到靶材的距离对脉冲激光诱导等离子体的影响机理研究

采用高功率抽运调Q激光器分别在真空和空气中烧蚀Ti-Al合金靶材激发等离子体,研究了在不同气体压强下透镜到靶材的距离对等离子体参数的影响机理对于焦距为111mm的聚焦透镜,当透镜到靶材距离小于透镜焦距时,随着距离逐渐接近焦距,真空和空气中电子温度、电子密度和谱线强度均逐渐增强.当透镜到靶材距离大于透镜焦距时,真空中,电子温度和电子密度仍然继续升高,而谱线强度却变化不大.空气中,等离子体参数却有不同的演化特性:等离子体的电子温度、电子密度和谱线强度在透镜到靶材距离为107 mm时达到最大值,当距离继续增大时,均呈现出迅速下降的趋势,当透镜到靶材距离大于112mm时,电子温度和电子密度又有明显上升,特征谱线强度却大幅下降.     

激光诱导煤样等离子体的表征

以脉冲Nd·YAG激光器泵浦的光学参量发生/放大器输出为激发源,获得了一种家庭用煤样品的激光诱导等离子体(laser induced plasma,LIP)发射光谱。谱线线型呈洛伦兹线型,表明等离子体加宽以Stark展宽为主。利用发射谱线的Stark展宽和强度,通过测量等离子体不同位置的发射光谱,确定了等离子体温度和电子密度的空间分布,发现二者在垂直等离子体发光火焰方向相对火焰中心对称分布,沿发光火焰方向不具有对称分布的特点。发光火焰中心的等离子体温度和电子密度最大,且发光强度较大,因此利用光谱技术测量等离子体特征量时,宜采集火焰中心的发射光谱。样品中有些元素的发射谱线线型显示,等离子体中存在很强的自吸收现象,自吸收程度和激发波长及激光能量密切相关,激发波长接近谱线中心波长时,自吸收现象最明显;随激光能量的增加,发射光谱强度增加的同时,自吸收的程度也增大。把这些现象归因于原子跃迁概率的增大及激光强度增加引起的等离子体中粒子数密度的增大。自吸收现象导致实验观测到的发射谱线强度小于LIP的真实辐射强度,对等离子体进行测量时,应选取不存在自吸收现象的谱线,以便于提高测量准确度。     

减少二氧化碳对LIBS检测飞灰中未燃碳含量影响的研究

通常热力发电厂将飞灰中未燃碳的含量作为评价锅炉燃烧效率的重要指标,通过测量飞灰中未燃碳的含量来评价煤粉燃烧的充分程度,进而实现优化燃烧、提高机组效率。基于激光诱导击穿光谱技术(LIBS)无接触、快速响应、高灵敏度、可以在线测量等特点,备用来测量飞灰中未燃碳的含量。由于烟气中CO₂气体的存在,碳谱线强度会随CO₂浓度的变化而改变。为了减少CO₂气体对飞灰未燃碳测量结果的影响,提出并设计了具有二级旋风分离器的LIBS测量飞灰未燃碳含量实验系统,飞灰从给粉机流出后通过二级旋风分离器进入测量腔体,脉冲激光经过透镜作用于飞灰样品进而产生等离子体。LIBS系统采用双中心波长光谱仪,可测得飞灰中C,Si,Mg,Fe,Ca和Al等主要元素谱线,同时高分辨率通道可分辨出相邻C和Fe的元素谱线,可以在获得充分的飞灰光谱信息的同时保证了测量的精度。实验结果表明该系统可有效分离和收集飞灰颗粒,减少CO₂气体对测量结果的干扰,为LIBS技术的工程应用提供了更准确的依据。     

悬浊液光谱透射法测量烟尘粒子的复折射率

光谱复折射率是计算烟尘粒子散射特性的重要参数。该文在光谱透射法反演烟尘粒子复折射率理论的基础上,将烟尘粒子弥散于水中形成烟尘粒子悬浊液,通过可见光分光光度计测量该悬浊液的光谱透射率,通过激光粒度仪获得烟尘粒子的粒径分布,利用悬浊液光谱透射法对烟尘粒子的复折射率进行了反演。研究结果表明,烟尘粒子在可见光波长范围内没有明显吸收带,但随着波长的增加,透过率逐渐降低。烟尘粒子复折射率的反演结果与KBr样片法的反演结果吻合较好。利用悬浊液光谱透射法测量烟尘粒子的复折射率,实验过程简单,约束条件少,并可利用红外分光光度计测量透射率后,拓展至红外波段。     

粉煤灰地聚合物固封Cr3+的FTIR和XPS研究

采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱分析(XPS)研究了粉煤灰地聚合物固封Cr3 的机理。含Cr的污泥由人工合成,主要成分是Cr(OH)3。浸出试验采用ICP-AES方法,测试了固封Cr3 前后,粉煤灰地聚合物中Al和Si的浸出量;研究结果表明,掺入含Cr的污泥后,粉煤灰地聚合物中Si和Al元素的浸出量较不掺污泥时减少了,且浸出Si元素减少的幅度比浸出Al元素降低的幅度要大。FTIR结果显示,Cr3 的掺入削弱了粉煤灰地聚合物主峰的强度,增加了Si—O—Si和Al—O—Si的振动波数;XPS测试结果表明,O(1s),Si(2p)和Cr(2p)的结合能都有不同程度的改变,而Al(2p)的结合能几乎没有发生变化;结果揭示Cr3 参与了粉煤灰地聚合物中硅酸结构的聚合,粉煤灰地聚合物固封Cr3 ,不仅仅只是物理性的包裹作用,而且主要是化学反应的结果。     

C-Fe谱线干扰修正对飞灰含碳量LIBS测量的影响

在燃煤电厂,飞灰含碳量是直接反映锅炉燃烧效率的重要指标,控制含碳量水平和低氮燃烧之间的平衡要求实现含碳量的在线(或快速)检测。将激光诱导击穿光谱技术应用于飞灰含碳量的快速测量,针对测量中248 nm附近的C和Fe谱线干扰问题,提出了利用Fe谱线修正的方法以提取重叠峰中C谱线的积分强度,对比分析了Fe 248.33 nm, Fe 254.60 nm和 Fe 272.36 nm谱线分别作为Fe 247.98 nm的修正谱线时提取的C修正积分强度对飞灰含碳量定标曲线和未知样品重复测量精确度的影响。研究结果表明,对C和Fe谱线干扰进行强度修正可以提高含碳量定标曲线的拟合度,并且可以显著改善低含碳量样品重复测量的精确度。但同时需要注意用于修正的Fe谱线的合理选取,防止在对低含碳量样品中C谱线强度的过度修正。从定标曲线和重复测量精确度总体评价而言,Fe 254.60 nm谱线最适用于LIBS测量飞灰含碳量时的C和Fe谱线干扰的修正。     

Synthesis of zeolite A from coal fly ash using ultrasonic treatment – A replacement for fusion step

The synthesis of zeolites from fly ash has become an increasingly promising remedy to the crisis of coal fly ash production and disposal in South Africa. In recent studies, South African fly ash was proven to be a suitable feedstock for the synthesis of essential industrially used zeolite A. However, the process involves a costly energy intensive step whereby fly ash is fused at high temperatures, which may make the process economically unattractive on a large scale. The aim of this study is to investigate the possibility of replacing high temperature fusion with less energy intensive sonochemical treatment for the synthesis of zeolite A. Sonochemical treatment was first thought possible due to the violent cavitation caused by high intensity sonication. The results of the study showed that fusion can be replaced by 10 min of high intensity sonication. The incorporation of sonication also consequently reduced the crystallization temperature of the process making it possible to synthesize a pure phase zeolite A at lower temperatures and reduced times. This study effectively developed a novel process to replace the energy intensive fusion step with a short, easy and inexpensive treatment. Scale up of this synthesis approach may proffer a promising alternative option to the anticipated energy demand of the synthesis of fly ash-based zeolite with fusion method.     

煤粉锅炉燃烧产物中汞,砷分布特征研究

对某300 MW燃煤电厂锅炉进行煤、渣、飞灰取样后,测定煤和燃烧产物中汞和砷的含量,研究了电除尘四个电场飞灰中汞与砷的分布特点。结果表明飞灰中砷的浓度随着粒度的降低而升高。在底渣中含量较低。通过飞灰粒度与砷浓度的拟合,初步得出砷的富集并不是只由物理凝结造成的,也有外部表面反应(或孔扩散)控制的过程。汞在电除尘1,2,3电场中是预料中的随着粒度的减小浓度增加。但在四电场中汞的浓度又降低了。通过分析得出飞灰含碳量也是影响汞吸附量的重要因素。     

分光光度法研究粉煤灰对亚甲基蓝的吸附及其机理研究

以龙岩雁石火电厂粉煤灰对亚甲基蓝进行吸附实验,探讨了改性粉煤灰、粉煤灰用量、吸附时间、温度对亚甲基蓝吸附的影响。当粉煤灰投加量为4g/L,亚甲基蓝浓度15mg/L,常温条件下,在60min左右,亚甲基蓝降解率达到了98%以上。结果表明,利用粉煤灰处理亚甲基蓝,具有处理效果好、简单,经济等特点。利用Freundlich等温式和Langmuir等温式对其吸附行为进行描述,表明粉煤灰易于吸附亚甲基蓝,吸附属于化学吸附;用颗粒内扩散方程和准二级吸附动力学方程对实验数据进行回归分析,更好地描述亚甲基蓝在粉煤灰上的吸附。准二级吸附动力学方程能够反映亚甲基蓝在粉煤灰上的吸附机理,准二级吸附速率常数k2=0.5758g/(mg.min)。本研究为粉煤灰处理印染废水提供了理论依据和实践依据。     

利用红外光谱确定碱法分解粉煤灰的碳酸钠用量的实验研究

利用红外光谱研究了粉煤灰在用碳酸钠碱熔法分解前后的物相变化,发现： 碱熔前,粉煤灰的红外光谱主要显示莫来石和二氧化硅的特征吸收;碱熔后,粉煤灰(后统称熟料)的红外光谱主要表现为霞石的特征吸收。研究还对比了不同配比条件下,莫来石反应的完全程度。发现不同配比的粉煤灰熟料的红外光谱存在很大差异。在一定的碳酸钠用量范围内(粉煤灰∶碳酸钠＞1.2∶1时),其对应熟料的红外光谱主要为霞石的吸收峰,并表现有莫来石吸收残留,说明此配比条件下,莫来石尚未分解完全;当粉煤灰∶碳酸钠＝1.2∶1时,莫来石吸收消失,说明此配比条件下,莫来石可以分解完全,此时熟料的红外光谱中也未出现其他杂峰,证明此时熟料为霞石单一物相;当粉煤灰∶碳酸钠＜1.2∶1时,熟料的红外光谱中出现了碳酸盐的特征吸收,说明碳酸钠过量,同时,硅酸根的特征吸收峰也发生分裂,说明硅酸根的振动吸收峰增加,推测可能是碳酸钠过量后,霞石与碳酸钠发生反应,使霞石吸收过量的Na₂O,导致霞石的晶体结构发生变化。由此可以判定碱熔法分解粉煤灰的最佳配比为粉煤灰∶碳酸钠＝1.2∶1。X射线分析也得到了相同的结论。     

燃煤飞灰物理化学特性及其润湿机理研究

以小龙潭电厂燃煤飞灰及其不同粒径范围的分级灰为对象,采用X射线荧光光谱、X射线衍射、离子色谱、Zeta电位、扫描电镜等实验方法研究了飞灰的物理化学特征.同时采用沉降实验、表面张力实验研究了三种不同润湿剂对飞灰的润湿性能.研究发现,溶液对飞灰的润湿能力不仅取决于其气液界面张力,还与飞灰的组成、表面电位以及形貌特征密切相关.亲水性物质含量的增加,颗粒表面电荷与润湿剂分子间的静电吸引,颗粒表面的棱角孔隙等均可以促进其润湿;温度越高飞灰润湿性能越好,且温度对飞灰润湿过程影响较大,温度较高(60℃)时润湿剂种类及浓度对飞灰润湿过程的影响不明显.