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专利名称：煤质含硫量紫外吸收光谱测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于分析仪器的技术领域，具体涉及一种煤等可燃物质中含硫量的紫 外吸收光谱测量装置。
背景技术：
快速准确地测定煤中硫含量，对煤质分类和定价、各环保部门降低二氧化硫对环 境的污染以及指导企业选煤都将提供重要的技术依据。目前国内外应用于煤质硫含量快速 分析的方法主要有高温燃烧库仑法和红外吸收法。库仑法过程是经高精度天平称量的样品在催化剂作用下，在1150°C高温中充分燃 烧分解，硫的主要产物二氧化硫随载气一起进入电解池中进行检测，二氧化硫被碘化钾、溴 化钾溶液吸收，以电解碘化钾、溴化钾溶液所产生的碘、溴进行滴定。根据电解所消耗的电 量计算煤中全硫的含量。该方法单样分析时间仅需6min，能够稳、准、快地完成煤中全硫的 测定，适应于管理的需要。目前国内库仑滴定法使用的较多，价格相对便宜且适合推广。不 足之处在于电解池、电极、空气净化系统需定期维护，电解溶液需经常更换，对高硫煤测量 准确性较差。红外吸收法的测定原理是煤样送进炉内后，在富氧条件下燃烧，样品中的硫主要 转化为二氧化硫(so2)。燃烧烟气经干燥、滤除粉尘等预处理后，用特定波长的红外光照射 处理后的气体，被探测器接收，根据Lambert-Beer定律，由吸光度和事先知道的吸收截面 计算S02气体的瞬时浓度，从而计算累积的总硫量。红外吸收光谱法测量煤中全硫分是一 种先进的分析方法，已列入ASTM标准，测量精确，但需要定期维护预处理系统，更换相应的 化学试剂，否则残留的干扰成分会影响测量结果。此外，仪器设备昂贵，以美国SC2432DR型 测硫仪为例，平均价格在4万美元左右，且维修/维护费用高，难以在国内的煤炭和电力行 业普及应用。

实用新型内容本实用新型针对库伦法和红外吸收法测硫分析方法及仪器存在的不足，提出一种 煤质含硫量紫外吸收光谱测量装置，减少了定期维护、调校的工作量，降低了设备及维护成 本，测量结果准确、快速、范围宽，并易于被非专业人员掌握。本实用新型采用如下技术方案一种煤质含硫量紫外吸收光谱测量装置，其特征 在于，包括燃烧炉、测量室、紫外光源、光谱仪、空气净化装置、流量计、计算机，燃烧炉内部 插有热电偶，热电偶与第一温控装置相连；燃烧炉入口处放置进样机构，同时与第一电磁泵 及空气净化装置连接，燃烧炉出口通过管路与测量室相连，测量室的外部缠绕加热带和隔 热棉，并与第二温控装置连接；测量室出口通过管路依次与废气处理装置、干燥管、流量计、 第二电磁泵相连接；所述的测量室包括测量管，在测量管的管壁上设有进气口及出气口，在 测量管的两端分别设有准直透镜和聚焦透镜，并分别由第一镜盖、第一光纤连接座及第二 镜盖、第二光纤连接座将准直透镜和聚焦镜固紧在测量管的两端，用于形成入射平行光束的紫外光源通过第一光纤与测量管的一端的第一光纤连接座连接，用于接收通过烟气的透 射紫外光的光谱仪通过第二光纤与测量管另一端的第二光纤连接座连接。有益效果与现有技术相比，本实用新型提出的煤质含硫量紫外吸收光谱测量方 法及装置具有如下的特色及优点1)系统灵敏度高，提高了 S02气体浓度的检测下限，在光程0.2m下能达到几个 ppm量级，有效地提高了煤质硫含量的检测下限；2)本实用新型测量装置模块化设计，由煤样管式炉燃烧系统、紫外吸收光谱系统 和基于计算机的数据采集和控制系统组成，结构简单，成本低，自动化程度高，可靠性高；3)单样测量时间完全取决于煤样的燃烧时间，煤质中硫释放速度快，分析时间短， < 4min，如果采用纯氧燃烧，分析时间将进一步缩短；4)易于掌握使用，便于维护，可广泛地应用于煤、油等可燃物质含硫量分析。
图1为本实用新型的煤质硫含量紫外吸收光谱测量装置的示意图，其中1-紫外光 源2-第一光纤，2’ -第二光纤3-测量室4-第二温控制系统，4’ -第一温控制系统5-光 谱仪6-燃烧炉7-热电偶8-进样机构9-第一电磁泵，9’ -第二电磁泵10-空气净化装置 11-流量计12-干燥管13-废气净化装置14-计算机15-箱体图2为本实用新型测量方法流程图；图3为本实用新型测量方法中气体吸收截面处理的流程图；图4为本实用新型的煤质含硫量测量的紫外吸收光谱测量室的示意图，其中 16-第一光纤连接座16’-第二光纤连接座17-准直透镜18-第一镜盖18’-第二镜盖19-测 量管20-聚焦透镜21-进气口 22-出气口
具体实施方式
参照图1所示，用于煤质含硫量的紫外吸收光谱测量装置主要包括燃烧炉6、测量 室3、紫外光源1、光谱仪5、空气净化装置13、流量计11和计算机14，燃烧炉内部插有热电 偶7，热电偶与第一温控装置4’相连，通过硅碳管加热以使燃烧炉6处于设定高温；燃烧炉 入口处放置进样机构8，同时与第一电磁泵9及空气净化装置10连接，燃烧炉出口通过管路 与测量室3相连，测量室3的外部缠绕加热带和隔热棉，并与第二温控装置4连接，保证测 量室处于设定温度；测量室出口通过管路依次与废气处理装置13、干燥管12、流量计11、第 二电磁泵9’相连接。所述的空气净化装置10由两根分别装有氢氧化钠和变色硅胶的玻璃 管串连组成，用于去除空气中的水分和酸性气体等杂质。由计算机14与测量室相连的光谱 仪5和第二温度控制装置4，燃烧炉的第一温控装置4’和进样机构8及流量计11组成吸收 光谱接收、烟气流量测量采集及S02浓度与煤质硫含量等数据处理及测量装置的整体协调 控制。所述的燃烧炉6、测量室3、空气净化装置10、废气处理装置13、流量计11等均包覆 于箱体15中。所述的测量室包括测量管19，在测量管19的管壁上设有进气口 22及出气口 21， 在测量管的两端分别设有准直透镜17和聚焦透镜20，并分别由第一镜盖18、第一光纤连接 座16及第二镜盖18’、第二光纤连接座16’将准值透镜17和聚焦镜20固紧在测量管19的
4两端，用于形成入射平行光束的紫外光源1通过第一光纤2与测量管一端的第一光纤连接 座16连接，用于接收通过烟气的透射紫外光的光谱仪5通过第二光纤2’与测量管另一端 的第二光纤连接座16’连接，具体结构如图4所示。本实用新型测量方法具体实施步骤为1、将煤样送入燃烧炉进行燃烧，并将煤燃烧产生的烟气通入测量室，使用紫外平 行光束照射测量室中的烟气，再接收并采集通过烟气的透射紫外光，入射平行光束的光谱 强度为IoU)，经过光程长度为L的测量室后的光谱强度为I(x)，其中\为入射光的波长。2、计算吸收光谱强度与入射光谱强度1。(入)之比的对数值hf^l即吸收
V 7⑷)
度■ = (徵3、对吸收度D (入)进行基于经验模态分解EMD的自适应滤波和降噪处理，则获得 差分吸收光度D' (X)，具体算法如下1)对噪声污染的吸收度D U )进行经验模态分解EMD，得到k个本征模态函数IMF 分量Di U )和趋势项rU)，i = l，2，.... k。本征模态函数IMF必须满足以下2个条件(a) 整个数据段内，极值点的个数和零点的个数必须相等或至多差1 ;(b)在任何时间点上，由 局部极大值点形成的包络线和由局部极小值点形成的包络线的平均值为零。分解的具体过 程先根据吸收度D(X)的极大值点和极小值点，通过3次样条拟合，获得吸收度D(X)的 上包络曲线Vl (t)和下包络曲线v2 (t)，并求出其上包络及下包络的平均值曲线Meani (入)Mean, (A) = [v, (^) + v2 (A)](1)然后计算D (入)与Mean!(入)之差，记为、(入)D (入)-Mean!(入)=、(入) (2)将、(入)视为新的DU)重复以上操作，直到、(入)满足本征模态函数IMF条件 时，记 D:(A)视为一个本征模态函数IMF分量，作 将r (入)视为新的D U )，重复以上过程，依次得到第2个本征模态函数IMF分量 D2 U )，第3个本征模态函数IMF分量D3 U )...，直到r U )成为单调函数。于是将吸收度 DU )分解k个本征模态函数IMF分量Di (入)，D2U )，...，Di (入)，...DkU )和1个剩余 趋势项分量 2)计算吸收度DU)各分解尺度下本征模态函数IMF分量DiU)噪声的均方值 o ，根据粗大误差检验的3o准则，设定各尺度分量IMF的阈值tn = 30li，其中i = 1， 2，....k，计算过程如下 其中，MADn为第i个本征模态函数IMF分量的绝对中值偏差，定义为
(7)Median表示取中值。3)对吸收度D (入)各尺度下的本征模态函数IMF分量(入)进行阈值判别
式中i = 1,2.
k，众⑷为降噪后的本征模态函数IMF分量。
4)由降噪后的本征模态函数IMF分量众(A)重构去噪和剔除趋势项后的差 分吸收度D'(入)，
(9)
4、建立关于S02气体浓度C的方程组
(10) 式中，、为选取的第1个离散波长，1 = l，2...m，D' ( A 为第1个离散波长上 的差分吸收度，m为选取的离散波长点个数，o ‘ (A)为差分吸收截面，采用线性最小二乘 算法对式(10)进行求解，获得待测气体污染物的浓度，所述的差分吸收截面o ‘ (X)取得方法为首先，试验室内在光程长度为L的测 量室内充满标准浓度为Q的待测S02气体，由光源发射光谱hU )和透过吸收室内吸收光 谱1(A)根据朗泊比尔定理IU) =I0(A)exp(-C0Lo (入))获得S02的吸收截面o (A), 对吸收截面o (X)的处理过程如下1)对含有噪声吸收截面0 ( X )进行经验模态分解EMD，得到p个本征模态函数 IMF分量oqU)和趋势项RU)，其中q= 1，2，....p。分解的具体过程先根据吸收度 o (A)的极大值点和极小值点，通过3次样条拟合，获得信号的上包络曲线^(入)和下包 络曲线v4(t)，并求出其上包络及下包络的平均值曲线Mean2(入)
(11)然后考察o (X )与Mean2 ( A )之差记为h2 (入)，即o (入)-Mean2(入)=h2 (入)(12)将112(入)视为新的onU)重复以上操作，直到h2U)满足本征模态函数IMF条 件时，记o A ) = h2( A ) (13)o nl ( A )视为一个本征模态函数IMF分量，作o (入)-0l(入)=R(入)(14)将RU)视为新的o U)，重复以上过程，依次得到第2个本征模态函数IMF分量o2U)，第3个本征模态函数IMF分量o3U)，直到RU)成为单调函数。于是将吸收 度o U)分解p个本征模态函数IMF分量0lU)，o2(A), ... op(A)和1个剩余分量 R⑴ 2)计算吸收截面0 U)各分解尺度下本征模态函数IMF分量噪声的均方值o2q， 根据粗大误差检验的3 o准则，设定各尺度分量IMF的阈值tq = 3 o 2q，o 2q计算过程如下o 2q = MADq/0. 6745 (16)其中，MADq为第q个本征模态函数IMF分量的绝对中值偏差，定义为MADq = Median ( o q (入)-Median ( o q (入)))(17)Median表示取中值。3)对吸收截面o U )各尺度下的本征模态函数IMF分量o p U )进行阈值判别( 式中q = 1，2. . . . p，‘⑷为降噪后的本征模态函数IMF分量。4)由降噪后的本征模态函数IMF分量&⑷重构去噪和剔除趋势项后的差分吸收 度 本实用新型测量方法具体的实施流程见图2，气体吸收截面的数据处理方法见图 3。本实用新型的工作原理及工作过程仪器的工作过程是将煤样放入进样机构中，由计算机发出指令，进样机构携带煤 样进入燃烧炉燃烧，燃烧烟气由电磁泵抽吸进入紫外光谱测量室，利用紫外光源从测量室 一端进入测量室照射烟气，从测量室另外一端接收紫外吸收光谱，在计算机内由具有自适 应能力的差分吸收度和差分吸收截面数据处理方法实时测量煤样燃烧烟气中的S02浓度， 再由烟气流量，计算煤样燃烧烟气中累积的总硫量，直至无烟气产生，再由总的硫量除以煤 样量，即可获得煤质硫含量。
权利要求一种煤质含硫量紫外吸收光谱测量装置，其特征在于，包括燃烧炉(6)、测量室(3)、紫外光源(1)、光谱仪(5)、空气净化装置(10)、流量计(11)、计算机(14)，燃烧炉内部插有热电偶(7)，热电偶与第一温控装置(4’)相连；燃烧炉入口处放置进样机构(8)，同时与第一电磁泵(9)及空气净化装置(10)连接，燃烧炉出口通过管路与测量室(3)相连，测量室的外部缠绕加热带和隔热棉，并与第二温控装置(4)连接；测量室出口通过管路依次与废气处理装置(13)、干燥管(12)、流量计(11)、第二电磁泵(9’)相连接；所述的测量室包括测量管(19)，在测量管(19)的管壁上设有进气口(22)及出气口(21)，在测量管(19)的两端分别设有准值透镜(17)和聚焦透镜(20)，并分别由第一镜盖(18)、第一光纤连接座(16)及第二镜盖(18’)、第二光纤连接座(16’)将准值透镜(17)和聚焦镜(20)固紧在测量管(19)的两端，用于形成入射平行光束的紫外光源(1)通过第一光纤(2)与测量管(19)的一端的第一光纤连接座(16)连接，用于接收通过烟气的透射紫外光的光谱仪(5)通过第二光纤(2’)与测量管(19)另一端的第二光纤连接座(16’)连接。
2.根据权利要求1所述的煤质含硫量紫外吸收光谱测量装置，其特征在于，空气净化 装置由两根分别装有氢氧化钠和变色硅胶的玻璃管串连组成。
专利摘要一种煤质含硫量紫外吸收光谱测量装置，包括燃烧炉、测量室、紫外光源、光谱仪、流量计、燃烧炉内插有热电偶，热电偶与第一温控装置相连；燃烧炉入口处放置进样机构，并与第一电磁泵及空气净化装置连接，燃烧炉出口通过管路与测量室相连，测量室外部缠绕加热带和隔热棉，并与第二温控装置连接；测量室出口通过管路依次与废气处理装置、干燥管、流量计、第二电磁泵相连接；测量室包括测量管，管壁上设有进气口及出气口，测量管两端分别设有准直透镜和聚焦透镜，并分别由第一镜盖、第一光纤连接座及第二镜盖、第二光纤连接座将准直镜和聚焦镜固紧在测量管两端，紫外光源通过第一光纤与第一光纤连接座连接，光谱仪通过第二光纤与第二光纤连接座连接。本装置可广泛地应用于煤、油等可燃物质含硫量分析。
文档编号G01N21/33GK201607402SQ20102904416
公开日2010年10月13日 申请日期2010年3月2日 优先权日2010年3月2日
发明者宋飞虎, 王式民, 许传龙 申请人:东南大学