太空采矿?YES!激光诱导极速元素分析

原创 HOT浩特智能科技 2022-07-22

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激光诱导等离子体(LIPS)

煤炭全组分在线测量系统

    其他矿物全元素在线测量研发中


【技术种草】

太空采矿?

LIPS激光诱导在线元素检测来袭

欢迎戳戳~


2011年11月,美国国家宇航局成功发射了“好奇号(Curiosity)”火星探测器,其首次搭载了由美国宇航局喷气推进实验室所研发的ChemCam仪器设备,该设备主要用于火星岩石成分的快速实时分析。ChemCam由一个激光诱导击穿光谱仪和一个高分辨率成像仪组成,其中激光诱导击穿光谱仪便采用了一项重要的元素测量技术—LIPS

ChemCam外形图

图源于网络,侵删



什么是LIPS技术?

LIPS全称:

Laser-induced plasma spectroscopy,又名激光诱导等离子光谱技术。


它是基于原子光谱和离子光谱的波长与特定的元素具有一一对应的关系,而光谱信号强度又与对应元素的含量具有一定的量化关系等基础原理而研发的元素测量技术

激光诱导等离子体光谱激发原理图】

(图源于网络,侵删)

激光经透镜聚焦在样品表面,当激光脉冲的能量大于样品的击穿门槛能量时,便会在样品表面局部产生等离子体,这一过程即为激光诱导等离子体。等离子体向外界环境膨胀过程中逐渐冷却,并发射表征样品组分信息的光谱。利用光电探测器和光谱仪对等离子体发射的光谱进行采集,通过解析等离子体光谱,并结合定量分析模型,即可得到分析样品组分的类别和含量信息。

火星土壤LIPS元素分析图】

(图源于网络,侵删)




基于LIPS的激光诱导极速元素分析技术原理、优势及应用

基于LIPS原理,可以开发激光诱导极速元素分析技术。它能以高能激光作为激发源,利用高能脉冲激光(几纳秒内)对样品表面进行照射,使该范围内的样品形成等离子体,再配合元素光谱测量系统对样品等离子体产生的特征光谱进行特殊分析,即可在短时间内对样品进行快速定性定量分析,从而获取样品中各元素含量的信息。

LIPS激光元素分析仪原理】

相比其他传统元素分析技术,激光元素分析技术具有以下优点:

1. 可定性定量分析几乎所有元素;

2. 可对多种形态物质(固体、液体、气体)进行几乎无损的分析;

3. 样品无需预处理,可分析不均匀样品;

4. 分析速度快,几秒钟即可完成样品分析,可做在线分析;

5. 安全无辐射,对操作人员无任何身体损害;

6. 非接触分析,可应对多种环境。

基于LIPS的激光诱导极速元素分析与其他技术比较】

基于LIPS激光诱导等离子体技术的极速元素分析技术具有很强的适用性,因此,基于此技术可发展出多类型,多行业的应用,如:

1. 冶金工程

2. 宝石鉴定

3. 考古分析

4. 生物医学

5. 食品工业

6. 军工用途

7. 环境检测

8. 材料分析

9. 太空采矿




激光诱导等离子体煤炭全组分在线测量系统

开发背景:

选煤厂智能化建设首要问题是智能感知,最迫切问题是灰分的在线测量。选煤厂LIPS应运而生,可在线实时分析,控制成本


现有的煤炭灰分测量手段分为四种:

1. 传统测量法:存在诸多问题,如人工采制样化验,存在安全隐患;输出结果时间滞后,难以实现智能化等

2. 有源在线灰分仪:价格昂贵、放射源衰减快

3、无源在线灰分仪:应用的普适性不强且测量准确度和精密度不佳

4、其他灰分测量法:激光诱导等离子体光谱法,实现光谱到灰分



技术原理:

利用高能脉冲激光(几个纳秒的时间宽度)照射煤表面,在几微米的范围内产生一万度以上高温,引起该区域内煤形成等离子体,等离子体中的各种元素发光,测量该光谱,可以获得各元素的含量信息。称之为“激光诱导等离子体光谱测量(LIPS)。

煤炭典型光谱,庞庞塔浮选入料煤泥,灰分:26.25%】

(图源于网络,侵删)


应用现状:

工业性试验2020年11月至2021年7月在庞庞塔选煤厂进行,目前使用近一年时间。试验情况表明,激光测灰仪维护简单,工作情况稳定,验证了高湿、高粉尘、高震动、高温度变化、在线测量环境下的工作性能。对同一煤样重复检测,本机绝对误差≤0.2%,与人工化验结果的绝对误差≤0.3%,满足国标对检测误差的要求,生产中与化验结果的误差0.4%左右。


盘江集团月亮田矿选煤厂、大唐集团龙王沟矿选煤厂等已选用。


Notice

采用激光诱导等离子体光谱测量技术(LIPS)对煤炭中全元素含量进行在线测定,可准确得到煤炭的灰分、硫分、固定碳、挥发分、发热量等工业分析指标。


LIPS煤炭全组分测量系统安全无放射源,可实现煤炭全元素高准确度、高精度在线测量。具有体积小、安装调试简单、易操作维护等特点,为选煤厂智能化建设提供了有效感知手段。


采用基于机器学习和数据挖掘的人工智能算法处理光谱与灰分数据,可实现输出值与烧灰值的高度一致;对同一煤样重复检测,本机绝对误差≤0.2%,与人工化验结果的绝对误差0.3%,满足国标对检测误差的要求。生产中在线检测,绝对误差0.4%左右(灰分小于15%)。


联系方式



王经理

电话: 159-2743-9651

微信: wb15927439651



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