【摘要】：煤粉作為燃料或化工原料具有節(jié)能高效、清潔環(huán)保等優(yōu)勢,是實現(xiàn)煤炭能源高效、清潔利用的主要形式。煤粉的點燃敏感性關(guān)系到煤粉利用設(shè)備運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性,研究煤粉的點燃敏感性對工業(yè)生產(chǎn)和科研實踐中具有重要的意義。傳統(tǒng)的煤粉點燃敏感性分析技術(shù)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代工業(yè)中快速分析要求。利用光譜技術(shù)進(jìn)行煤粉相關(guān)參數(shù)的分析是一種新型的檢測方法,但該技術(shù)是一種間接分析方法,分析結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于光譜數(shù)據(jù)和選用的數(shù)學(xué)模型。因此針對煤粉光譜數(shù)據(jù)易受散射影響、維數(shù)高、特征不明顯等問題,研究光譜數(shù)據(jù)的散射校正、數(shù)據(jù)降維、特征提取以及構(gòu)建定量分析模型十分有必要。太赫茲時域光譜是一種新型光譜技術(shù),由于該頻段內(nèi)包含了物質(zhì)分子的振動和旋轉(zhuǎn)特征信息,而這些信息與物質(zhì)的物理、化學(xué)和結(jié)構(gòu)有關(guān),因此太赫茲時域光譜技術(shù)在物質(zhì)分子、化學(xué)組分以及宏觀結(jié)構(gòu)檢測領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。本文以太赫茲時域光譜技術(shù)為檢測方法對煤粉的平均粒徑、煤質(zhì)和點燃敏感性做了定性和定量分析研究,主要研究工作及成果如下:(1)針對煤粉-HDPE粉末復(fù)合物樣品壓片在太赫茲時域光譜測量過程中因散射產(chǎn)生光譜扭曲的問題,提出了煤粉太赫茲本征吸收譜的提取模型,在此基礎(chǔ)上對比了兩種有效場近似理論(Effective field Approximation,EFA)和準(zhǔn)晶體近似理論(Quasi-Crystalline Approximation,QCA)對煤粉-HDPE壓片太赫茲消光譜散射校正的適用性。實驗結(jié)果表明QCA結(jié)合Waterman-Truell EFA理論具有較好的散射校正效果,為不同粒度煤粉的太赫茲光譜定量分析提供了一種有效的散射校正方法。(2)針對傳統(tǒng)煤粉細(xì)度檢測方法取樣過程復(fù)雜,容易造成煤粉二次破碎,且存在樣品檢測濃度低等問題,提出了一種基于太赫茲時域光譜信號混沌特性的煤粉平均粒徑檢測方法。應(yīng)用混沌非線性動力系統(tǒng)時間序列的概念分析太赫茲時域光譜信號,提取了太赫茲時域信號的混沌特征。基于混沌特征與煤粉平均粒徑存在的定性關(guān)系,利用支持向量機(jī)(SVM)建立了混沌特征與煤粉平均粒徑之間的數(shù)學(xué)定量模型,并分別采用引力搜索算法(GSA)和PSO算法對SVM的參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),實驗結(jié)果表明了混沌特征變量結(jié)合GSA-SVM對煤粉平均粒徑的預(yù)測具有較高的準(zhǔn)確性和收斂速度,并采用未知平均粒徑的煤樣對模型進(jìn)行了驗證,取得了較為準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。(3)針對煤粉太赫茲時域光譜高維數(shù),信息冗余的問題,提出了一種基于流形學(xué)習(xí)算法結(jié)合最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)的煤粉灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量和含碳量的定量分析方法。利用主成分分析(PCA)、高斯過程潛變量模型(GPLVM)、隨機(jī)臨近嵌入(SNE)和最大方差展開(MVU)四種流形學(xué)習(xí)算法提取了不同煤質(zhì)太赫茲光譜的特征變量作為LSSVM建模的輸入變量,采用自適應(yīng)混沌粒子群算法(ACPSO)對LSSVM的參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。實驗結(jié)果表明,SNE結(jié)合ACPSO-LSSVM算法具有較高的預(yù)測相關(guān)系數(shù)和較低的均方根誤差,基于太赫茲時域光譜技術(shù)可實現(xiàn)煤質(zhì)的定量分析。(4)針對煤粉點燃敏感性定量分析的問題,提出了煤粉太赫茲時域光譜信號混沌特征和頻域流形學(xué)習(xí)算法相結(jié)合,構(gòu)建不同煤質(zhì)和平均粒度煤粉點燃敏感性定量分析模型的方法。通過熱重分析法確定了不同煤質(zhì)和平均粒徑對煤粉點燃敏感性的影響。利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)測量了煤樣的時域信號和消光譜,采用太赫茲時域信號的混沌特征和SNE流形學(xué)習(xí)算法提取的煤樣消光譜特征值共同組成了煤粉點燃敏感性特征變量,并通過ACPSO-LSSVM和GSA-SVM構(gòu)建了特征變量與煤粉點燃敏感性之間的數(shù)學(xué)模型。實驗表明,GSA-SVM算法具有良好的建模性能,利用太赫茲時域混沌特征和流形學(xué)習(xí)提取特征相結(jié)合的方法能夠準(zhǔn)確的分辨煤質(zhì)和粒徑對煤粉點燃敏感性造成的影響。本文利用太赫茲時域光譜技術(shù)結(jié)合光譜學(xué)、煤化學(xué)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等多門學(xué)科的知識對煤粉點燃敏感性相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了煤粉點燃敏感性定量分析模型的構(gòu)建。研究成果豐富了太赫茲光譜數(shù)據(jù)處理和回歸預(yù)測模型的相關(guān)理論,并可有效提高煤粉點燃敏感性相關(guān)參數(shù)分析的準(zhǔn)確性,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)煤粉點燃敏感性定量分析方法的不足,對太赫茲時域光譜技術(shù)在煤粉點燃敏感性分析和評價方法應(yīng)用具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ533
【圖文】：

TeraKit-TDS 光譜儀掃描時間范圍 60ps，頻率范圍 1~12T產(chǎn)生與探測采用 DSTMS 有機(jī)非線性晶體實現(xiàn)，儀器可以產(chǎn)太赫茲脈沖。激光（975nm）鎖相放大器飛秒激光（1560nm）M1M2M3M4M6M5M8M7M1P1P2時延模塊分光鏡PM2計算機(jī)紅外濾光片樣品太赫茲發(fā)生器太赫茲探測器探測光泵浦光控制器光電傳感器PM1(a)(b)

蒸氣和其他氣體雜質(zhì)以及其他電磁波對 THz 脈沖的影響，儀器將太赫茲光路（圖2-6(a)中虛線框內(nèi)）用鋁合金罩密封接地并充入高純氮氣。圖2-7 樣品架 (a) 設(shè)計圖 (b) 實物照片F(xiàn)igure 2-7 sample holder (a) scheme (b) physical map為了避免更換樣品過程破壞干燥的氮氣環(huán)境，本文在實驗中重新設(shè)計樣品托盤，并通過 Makerbot Z18 3D 打印機(jī)制成實體，可以一次性測量 9 種樣品而不需要開啟暗盒。如圖 2-7 所示，該樣品托盤為了配合儀器樣品池托架，尺寸為寬55mm 高 60mm 厚 3mm，以 3 3 的形式分布有 9 個直徑 13.5mm 的沉孔樣品槽，其中沉孔內(nèi)徑 13.2mm，厚度 1.5mm。在制備樣品時

2 太赫茲光譜技術(shù)與實驗條件110℃干燥除去煤樣中的內(nèi)在水分。干燥步驟如下：（1）通過電子天平的初始重量 M1；（2）干燥 24 小時后取出煤樣進(jìn)行稱量得到 M2。那么的相對偏離可表示為：1 2D1100%M MRM 重復(fù)步驟（1）和（2）直到 RD小于 0.1%。（3）將煤樣遮光密封保在壓片和測量過程中盡可能縮短暴露在空氣中的時間以減少空氣中水影響。煤粉樣品的制樣過程中采用化學(xué)分析純高密度聚乙烯粉末作為稀粉與高密度聚乙烯粉末按照一定質(zhì)量比例均勻混合放入壓片模具中，再機(jī)施加一定壓力（視樣品成型情況來確定）使混合物形成具有一定厚以便用于太赫茲時域光譜設(shè)備的測量。壓片機(jī)與模具如圖 2-8 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2805043