煤炭：工業(yè)的 “黑色黃金”

煤炭，素有 “工業(yè)的糧食”“黑色的金子” 之稱，是人類應(yīng)用歷史最久的礦石能源之一。它在地球上儲量豐富、分布地域廣，全球煤炭資源量達(dá) 136093 億噸 ，從早期的日常燃燒、冶鐵，到工業(yè)時代作為蒸汽機(jī)的主要燃料，推動火車等產(chǎn)物的出現(xiàn)，煤炭一直是工業(yè)發(fā)展的重要支撐。

在現(xiàn)代工業(yè)中，煤炭的地位依舊舉足輕重。在能源供應(yīng)方面，尤其在一些發(fā)展中國家，煤炭仍然是主要的能源來源之一，用于發(fā)電、供熱等領(lǐng)域。以我國為例，煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比雖隨著清潔能源的發(fā)展有所下降，但依舊是重要的能源支柱。同時，在鋼鐵生產(chǎn)中，煤炭是至關(guān)重要的原料，煤炭化工產(chǎn)業(yè)也在不斷發(fā)展，通過深加工將煤炭轉(zhuǎn)化為更有價值的化工產(chǎn)品，如通過煤炭的焦化生產(chǎn)煤焦油、焦?fàn)t煤氣、焦炭等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物不僅可作為燃料，還能用于生產(chǎn)合成纖維、合成橡膠等合成化工產(chǎn)品。

煤炭的品質(zhì)直接影響其使用效率和應(yīng)用范圍，不同品質(zhì)的煤炭在燃燒熱量、灰分和含硫量、熱量等方面存在差異，這決定了它們適用于不同的工業(yè)場景。因此，準(zhǔn)確檢測煤質(zhì)的各項指標(biāo)至關(guān)重要，它是煤炭合理利用、提高工業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測：困境中的探索

在煤炭行業(yè)發(fā)展的漫長進(jìn)程中，傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測方法長期占據(jù)主導(dǎo)地位，為煤炭質(zhì)量把控發(fā)揮了重要作用。傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測主要依靠化學(xué)分析方法，如通過燃燒煤炭樣品，然后對燃燒后的殘渣進(jìn)行稱重來確定灰分含量；利用化學(xué)滴定法測定煤炭中的硫含量；通過量熱儀測量煤炭燃燒所釋放的熱量，以此得出煤炭的發(fā)熱量。

但隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)檢測方法的局限性日益凸顯。在效率方面，傳統(tǒng)檢測流程繁瑣，從樣品采集、制備到各項指標(biāo)的分析檢測，往往需要耗費(fèi)大量時間。像一列運(yùn)煤車采樣完成后，采用傳統(tǒng)檢測方法至少需要 8 小時才能完成檢測，這對于煤炭的快速周轉(zhuǎn)和高效利用形成了阻礙。在一些大型煤炭交易場景中，因檢測時間長，導(dǎo)致煤炭裝卸和交易延遲，影響了整個供應(yīng)鏈的效率。

從成本角度來看，傳統(tǒng)檢測需要使用多種化學(xué)試劑和專業(yè)設(shè)備，采購和維護(hù)這些物資與設(shè)備成本高昂。而且檢測過程中需要專業(yè)技術(shù)人員操作，人力成本也不容小覷。例如，在進(jìn)行煤質(zhì)全分析時，需要用到元素分析儀、工業(yè)分析儀等專業(yè)設(shè)備，這些設(shè)備價格動輒數(shù)萬元甚至數(shù)十萬元，再加上化學(xué)試劑的持續(xù)消耗，使得檢測成本居高不下。

在環(huán)保方面，傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測也存在問題。檢測過程中使用的化學(xué)試劑，在檢測完成后若處理不當(dāng)，會對環(huán)境造成污染。部分化學(xué)試劑具有腐蝕性或毒性，隨意排放會危害土壤和水體。此外，傳統(tǒng)檢測方法產(chǎn)生的廢渣、廢氣等廢棄物，若沒有妥善處理，也會給環(huán)境帶來壓力 。

近紅外光譜技術(shù)：煤質(zhì)檢測的新曙光

在傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測方法面臨諸多困境時，近紅外光譜技術(shù)猶如一道曙光，為煤質(zhì)檢測領(lǐng)域帶來了新的希望和變革。

（一）技術(shù)原理大揭秘

近紅外光（Near Infrared，NIR）是介于可見光（Vis）和中紅外（MIR）之間的電磁輻射波，美國材料檢測協(xié)會（ASTM）將近紅外光譜區(qū)定義為 780 - 2526nm 的區(qū)域 ，是人們在吸收光譜中發(fā)現(xiàn)的第一個非可見光區(qū)。近紅外光譜技術(shù)正是基于物質(zhì)對近紅外光的吸收特性來實現(xiàn)對物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的分析。當(dāng)近紅外光照射到煤炭樣品上時，煤炭中的有機(jī)分子含氫基團(tuán)（如 OH、NH、CH 等）會吸收特定波長的近紅外光，引起分子振動能級的躍遷 。不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)具有不同的振動頻率，對應(yīng)著不同波長的近紅外光吸收峰，通過檢測這些吸收峰的位置、強(qiáng)度和形狀等信息，再結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法建立校正模型，就可以準(zhǔn)確地推斷出煤炭中各種成分的含量和性質(zhì)，從而實現(xiàn)對煤質(zhì)各項指標(biāo)的精確檢測。

1. 準(zhǔn)確性高有保障：雖然近紅外光譜技術(shù)與傳統(tǒng)理化分析方法相比精度略遜，但它給出的測量準(zhǔn)確度滿足生產(chǎn)過程中質(zhì)量監(jiān)控的實際要求。通過合理選擇樣品、優(yōu)化校正模型以及采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法，可以進(jìn)一步提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。在實際應(yīng)用中，近紅外光譜技術(shù)對煤質(zhì)各項指標(biāo)的檢測結(jié)果與傳統(tǒng)方法的檢測結(jié)果具有高度的相關(guān)性，能夠為煤炭的生產(chǎn)、加工和利用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2. 檢測速度創(chuàng)紀(jì)錄：傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測方法完成一次全分析可能需要數(shù)小時甚至數(shù)天，而近紅外光譜技術(shù)一旦完成儀器定標(biāo)，檢測速度極快。采用二極管列陣型檢測器結(jié)合聲光調(diào)制型分光器的分析儀，可在幾秒鐘內(nèi)完成一次測量 ，即使是普通的近紅外光譜分析儀，也能在不到一分鐘的時間內(nèi)完成待測樣品多個組分的同步測量，真正實現(xiàn)了快速檢測，極大地提高了煤炭檢測的效率，滿足了現(xiàn)代煤炭行業(yè)對快速檢測的需求。

3. 在線檢測實時控：近紅外光譜技術(shù)可以實現(xiàn)對煤炭生產(chǎn)過程的在線實時檢測。將近紅外光譜儀安裝在煤炭生產(chǎn)線上，能夠?qū)崟r監(jiān)測煤炭的質(zhì)量變化，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常情況，為生產(chǎn)調(diào)整提供及時的依據(jù)，有助于提高煤炭生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量，減少次品率，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4. 綠色環(huán)保無污染：檢測過程無需化學(xué)試劑，避免了化學(xué)試劑對環(huán)境的污染，也不存在化學(xué)廢棄物的處理問題，是一種綠色環(huán)保的檢測技術(shù)，符合當(dāng)前社會對環(huán)境保護(hù)的要求，有助于煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

近紅外光譜技術(shù)在煤質(zhì)檢測中的應(yīng)用實例

（一）水分檢測：精準(zhǔn)把控煤炭含水量

煤炭中水分含量過高會帶來諸多危害。在煤炭運(yùn)輸方面，會增加運(yùn)輸成本，因為水分的存在使得煤炭的總重量增加，卻不能提供額外的能量。在儲存過程中，高水分煤炭容易引發(fā)煤炭的氧化和自燃，降低煤炭的品質(zhì)。而在燃燒利用時，水分蒸發(fā)需要吸收熱量，從而降低了煤炭的有效發(fā)熱量，增加了能源消耗 。例如，在某火力發(fā)電廠，使用水分含量過高的煤炭作為燃料，導(dǎo)致發(fā)電效率降低，同時為了達(dá)到相同的發(fā)電量，不得不消耗更多的煤炭，增加了發(fā)電成本。

傳統(tǒng)的煤炭水分檢測方法主要有烘干法、卡爾?費(fèi)休法等。烘干法是通過加熱樣品使水分蒸發(fā)，然后稱重計算水分含量，這種方法操作簡單，但檢測時間長，通常需要數(shù)小時甚至更長時間，而且對于含有揮發(fā)性物質(zhì)或易分解的樣品可能不適用。卡爾?費(fèi)休法是一種專門用于測定微量水分的滴定方法，雖然測定結(jié)果準(zhǔn)確，靈敏度高，但操作相對復(fù)雜，需要專業(yè)的滴定設(shè)備和試劑，成本較高。

近紅外光譜技術(shù)檢測煤炭水分時，利用水（H2O）分子中含有大量的 -OH，是一種特別強(qiáng)的近紅外吸收劑，其峰值總是在 1400nm - 1550nm 和 1900nm - 2000nm 的特性，通過建立數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對煤炭水分含量的快速測定?？蒲腥藛T通過收集大量不同產(chǎn)地、不同品質(zhì)的煤炭樣品，使用近紅外光譜儀采集其光譜數(shù)據(jù)，并同時采用傳統(tǒng)烘干法測定其水分含量，以此建立近紅外光譜水分檢測模型。經(jīng)過對模型的驗證和優(yōu)化，結(jié)果顯示，該模型對煤炭水分含量的預(yù)測誤差在可接受范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)烘干法的檢測結(jié)果具有高度的相關(guān)性。在某大型煤炭企業(yè)的實際應(yīng)用中，采用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行煤炭水分在線檢測，實時監(jiān)測煤炭生產(chǎn)過程中的水分變化，及時調(diào)整生產(chǎn)工藝，有效提高了煤炭產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，減少了因水分含量波動導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問題。

（二）全硫檢測：守護(hù)環(huán)境的 “硫衛(wèi)士”

煤炭中的硫元素在燃燒時會轉(zhuǎn)化為二氧化硫等硫化物排放到大氣中，對環(huán)境造成嚴(yán)重危害。二氧化硫是形成酸雨的主要成分之一，酸雨會對土壤、水體、植被等生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，影響農(nóng)作物生長，使土壤酸化，導(dǎo)致水體生態(tài)失衡，危害水生生物的生存。同時，二氧化硫還會對人體健康產(chǎn)生不良影響，刺激呼吸道，引發(fā)咳嗽、氣喘等疾病，長期暴露在高濃度的二氧化硫環(huán)境中，還可能導(dǎo)致肺部疾病的發(fā)生 。例如，在一些以煤炭為主要能源的工業(yè)城市，由于煤炭燃燒排放的二氧化硫過多，酸雨頻發(fā)，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和居民健康造成了極大的威脅。

傳統(tǒng)的全硫檢測方法主要有艾氏卡法和高溫燃燒法。艾氏卡法是國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)方法，準(zhǔn)確度高，可作為仲裁用，但測定周期長，最早需第二天才能獲得結(jié)果，操作步驟繁瑣，分析測試流程復(fù)雜。高溫燃燒法包括高溫燃燒酸堿中和法、高溫燃燒庫侖法和高溫燃燒光譜法等，雖然速度快，但測定精度不及艾氏卡法高，在日常測定中一般能滿足需要，但不能作為仲裁分析用 。

近紅外光譜技術(shù)檢測全硫的原理是基于煤炭中含硫化合物在近紅外區(qū)域的特征吸收峰。不同的含硫化合物具有不同的分子結(jié)構(gòu)和振動模式，對應(yīng)著特定波長的近紅外光吸收。通過分析這些吸收峰的信息，并結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法建立校正模型，從而實現(xiàn)對煤炭全硫含量的檢測。與傳統(tǒng)方法相比，近紅外光譜技術(shù)檢測全硫具有快速、高效的優(yōu)勢，能夠在短時間內(nèi)完成大量樣品的檢測，大大提高了檢測效率。而且該技術(shù)無需使用化學(xué)試劑，避免了化學(xué)試劑對環(huán)境的污染和對操作人員健康的危害。在某煤炭檢測實驗室的應(yīng)用中，使用近紅外光譜技術(shù)對煤炭樣品進(jìn)行全硫檢測，檢測結(jié)果與傳統(tǒng)高溫燃燒庫侖法的檢測結(jié)果對比，誤差在合理范圍內(nèi)，且檢測速度大大提高，從原來的每個樣品檢測需要幾十分鐘縮短到幾分鐘，有效提升了實驗室的檢測能力和工作效率 。

（三）工業(yè)分析：全面解析煤炭品質(zhì)

煤的工業(yè)分析是評價煤炭質(zhì)量的重要手段，主要包括水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳的測定。通過工業(yè)分析，可以了解煤炭的基本性質(zhì)和質(zhì)量狀況，為煤炭的合理利用提供依據(jù)。例如，灰分含量反映了煤炭中礦物質(zhì)的含量，灰分過高會降低煤炭的熱值，增加燃燒后的廢渣量；揮發(fā)分含量則與煤炭的燃燒特性密切相關(guān)，揮發(fā)分高的煤炭容易著火燃燒，但燃燒穩(wěn)定性可能較差。

傳統(tǒng)的工業(yè)分析檢測方法存在諸多局限性。在檢測時間上，各項指標(biāo)的測定分別需要不同的實驗步驟和時間，整個工業(yè)分析過程耗時較長。而且不同指標(biāo)的檢測方法可能存在誤差，綜合起來會影響對煤炭品質(zhì)的準(zhǔn)確判斷。例如，傳統(tǒng)的灰分測定需要將煤炭樣品在高溫下灼燒至恒重，這個過程通常需要數(shù)小時，不僅耗費(fèi)時間，而且對實驗設(shè)備和操作人員的要求較高。

基于近紅外光譜技術(shù)的煤質(zhì)在線檢測系統(tǒng)HF-2100，具有諸多優(yōu)勢。它能夠在短時間內(nèi)同時測定煤炭的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳等多個指標(biāo)，實現(xiàn)了煤炭工業(yè)分析的快速化和一體化。而且該儀器操作簡單，對操作人員的專業(yè)技能要求相對較低，降低了人工成本和人為誤差。在某煤炭加工企業(yè)中，采用近紅外工業(yè)法分析儀器對煤炭原料和產(chǎn)品進(jìn)行實時檢測，根據(jù)檢測結(jié)果及時調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，優(yōu)化煤炭加工流程，提高了煤炭產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益 。