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(chēng)，是人類(lèi)應(yīng)用歷史最久的礦石能源之一,。它在地球上儲(chǔ)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(shí)代作為蒸汽機(jī)的主要燃料,，推動(dòng)火車(chē)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(guó)家,，煤炭仍然是主要的能源來(lái)源之一,，用于發(fā)電、供熱等領(lǐng)域,。以我國(guó)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(shí),，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(guò)深加工將煤炭轉(zhuǎn)化為更有價(jià)值的化工產(chǎn)品，如通過(guò)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(chǎng)景,。因此，準(zhǔn)確檢測(cè)煤質(zhì)的各項(xiàng)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(cè)：困境中的探索

在煤炭行業(yè)發(fā)展的漫長(zhǎng)進(jìn)程中，傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測(cè)方法長(zhǎng)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(cè)主要依靠化學(xué)分析方法，如通過(guò)燃燒煤炭樣品,，然后對(duì)燃燒后的殘?jiān)M(jìn)行稱(chēng)重來(lái)確定灰分含量,；利用化學(xué)滴定法測(cè)定煤炭中的硫含量；通過(guò)量熱儀測(cè)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(cè)方法的局限性日益凸顯,。在效率方面,，傳統(tǒng)檢測(cè)流程繁瑣，從樣品采集,、制備到各項(xiàng)指標(biāo)的分析檢測(cè),，往往需要耗費(fèi)大量時(shí)間。像一列運(yùn)煤車(chē)采樣完成后,，采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法至少需要 8 小時(shí)才能完成檢測(cè),，這對(duì)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(chǎng)景中,，因檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng),，導(dǎo)致煤炭裝卸和交易延遲，影響了整個(gè)供應(yīng)鏈的效率,。

從成本角度來(lái)看,，傳統(tǒng)檢測(cè)需要使用多種化學(xué)試劑和專(zhuān)業(yè)設(shè)備，采購(gòu)和維護(hù)這些物資與設(shè)備成本高昂,。而且檢測(cè)過(guò)程中需要專(zhuān)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(shí),，需要用到元素分析儀、工業(yè)分析儀等專(zhuān)業(yè)設(shè)備,，這些設(shè)備價(jià)格動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)元甚至數(shù)十萬(wàn)元,，再加上化學(xué)試劑的持續(xù)消耗，使得檢測(cè)成本居高不下,。

在環(huán)保方面,，傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測(cè)也存在問(wèn)題。檢測(cè)過(guò)程中使用的化學(xué)試劑，在檢測(cè)完成后若處理不當(dāng),，會(huì)對(duì)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(huì)危害土壤和水體,。此外,，傳統(tǒng)檢測(cè)方法產(chǎn)生的廢渣、廢氣等廢棄物,，若沒(méi)有妥善處理，也會(huì)給環(huán)境帶來(lái)壓力 ,。

近紅外光譜技術(shù)：煤質(zhì)檢測(cè)的新曙光

在傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測(cè)方法面臨諸多困境時(shí),，近紅外光譜技術(shù)猶如一道曙光，為煤質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)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(jiàn)光（Vis）和中紅外（MIR）之間的電磁輻射波，美國(guó)材料檢測(cè)協(xié)會(huì)（ASTM）將近紅外光譜區(qū)定義為 780 - 2526nm 的區(qū)域 ,，是人們?cè)谖展庾V中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)非可見(jiàn)光區(qū),。近紅外光譜技術(shù)正是基于物質(zhì)對(duì)近紅外光的吸收特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí),，煤炭中的有機(jī)分子含氫基團(tuán)（如 OH,、NH、CH 等）會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的近紅外光,，引起分子振動(dòng)能級(jí)的躍遷 ,。不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)具有不同的振動(dòng)頻率，對(duì)應(yīng)著不同波長(zhǎng)的近紅外光吸收峰,，通過(guò)檢測(cè)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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)煤質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)的精確檢測(cè)。

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(cè)量準(zhǔn)確度滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量監(jiān)控的實(shí)際要求,。通過(guò)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(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性,。在實(shí)際應(yīng)用中，近紅外光譜技術(shù)對(duì)煤質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)方法的檢測(cè)結(jié)果具有高度的相關(guān)性,，能夠?yàn)槊禾康纳a(chǎn),、加工和利用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2. 檢測(cè)速度創(chuàng)紀(jì)錄：傳統(tǒng)煤質(zhì)檢測(cè)方法完成一次全分析可能需要數(shù)小時(shí)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(cè)速度極快,。采用二極管列陣型檢測(cè)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(cè)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(shí)間內(nèi)完成待測(cè)樣品多個(gè)組分的同步測(cè)量，真正實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè),，極大地提高了煤炭檢測(cè)的效率,，滿(mǎn)足了現(xiàn)代煤炭行業(yè)對(duì)快速檢測(cè)的需求。

3. 在線檢測(cè)實(shí)時(shí)控：近紅外光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭生產(chǎn)過(guò)程的在線實(shí)時(shí)檢測(cè),。將近紅外光譜儀安裝在煤炭生產(chǎn)線上,，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)煤炭的質(zhì)量變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的異常情況,，為生產(chǎn)調(diào)整提供及時(shí)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(wú)污染：檢測(cè)過(guò)程無(wú)需化學(xué)試劑，避免了化學(xué)試劑對(duì)環(huán)境的污染,，也不存在化學(xué)廢棄物的處理問(wèn)題,，是一種綠色環(huán)保的檢測(cè)技術(shù)，符合當(dāng)前社會(huì)對(duì)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(cè)中的應(yīng)用實(shí)例

（一）水分檢測(cè)：精準(zhǔn)把控煤炭含水量

煤炭中水分含量過(guò)高會(huì)帶來(lái)諸多危害。在煤炭運(yùn)輸方面,，會(huì)增加運(yùn)輸成本,，因?yàn)樗值拇嬖谑沟妹禾康目傊亓吭黾樱瑓s不能提供額外的能量,。在儲(chǔ)存過(guò)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(shí),，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(guò)高的煤炭作為燃料,，導(dǎo)致發(fā)電效率降低,，同時(shí)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(cè)方法主要有烘干法、卡爾?費(fèi)休法等,。烘干法是通過(guò)加熱樣品使水分蒸發(fā),，然后稱(chēng)重計(jì)算水分含量，這種方法操作簡(jiǎn)單,，但檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng),，通常需要數(shù)小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間，而且對(duì)于含有揮發(fā)性物質(zhì)或易分解的樣品可能不適用,?？?費(fèi)休法是一種專(zhuān)門(mén)用于測(cè)定微量水分的滴定方法，雖然測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確,，靈敏度高，但操作相對(duì)復(fù)雜,，需要專(zhuān)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(cè)煤炭水分時(shí),，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(guò)建立數(shù)學(xué)模型,，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭水分含量的快速測(cè)定?？蒲腥藛T通過(guò)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(shí)采用傳統(tǒng)烘干法測(cè)定其水分含量,，以此建立近紅外光譜水分檢測(cè)模型。經(jīng)過(guò)對(duì)模型的驗(yàn)證和優(yōu)化,，結(jié)果顯示,，該模型對(duì)煤炭水分含量的預(yù)測(cè)誤差在可接受范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)烘干法的檢測(cè)結(jié)果具有高度的相關(guān)性,。在某大型煤炭企業(yè)的實(shí)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(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的水分變化,，及時(shí)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(dòng)導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。

（二）全硫檢測(cè)：守護(hù)環(huán)境的 “硫衛(wèi)士”

煤炭中的硫元素在燃燒時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為二氧化硫等硫化物排放到大氣中,，對(duì)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(huì)對(duì)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(zhǎng),，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(shí),，二氧化硫還會(huì)對(duì)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(zhǎng)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(guò)多,，酸雨頻發(fā)，對(duì)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(cè)方法主要有艾氏卡法和高溫燃燒法,。艾氏卡法是國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)方法，準(zhǔn)確度高,，可作為仲裁用,，但測(cè)定周期長(zhǎng)，最早需第二天才能獲得結(jié)果,，操作步驟繁瑣,，分析測(cè)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(kù)侖法和高溫燃燒光譜法等,，雖然速度快，但測(cè)定精度不及艾氏卡法高,，在日常測(cè)定中一般能滿(mǎn)足需要,，但不能作為仲裁分析用 。

近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)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(dòng)模式,，對(duì)應(yīng)著特定波長(zhǎng)的近紅外光吸收,。通過(guò)分析這些吸收峰的信息，并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立校正模型,，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭全硫含量的檢測(cè),。與傳統(tǒng)方法相比，近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)全硫具有快速,、高效的優(yōu)勢(shì),，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成大量樣品的檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)效率,。而且該技術(shù)無(wú)需使用化學(xué)試劑,，避免了化學(xué)試劑對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)操作人員健康的危害。在某煤炭檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用中,，使用近紅外光譜技術(shù)對(duì)煤炭樣品進(jìn)行全硫檢測(cè),，檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)高溫燃燒庫(kù)侖法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，誤差在合理范圍內(nèi),，且檢測(cè)速度大大提高,，從原來(lái)的每個(gè)樣品檢測(cè)需要幾十分鐘縮短到幾分鐘，有效提升了實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)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(píng)價(jià)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(cè)定。通過(guò)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(guò)高會(huì)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(cè)方法存在諸多局限性,。在檢測(cè)時(shí)間上，各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定分別需要不同的實(shí)驗(yàn)步驟和時(shí)間,，整個(gè)工業(yè)分析過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng),。而且不同指標(biāo)的檢測(cè)方法可能存在誤差，綜合起來(lái)會(huì)影響對(duì)煤炭品質(zhì)的準(zhǔn)確判斷,。例如,，傳統(tǒng)的灰分測(cè)定需要將煤炭樣品在高溫下灼燒至恒重,，這個(gè)過(guò)程通常需要數(shù)小時(shí)，不僅耗費(fèi)時(shí)間,，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)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(cè)系統(tǒng)HF-2100，具有諸多優(yōu)勢(shì),。它能夠在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)定煤炭的水分,、灰分、揮發(fā)分和固定碳等多個(gè)指標(biāo),，實(shí)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(jiǎn)單，對(duì)操作人員的專(zhuān)業(yè)技能要求相對(duì)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(duì)煤炭原料和產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)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(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益 。