近紅外光譜技術在煤質分析中的應用及展望

馮利

（黑龍江省煤田地質測試研究中心，黑龍江 哈爾濱 150046）

近紅外光譜技術是一種快速、高效的檢測分析技術，其主要是利用近紅外光譜對物質基團吸收較強的特性，實現對物質化學和物理特征的定量和定性分析，具有在線檢測、檢測速度快、不消耗化學試劑、無污染、檢測準確度高等優勢，現已被廣泛應用于煤質檢測分析中，并為煤炭行業的良好發展提供了有效的保障作用，因此，探究近紅外光譜技術在煤質分析中的應用具有重要的研究意義。

1 近紅外光譜技術的概念

近紅外光譜技術是一種利用物質中基團（如N-H、C-H、S-H、O-H、C=C、C=O）對近紅外光譜吸收較強的特性，再根據這些有機物質的近紅外光譜信息，定性測量和分析其對應物理、化學特征的現代化檢測分析技術，該項檢測分析技術現已被廣泛應用于食品、制藥、石油化工生產等多個領域，具有良好的檢測分析價值。

2 近紅外光譜技術在煤質分析中的應用現狀

2.1 氫含量檢測分析

氫元素是煤炭中的主要有機物質，通過測定煤炭中的氫元素含量不僅能準確計算出煤炭的實際發熱量，同時，依托燃燒溫度理論和實際燃燒設備的支持，還能明確燃燒溫度上的熱平衡狀況。以往，檢測人員多采用三節爐法測量煤炭中的氫含量，這種檢測方法操作復雜、在余熱過程中儀器耗時較長、易受到環境及人為因素的影響以及易產生較多的對環境造成污染的廢棄物，因此，其已難以適應現代的煤炭檢測分析要求。而現代研究人員通過采用近紅外光譜技術對煤炭中的氫含量進行檢測分析，發現近紅外光譜技術測量只需200～300s，另外，其還具有檢測準確度高、操作流程簡便、耗費成本低等多種優勢。劉長江等人通過采用F與t檢驗法分析和對比國標法與近紅外光譜法測定煤中氫含量的精密度、準確度，發現兩種檢測方法差異并不顯著，充分說明了近紅外光譜技術在煤質氫含量檢測分析中具有較高的可行性和準確性。

2.2 水分檢測分析

水分分析也是煤質分析中的一個重要指標，若煤炭中的水分含量過高，便會導致煤炭的有用成分大大降低，另外，其還會影響煤炭的加工利用、存儲及運輸等多個方面的性能，基于此，在使用煤炭的過程中，需采用有效的檢測技術對煤質中的水分進行測定。以往，檢測人員多采用空氣干燥法、通氮干燥法、微波干燥法對煤質水分進行測定分析，均具有檢測周期較長、重復性差等缺陷，而現代檢測人員通過采用近紅外光譜技術構建煤炭中水分的測驗模型，再采用多元線性回歸的方法繪制出回歸方程，能使人工化驗所得數值與方程計算出的預測值相關系數達到0.97，定標標準差為0.5，符合國標重復性限0.5要求，因此，近紅外光譜技術現已被不少煤炭企業用于煤質分析檢測中。

2.3 全硫檢測分析

煤炭在燃燒過程中會產生較多的含硫氣體，如S02、S03等，其中S02氣體排放到空氣中，會嚴重污染大氣環境，S03氣體排放到空氣中易與水蒸氣結合形成硫酸蒸汽，在降雨時，硫酸蒸汽則會隨著雨水降落到地表，對鋼鐵、碳酸鹽制品等產生腐蝕，因此，在實際生產過程中，還需對煤質中的含硫成分進行測定，才能更好的保護大氣環境。以往，檢測人員常采用高溫燃燒中和法、庫侖法、艾氏卡法等檢測方法測定煤質中的含硫成分，其中，高溫燃燒中和法、庫侖法雖能實現自動化檢測，但是，其需使用較多的化學物質，從而易造成較大的環境污染，采用艾氏卡法進行煤質全硫檢測分析雖然耗時較短，但是，其需經過稱量、過濾、水洗、灼燒等繁瑣操作，另外，測試過程中還需應用到多種高危險試劑，如BaCl2、HCL等，從而易對檢測人員的人身安全產生一定的威脅，并且，在實驗中還會存在較多人為影響的因素，進而難以保證檢測的效果。隨著近紅外光譜技術的出現和在煤質檢測分析中的應用，不少研究人員均證實，近紅外光譜技術測硫具有良好的選擇性和重復性，并且，其還能有效保障檢測結果的準確性。如張穎等人的研究報告中證實了采用近紅外光譜技術測定煤中硫含量，具有檢測快速、選擇性高、準確高等優勢。皮中原等人采用近紅外光譜技術對實際煤質樣品和國家標準物質全硫含量進行測定分析，該種檢測方法測定的煤樣準確度、重現性均符合國家標準要求。

3 近紅外光譜技術在煤質分析中的應用展望

近紅外光譜技術融合了基礎測量技術、光譜測量技術及化學計量等多種技術，不僅具有檢測操作方便快捷、安全、分析速度快和效率高、污染少等優勢，同時，其還能對煤質進行準確的定量和定性分析，因此，該項檢測分析技術將具有良好的應用發展空間。以下是筆者對近紅外光譜技術應用提出的幾點展望。

3.1 加強近紅外光譜在煤質分析中的標準編制研究

雖然，我國已廣泛的將近紅外光譜技術應用在煤質檢測分析中，但是，由于該項檢測技術在我國應用發展起步較晚，導致我國將近紅外光譜技術應用于煤質分析方面的檢測標準和儀器設備較為落后，目前國內關于近紅外光譜技術檢測煤質方面的標準缺乏，僅測定煤質中全硫含量具有國家標準，而國外已制定了較多煤質分析項目的檢測標準，如ASTM測定煤中全硫、氮及碳氫含量標準，ISO測定煤質中全硫含量標準等，這種現象極大地制約了檢測人員及質檢部門對近紅外光譜技術的應用，因此，相關部門需不斷加強近紅外光譜在煤質分析中的標準編制研究，盡早編制出規范的檢測標準。

3.2 加強煤質項目譜圖數據庫建設研究

煤質項目譜圖數據庫建設是保障近紅外光譜技術能夠準確測定和分析煤質的基礎條件，因此，它的作用不容被忽視，然而，我國目前在煤質分析項目中建立的譜圖數據庫并不完整，從而會對近紅外光譜在煤質分析檢測中的應用產生一定的制約作用，基于此，就需相關部門不斷加強對煤質分析項目專屬譜圖數據庫的建設。

3.3 加強其他技術與近紅外光譜技術相結合的模型研究

雖然，在煤質分析中應用近紅外光譜技術建立的預測模型能有效保障煤質檢測分析的精確度，但是，為最大限度的降低其與國際標準預測值的差距，還需不斷探尋該項技術與其它技術相結合的模型，如結合主成分分析法（PCA）、多元線性回歸法（MLR）、偏最小二乘法（PLS）、人工神經網絡法（ANN）等校正方法，才能促進預測模型的預測精度不斷提升。

3.4 加強近紅外光譜技術在其他煤炭檢測項目中的應用

采用近紅外光譜技術進行物質分析檢測具有操作簡單、分析速度快、受人為影響小、重復性好、準確度高等多種優勢，并且，其還能實現大批量檢測，因此，它的檢測分析作用不應局限于單純的煤質分析，而是需不斷擴大其在其他煤炭檢測項目中的應用空間，如煤灰成分分析、哈氏可磨性指數檢測分析等。

4 結語

煤炭是我國重要的煉鋼、煉焦及動力燃燒方面的原材料，煤炭的這些用途與煤質的好壞又具有密切的關聯，因此，在實際生產過程中，往往需采用相關檢測技術對煤質成分、結構等進行檢測和分析。關于煤質檢測分析的傳統方法有多種，這些傳統檢測方法均存在或多或少的缺陷，如檢測操作復雜、工作效率低、污染高等，隨著近紅外光譜技術在煤質檢測分析中的應用，不少研究均證實，其在煤炭中氫含量、水分、全硫等煤質檢測分析方面均具有良好的應用價值，不僅具有操作簡單、分析速度快、受人為影響小、重復性好、準確度高等多種優勢，還能實現大批量檢測，可見，其為煤質分析應用提供了廣闊的發展空間。但是，由于該項檢測分析技術在我國應用發展起步較晚，其也存在一定的不足，如檢測設備落后、檢測標準缺乏以及煤質項目譜圖數據庫建設不完整等，因此，相關部門需不斷加強近紅外光譜在煤質分析中的標準編制研究、加強煤質項目譜圖數據庫建設研究、加強其他技術與近紅外光譜技術相結合的模型研究以及加強近紅外光譜技術在其他煤炭檢測項目中的應用，才能使得該項技術具有更好的發展空間。