煤炭，素有 “工業(yè)的糧食"“黑色的金子" 之稱，是人類應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 136093 億噸 ，從早期的日常燃燒、冶鐵，到工業(yè)時代作為蒸汽機的主要燃料，推動火車等產物的出現(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*。在能源供應方面，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、供熱等領域。以我國為例，煤炭在能源消費結構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，在鋼鐵生產中，煤炭是至關重要的原料，煤炭化工產業(yè)也在不斷發(fā)展，通過深加工將煤炭轉化為更有價值的化工產品，如通過煤炭的焦化生產煤焦油、焦爐煤氣、焦炭等產物，這些產物不僅可作為燃料，還能用于生產合成纖維、合成橡膠等合成化工產品。
煤炭的品質直接影響其使用效率和應用范圍，不同品質的煤炭在燃燒熱量、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，準確檢測煤質的各項指標至關重要，它是煤炭合理利用、提高工業(yè)生產效率和產品質量的關鍵。
在煤炭行業(yè)發(fā)展的漫長進程中，傳統(tǒng)煤質檢測方法長期占據(jù)主導地位，為煤炭質量把控發(fā)揮了重要作用。傳統(tǒng)煤質檢測主要依靠化學分析方法，如通過燃燒煤炭樣品，然后對燃燒后的殘渣進行稱重來確定灰分含量；利用化學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、制備到各項指標的分析檢測，往往需要耗費大量時間。像一列運煤車采樣完成后，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，導致煤炭裝卸和交易延遲，影響了整個供應鏈的效率。
從成本角度來看，傳統(tǒng)檢測需要使用多種化學試劑和專業(yè)設備，采購和維護這些物資與設備成本高昂。而且檢測過程中需要專業(yè)技術人員操作，人力成本也不容小覷。例如，在進行煤質全分析時，需要用到元素分析儀、工業(yè)分析儀等專業(yè)設備，這些設備價格動輒數(shù)萬元甚至數(shù)十萬元，再加上化學試劑的持續(xù)消耗，使得檢測成本居高不下。
在環(huán)保方面，傳統(tǒng)煤質檢測也存在問題。檢測過程中使用的化學試劑，在檢測完成后若處理不當，會對環(huán)境造成污染。部分化學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 。
在傳統(tǒng)煤質檢測方法面臨諸多困境時，近紅外光譜技術猶如一道曙光，為煤質檢測領域帶來了新的希望和變革。
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)。近紅外光譜技術正是基于物質對近紅外光的吸收特性來實現(xiàn)對物質成分和結構的分析。當近紅外光照射到煤炭樣品上時，煤炭中的有機分子含氫基團（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 。不同的化學鍵或官能團具有不同的振動頻率，對應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、強度和形狀等信息，再結合化學計量學方法建立校正模型，就可以準確地推斷出煤炭中各種成分的含量和性質，從而實現(xiàn)對煤質各項指標的精確檢測。
1. 準確性高有保障：雖然近紅外光譜技術與傳統(tǒng)理化分析方法相比精度略遜，但它給出的測量準確度滿足生產過程中質量監(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的數(shù)據(jù)分析算法，可以進一步提高檢測的準確性和可靠性。在實際應用中，近紅外光譜技術對煤質各項指標的檢測結果與傳統(tǒng)方法的檢測結果具有高度的相關性，能夠為煤炭的生產、加工和利用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
2. 檢測速度創(chuàng)紀錄：傳統(tǒng)煤質檢測方法完成一次全分析可能需要數(shù)小時甚至數(shù)天，而近紅外光譜技術一旦完成儀器定標，檢測速度極快。采用二極管列陣型檢測器結合聲光調制型分光器的分析儀，可在幾秒鐘內完成一次測量 ，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：近紅外光譜技術可以實現(xiàn)對煤炭生產過程的在線實時檢測。將近紅外光譜儀安裝在煤炭生產線上，能夠實時監(jiān)測煤炭的質量變化，及時發(fā)現(xiàn)生產過程中的異常情況，為生產調整提供及時的依據(jù)，有助于提高煤炭生產的穩(wěn)定性和產品質量，減少次品率，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。
4. 綠色環(huán)保無污染：檢測過程無需化學試劑，避免了化學試劑對環(huán)境的污染，也不存在化學廢棄物的處理問題，是一種綠色環(huán)保的檢測技術，符合當前社會對環(huán)境保護的要求，有助于煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
煤炭中水分含量過高會帶來諸多危害。在煤炭運輸方面，會增加運輸成本，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。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，導致發(fā)電效率降低，同時為了達到相同的發(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)性物質或易分解的樣品可能不適用。卡爾?費休法是一種專門用于測定微量水分的滴定方法，雖然測定結果準確，靈敏度高，但操作相對復雜，需要專業(yè)的滴定設備和試劑，成本較高。
近紅外光譜技術檢測煤炭水分時，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)學模型，實現(xiàn)對煤炭水分含量的快速測定。科研人員通過收集大量不同產地、不同品質的煤炭樣品，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，結果顯示，該模型對煤炭水分含量的預測誤差在可接受范圍內，與傳統(tǒng)烘干法的檢測結果具有高度的相關性。在某大型煤炭企業(yè)的實際應用中，采用近紅外光譜技術進行煤炭水分在線檢測，實時監(jiān)測煤炭生產過程中的水分變化，及時調整生產工藝，有效提高了煤炭產品的質量穩(wěn)定性，減少了因水分含量波動導致的產品質量問題。
煤炭中的硫元素在燃燒時會轉化為二氧化硫等硫化物排放到大氣中，對環(huán)境造成嚴重危害。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，影響農作物生長，使土壤酸化，導致水體生態(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?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準方法，準確度高，可作為仲裁用，但測定周期長，最早需第二天才能獲得結果，操作步驟繁瑣，分析測試流程復雜。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構和振動模式，對應著特定波長的近紅外光吸收。通過分析這些吸收峰的信息，并結合化學計量學方法建立校正模型，從而實現(xiàn)對煤炭全硫含量的檢測。與傳統(tǒng)方法相比，近紅外光譜技術檢測全硫具有快速、高效的優(yōu)勢，能夠在短時間內完成大量樣品的檢測，大大提高了檢測效率。而且該技術無需使用化學試劑，避免了化學試劑對環(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用中，使用近紅外光譜技術對煤炭樣品進行全硫檢測，檢測結果與傳統(tǒng)高溫燃燒庫侖法的檢測結果對比，誤差在合理范圍內，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 。
煤的工業(yè)分析是評價煤炭質量的重要手段，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和質量狀況，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，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。而且不同指標的檢測方法可能存在誤差，綜合起來會影響對煤炭品質的準確判斷。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，不僅耗費時間，而且對實驗設備和操作人員的要求較高。
基于近紅外光譜技術的煤質在線檢測系統(tǒng)HF-2100，具有諸多優(yōu)勢。它能夠在短時間內同時測定煤炭的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳等多個指標，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品進行實時檢測，根據(jù)檢測結果及時調整生產工藝參數(shù)，優(yōu)化煤炭加工流程，提高了煤炭產品的質量和生產效率，降低了生產成本，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益 。
