近红外光谱技术在煤质分析中的应用及展望

冯利

（黑龙江省煤田地质测试研究中心，黑龙江 哈尔滨 150046）

近红外光谱技术是一种快速、高效的检测分析技术，其主要是利用近红外光谱对物质基团吸收较强的特性，实现对物质化学和物理特征的定量和定性分析，具有在线检测、检测速度快、不消耗化学试剂、无污染、检测准确度高等优势，现已被广泛应用于煤质检测分析中，并为煤炭行业的良好发展提供了有效的保障作用，因此，探究近红外光谱技术在煤质分析中的应用具有重要的研究意义。

1 近红外光谱技术的概念

近红外光谱技术是一种利用物质中基团（如N-H、C-H、S-H、O-H、C=C、C=O）对近红外光谱吸收较强的特性，再根据这些有机物质的近红外光谱信息，定性测量和分析其对应物理、化学特征的现代化检测分析技术，该项检测分析技术现已被广泛应用于食品、制药、石油化工生产等多个领域，具有良好的检测分析价值。

2 近红外光谱技术在煤质分析中的应用现状

2.1 氢含量检测分析

氢元素是煤炭中的主要有机物质，通过测定煤炭中的氢元素含量不仅能准确计算出煤炭的实际发热量，同时，依托燃烧温度理论和实际燃烧设备的支持，还能明确燃烧温度上的热平衡状况。以往，检测人员多采用三节炉法测量煤炭中的氢含量，这种检测方法操作复杂、在余热过程中仪器耗时较长、易受到环境及人为因素的影响以及易产生较多的对环境造成污染的废弃物，因此，其已难以适应现代的煤炭检测分析要求。而现代研究人员通过采用近红外光谱技术对煤炭中的氢含量进行检测分析，发现近红外光谱技术测量只需200～300s，另外，其还具有检测准确度高、操作流程简便、耗费成本低等多种优势。刘长江等人通过采用F与t检验法分析和对比国标法与近红外光谱法测定煤中氢含量的精密度、准确度，发现两种检测方法差异并不显著，充分说明了近红外光谱技术在煤质氢含量检测分析中具有较高的可行性和准确性。

2.2 水分检测分析

水分分析也是煤质分析中的一个重要指标，若煤炭中的水分含量过高，便会导致煤炭的有用成分大大降低，另外，其还会影响煤炭的加工利用、存储及运输等多个方面的性能，基于此，在使用煤炭的过程中，需采用有效的检测技术对煤质中的水分进行测定。以往，检测人员多采用空气干燥法、通氮干燥法、微波干燥法对煤质水分进行测定分析，均具有检测周期较长、重复性差等缺陷，而现代检测人员通过采用近红外光谱技术构建煤炭中水分的测验模型，再采用多元线性回归的方法绘制出回归方程，能使人工化验所得数值与方程计算出的预测值相关系数达到0.97，定标标准差为0.5，符合国标重复性限0.5要求，因此，近红外光谱技术现已被不少煤炭企业用于煤质分析检测中。

2.3 全硫检测分析

煤炭在燃烧过程中会产生较多的含硫气体，如S02、S03等，其中S02气体排放到空气中，会严重污染大气环境，S03气体排放到空气中易与水蒸气结合形成硫酸蒸汽，在降雨时，硫酸蒸汽则会随着雨水降落到地表，对钢铁、碳酸盐制品等产生腐蚀，因此，在实际生产过程中，还需对煤质中的含硫成分进行测定，才能更好的保护大气环境。以往，检测人员常采用高温燃烧中和法、库仑法、艾氏卡法等检测方法测定煤质中的含硫成分，其中，高温燃烧中和法、库仑法虽能实现自动化检测，但是，其需使用较多的化学物质，从而易造成较大的环境污染，采用艾氏卡法进行煤质全硫检测分析虽然耗时较短，但是，其需经过称量、过滤、水洗、灼烧等繁琐操作，另外，测试过程中还需应用到多种高危险试剂，如BaCl2、HCL等，从而易对检测人员的人身安全产生一定的威胁，并且，在实验中还会存在较多人为影响的因素，进而难以保证检测的效果。随着近红外光谱技术的出现和在煤质检测分析中的应用，不少研究人员均证实，近红外光谱技术测硫具有良好的选择性和重复性，并且，其还能有效保障检测结果的准确性。如张颖等人的研究报告中证实了采用近红外光谱技术测定煤中硫含量，具有检测快速、选择性高、准确高等优势。皮中原等人采用近红外光谱技术对实际煤质样品和国家标准物质全硫含量进行测定分析，该种检测方法测定的煤样准确度、重现性均符合国家标准要求。

3 近红外光谱技术在煤质分析中的应用展望

近红外光谱技术融合了基础测量技术、光谱测量技术及化学计量等多种技术，不仅具有检测操作方便快捷、安全、分析速度快和效率高、污染少等优势，同时，其还能对煤质进行准确的定量和定性分析，因此，该项检测分析技术将具有良好的应用发展空间。以下是笔者对近红外光谱技术应用提出的几点展望。

3.1 加强近红外光谱在煤质分析中的标准编制研究

虽然，我国已广泛的将近红外光谱技术应用在煤质检测分析中，但是，由于该项检测技术在我国应用发展起步较晚，导致我国将近红外光谱技术应用于煤质分析方面的检测标准和仪器设备较为落后，目前国内关于近红外光谱技术检测煤质方面的标准缺乏，仅测定煤质中全硫含量具有国家标准，而国外已制定了较多煤质分析项目的检测标准，如ASTM测定煤中全硫、氮及碳氢含量标准，ISO测定煤质中全硫含量标准等，这种现象极大地制约了检测人员及质检部门对近红外光谱技术的应用，因此，相关部门需不断加强近红外光谱在煤质分析中的标准编制研究，尽早编制出规范的检测标准。

3.2 加强煤质项目谱图数据库建设研究

煤质项目谱图数据库建设是保障近红外光谱技术能够准确测定和分析煤质的基础条件，因此，它的作用不容被忽视，然而，我国目前在煤质分析项目中建立的谱图数据库并不完整，从而会对近红外光谱在煤质分析检测中的应用产生一定的制约作用，基于此，就需相关部门不断加强对煤质分析项目专属谱图数据库的建设。

3.3 加强其他技术与近红外光谱技术相结合的模型研究

虽然，在煤质分析中应用近红外光谱技术建立的预测模型能有效保障煤质检测分析的精确度，但是，为最大限度的降低其与国际标准预测值的差距，还需不断探寻该项技术与其它技术相结合的模型，如结合主成分分析法（PCA）、多元线性回归法（MLR）、偏最小二乘法（PLS）、人工神经网络法（ANN）等校正方法，才能促进预测模型的预测精度不断提升。

3.4 加强近红外光谱技术在其他煤炭检测项目中的应用

采用近红外光谱技术进行物质分析检测具有操作简单、分析速度快、受人为影响小、重复性好、准确度高等多种优势，并且，其还能实现大批量检测，因此，它的检测分析作用不应局限于单纯的煤质分析，而是需不断扩大其在其他煤炭检测项目中的应用空间，如煤灰成分分析、哈氏可磨性指数检测分析等。

4 结语

煤炭是我国重要的炼钢、炼焦及动力燃烧方面的原材料，煤炭的这些用途与煤质的好坏又具有密切的关联，因此，在实际生产过程中，往往需采用相关检测技术对煤质成分、结构等进行检测和分析。关于煤质检测分析的传统方法有多种，这些传统检测方法均存在或多或少的缺陷，如检测操作复杂、工作效率低、污染高等，随着近红外光谱技术在煤质检测分析中的应用，不少研究均证实，其在煤炭中氢含量、水分、全硫等煤质检测分析方面均具有良好的应用价值，不仅具有操作简单、分析速度快、受人为影响小、重复性好、准确度高等多种优势，还能实现大批量检测，可见，其为煤质分析应用提供了广阔的发展空间。但是，由于该项检测分析技术在我国应用发展起步较晚，其也存在一定的不足，如检测设备落后、检测标准缺乏以及煤质项目谱图数据库建设不完整等，因此，相关部门需不断加强近红外光谱在煤质分析中的标准编制研究、加强煤质项目谱图数据库建设研究、加强其他技术与近红外光谱技术相结合的模型研究以及加强近红外光谱技术在其他煤炭检测项目中的应用，才能使得该项技术具有更好的发展空间。