在煤氣化裝置中，粗煤氣氣體組分的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)在線監(jiān)測(cè)對(duì)優(yōu)化氣化爐性能、提升有效氣產(chǎn)量至關(guān)重要。然而，粗煤氣氣體組分復(fù)雜，其監(jiān)測(cè)工況具有高溫、高壓、高濕、高粉塵的特點(diǎn)。傳統(tǒng)多組分氣體分析技術(shù)存在響應(yīng)速度慢、成本高昂、可測(cè)氣體種類有限等不足，難以滿足煤氣化工業(yè)過(guò)程對(duì)多組分氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求。本文結(jié)合煤氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)解析新一代激光拉曼氣體分析技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)粗煤氣多組分氣體的快速、準(zhǔn)確在線監(jiān)測(cè)，從而有效提升煤氣化工藝的整體生產(chǎn)水平。

一、煤氣化技術(shù)的重要地位與發(fā)展趨勢(shì)

在我國(guó)，煤炭是自主保障可靠的基礎(chǔ)能源，長(zhǎng)期在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。但煤炭消費(fèi)也帶來(lái)了大量二氧化碳排放——2024年，我國(guó)二氧化碳排放總量中煤炭占比約為60%。在“雙碳"目標(biāo)背景下，加強(qiáng)煤炭低碳化利用已成為迫切需求，而煤氣化正是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔、高效、低碳化利用的重要途徑。

煤氣化本質(zhì)上是將煤炭通過(guò)氣化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為煤氣。作為一種混合氣體，煤氣可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品、電力、制氫和煉鋼等領(lǐng)域。過(guò)去20年，我國(guó)煤氣化技術(shù)快速發(fā)展，支撐了現(xiàn)代煤化工體系的建立。當(dāng)前煤氣化技術(shù)仍在不斷進(jìn)步，總體趨勢(shì)是大型化、高效率、多原料適應(yīng)性等。

二、煤氣化裝置粗煤氣在線監(jiān)測(cè)的需求與痛點(diǎn)

在工業(yè)氣化爐裝置中，煤和氧氣在高溫、高壓條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成粗煤氣。為優(yōu)化氣化爐性能，提高有效氣產(chǎn)量，需要對(duì)洗滌塔出口的粗煤氣氣體組分進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。該分析面臨的主要難點(diǎn)包括：

• 監(jiān)測(cè)氣體組分多：涉及CO、CO?、CH?、H?S、H?、O?、N?等氣體；

• 性能要求高：需滿足測(cè)量準(zhǔn)確性與快速響應(yīng)；

• 工況條件復(fù)雜：高溫、高壓、高濕、高粉塵、高危和易結(jié)晶等。

圖1 煤氣化裝置粗煤氣在線監(jiān)測(cè)示意圖

目前，主要的多組分氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)包括氣相色譜法、質(zhì)譜法和分子光譜法。其中，分子光譜法雖檢測(cè)速度快，但常見(jiàn)的NDIR、TDLAS等吸收光譜分析技術(shù)都難以測(cè)量雙原子氣體，不適用于粗煤氣在線監(jiān)測(cè)的需求場(chǎng)景。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，氣相色譜法雖可在線監(jiān)測(cè)8種主要?dú)怏w成分，但最快測(cè)量間隔約10分鐘，難以滿足實(shí)時(shí)響應(yīng)需求；質(zhì)譜法可在15s內(nèi)測(cè)量8種氣體，但設(shè)備精密、構(gòu)造復(fù)雜，維護(hù)難度大。這些技術(shù)的局限性催生了新一代氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的誕生。

三、四方儀器新一代激光拉曼光譜氣體分析儀，實(shí)現(xiàn)粗煤氣多組分氣體在線精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)

四方儀器深耕氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域二十余年。作為專業(yè)的氣體監(jiān)測(cè)方案提供商，依托其核心氣體傳感技術(shù)平臺(tái)，并在國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)支持下，歷經(jīng)數(shù)年持續(xù)攻關(guān)，成功開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商業(yè)化產(chǎn)品——激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA系列。針對(duì)煤氣化裝置粗煤氣多組分在線氣體監(jiān)測(cè)的需求，四方儀器進(jìn)一步推出了原位激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-3200EX，實(shí)現(xiàn)一拖多部署，靈活擴(kuò)展。

1、核心技術(shù)原理——激光拉曼（LRD）

激光拉曼技術(shù)是一種基于氣體拉曼散射的光譜類氣體分析技術(shù)。利用高光束質(zhì)量的激光器發(fā)出特定波長(zhǎng)的激光，經(jīng)過(guò)消色差透鏡在氣體室中聚焦，在焦點(diǎn)位置激光和氣體分子相互碰撞產(chǎn)生拉曼散射。不同氣體對(duì)應(yīng)的拉曼散射光波長(zhǎng)不同（稱為氣體的拉曼特征峰），且拉曼峰的強(qiáng)度和氣體濃度值成正比。通過(guò)光譜分析氣體拉曼特征峰的位置和強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)多組分同時(shí)測(cè)量。此外，由于拉曼散射光譜的激發(fā)和收集時(shí)間非常短，相比色譜法具有更快的響應(yīng)速度。

2、核心產(chǎn)品——原位激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-3200EX

四方儀器原位激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-3200EX由取樣裝置、原位測(cè)量探頭、光纖、激光拉曼光譜分析儀和系統(tǒng)軟件組成，可同時(shí)監(jiān)測(cè)多種氣體組分，快速響應(yīng)、測(cè)量準(zhǔn)確、靈活配置。同時(shí)，這一原位測(cè)量模式從根本上避免了傳統(tǒng)取樣方法因傳輸、預(yù)處理等環(huán)節(jié)導(dǎo)致的信息失真與延遲，為煤氣化裝置粗煤氣氣體精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)提供了可靠、高效的分析基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)在高溫、高壓、高濕、高粉塵等惡劣工況下穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 原位激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-3200EX

產(chǎn)品特性：

• 無(wú)損氣體分析，包括同核雙原子分子（H2、N2、O2）；

• 多組分氣體同步連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，一臺(tái)儀器解決工業(yè)過(guò)程氣體全流程監(jiān)測(cè)；

• 配備拉曼探頭，原位測(cè)量，無(wú)需易耗品（色譜柱、閥門、氣泵等）；

• 儀表采用正壓防爆設(shè)計(jì)，避免可燃?xì)怏w進(jìn)入儀表內(nèi)部，安全性高；

• 智能化軟件設(shè)計(jì)，全觸屏界面，數(shù)據(jù)直觀顯示，可外接PC鍵盤；

3、技術(shù)驗(yàn)證實(shí)測(cè)——粗煤氣氣體組分的拉曼光譜分析

在煤氣化裝置洗滌塔出口這一監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，通過(guò)原位激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-3200EX對(duì)粗煤氣樣品進(jìn)行拉曼光譜掃描，分析得到的拉曼光譜圖顯示，CO、CO?、CH?、H?S、H?、O?和N?等組分具有可區(qū)分的特征峰，通過(guò)計(jì)量特征峰峰高可同時(shí)測(cè)定各組分氣體的含量，滿足工藝調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需求。

圖3 粗煤氣的拉曼光譜圖

表1 粗煤氣在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求及三種解決方案的技術(shù)對(duì)比

從上表可以看出，相比傳統(tǒng)方案，原位激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-3200EX不僅全面滿足多組分氣體監(jiān)測(cè)、測(cè)量準(zhǔn)確和運(yùn)行穩(wěn)定的基礎(chǔ)需求，更在響應(yīng)速度、原位測(cè)量、綜合運(yùn)維等關(guān)鍵維度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)方案的超越：

（1）技術(shù)路線先進(jìn)：采用“原位熱濕法"設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不改變氣體組成，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的“抽取冷干法"設(shè)計(jì)；

（2）響應(yīng)速度快：相比氣相色譜法快100倍以上，比質(zhì)譜法快3倍以上；（3）綜合優(yōu)勢(shì)明顯：在復(fù)雜工況適應(yīng)性、低維護(hù)量、高安全性及綜合成本控制等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方案，更貼近行業(yè)實(shí)際應(yīng)用目標(biāo)。

4、應(yīng)用案例

目前，四方儀器原位激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-3200EX已在煤氣化工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。該設(shè)備不僅為多個(gè)生產(chǎn)企業(yè)解決了“無(wú)粗煤氣在線檢測(cè)設(shè)備可用"的局面，而且顯著提高煤氣化反應(yīng)控制精準(zhǔn)度，提升有效氣體產(chǎn)率以及煤氣化工藝生產(chǎn)水平。

圖4 某煤化工生產(chǎn)企業(yè)的LRGA-3200EX原位激光拉曼光譜氣體分析儀安裝現(xiàn)場(chǎng)

（左圖：室外的粗煤氣管道取樣點(diǎn)；右圖：室內(nèi)設(shè)備安裝點(diǎn)）

結(jié)語(yǔ)

煤氣化是煤炭清潔高效利用的關(guān)鍵一環(huán)，而精準(zhǔn)的在線檢測(cè)則是提升氣化工藝水平的重要支撐。四方儀器原位激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-3200EX，以技術(shù)創(chuàng)新精準(zhǔn)回應(yīng)行業(yè)痛點(diǎn)，為煤氣化過(guò)程控制提供更精準(zhǔn)、高效、可靠的氣體分析方案，助力煤氣化工藝水平提升，推動(dòng)煤炭低碳化利用的提質(zhì)增效。