在煤氣化裝置中，粗煤氣氣體組分的實時精準(zhǔn)在線監(jiān)測對優(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)測工況具有高溫、高壓、高濕、高粉塵的特點。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、可測氣體種類有限等不足，難以滿足煤氣化工業(yè)過程對多組分氣體實時監(jiān)測的應(yīng)用需求。本文結(jié)合煤氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢，重點解析新一代激光拉曼氣體分析技術(shù)如何實現(xiàn)粗煤氣多組分氣體的快速、準(zhǔn)確在線監(jiān)測，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

在我國，煤炭是自主保障可靠的基礎(chǔ)能源，長期在能源消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。但煤炭消費也帶來了大量二氧化碳排放——2024年，我國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。過去20年，我國煤氣化技術(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)測的需求與痛點

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，需要對洗滌塔出口的粗煤氣氣體組分進(jìn)行實時在線監(jiān)測。該分析面臨的主要難點包括：

• 監(jiān)測氣體組分多：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)測示意圖

目前，主要的多組分氣體監(jiān)測技術(shù)包括氣相色譜法、質(zhì)譜法和分子光譜法。其中，分子光譜法雖檢測速度快，但常見的NDIR、TDLAS等吸收光譜分析技術(shù)都難以測量雙原子氣體，不適用于粗煤氣在線監(jiān)測的需求場景。在實際工業(yè)應(yīng)用中，氣相色譜法雖可在線監(jiān)測8種主要氣體成分，但最快測量間隔約10分鐘，難以滿足實時響應(yīng)需求；質(zhì)譜法可在15s內(nèi)測量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，實現(xiàn)粗煤氣多組分氣體在線精準(zhǔn)監(jiān)測

四方儀器深耕氣體監(jiān)測領(lǐng)域二十余年。作為專業(yè)的氣體監(jiān)測方案提供商，依托其核心氣體傳感技術(shù)平臺，并在國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項支持下，歷經(jīng)數(shù)年持續(xù)攻關(guān)，成功開發(fā)出具有自主知識產(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。針對煤氣化裝置粗煤氣多組分在線氣體監(jiān)測的需求，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)出特定波長的激光，經(jīng)過消色差透鏡在氣體室中聚焦，在焦點位置激光和氣體分子相互碰撞產(chǎn)生拉曼散射。不同氣體對應(yīng)的拉曼散射光波長不同（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。通過光譜分析氣體拉曼特征峰的位置和強(qiáng)度，可實現(xiàn)多組分同時測量。此外，由于拉曼散射光譜的激發(fā)和收集時間非常短，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，可同時監(jiān)測多種氣體組分，快速響應(yīng)、測量準(zhǔn)確、靈活配置。同時，這一原位測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)測提供了可靠、高效的分析基礎(chǔ)，實現(xiàn)在高溫、高壓、高濕、高粉塵等惡劣工況下穩(wěn)定運行。

圖2 原位激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-3200EX

產(chǎn)品特性：

• 無損氣體分析，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，一臺儀器解決工業(yè)過程氣體全流程監(jiān)測；

• 配備拉曼探頭，原位測量，無需易耗品（色譜柱、閥門、氣泵等）；

• 儀表采用正壓防爆設(shè)計，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，全觸屏界面，數(shù)據(jù)直觀顯示，可外接PC鍵盤；

3、技術(shù)驗證實測——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)測點位，通過原位激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-3200EX對粗煤氣樣品進(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，通過計量特征峰峰高可同時測定各組分氣體的含量，滿足工藝調(diào)節(jié)實時數(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)測應(yīng)用需求及三種解決方案的技術(shù)對比

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、測量準(zhǔn)確和運行穩(wěn)定的基礎(chǔ)需求，更在響應(yīng)速度、原位測量、綜合運維等關(guān)鍵維度上實現(xiàn)了對傳統(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，結(jié)構(gòu)簡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；

（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)備不僅為多個生產(chǎn)企業(yè)解決了“無粗煤氣在線檢測設(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

（左圖：室外的粗煤氣管道取樣點；右圖：室內(nèi)設(shè)備安裝點）

結(jié)語

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，為煤氣化過程控制提供更精準(zhǔn)、高效、可靠的氣體分析方案，助力煤氣化工藝水平提升，推動煤炭低碳化利用的提質(zhì)增效。