新一代激光拉曼光譜氣體分析儀引領(lǐng)煤氣化裝置粗煤氣在線檢測技術(shù)變革

快速在線多組分氣體檢測技術(shù)對各種工業(yè)過程控制至關(guān)重要。傳統(tǒng)的多組分氣體分析技術(shù)包括氣相色譜法、質(zhì)譜法和紅外吸收光譜法。氣相色譜儀的檢測速度太慢，質(zhì)譜儀過于精密且十分昂貴，紅外吸收光譜分析儀的可測量氣體種類非常有限，這三種傳統(tǒng)檢測設(shè)備均存在明顯缺陷，難以滿足工業(yè)過程控制的實際應(yīng)用需求。因此，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，迫切需要發(fā)展更加適用的多組分氣體檢測技術(shù)。

四方光電（武漢）儀器有限公司（以下簡稱“四方儀器”）自主研發(fā)的新一代產(chǎn)品LRGA-3200EX原位激光拉曼光譜氣體分析儀，具有測量氣體物種多、快速、準(zhǔn)確等特點，是一種十分適用于工業(yè)過程控制多組分氣體檢測的新技術(shù)產(chǎn)品。本專題包含多個系列，分別介紹了多個重要工業(yè)過程控制應(yīng)用場景的LRGA-3200EX產(chǎn)品專業(yè)解決方案。本文為系列（二），聚焦的工業(yè)過程控制應(yīng)用場景為“煤氣化裝置粗煤氣在線檢測”。

1. 煤氣化技術(shù)的重要地位與發(fā)展趨勢

在我國，煤炭在能源消費結(jié)構(gòu)中長期占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，煤炭消費產(chǎn)生了大量的二氧化碳排放，2022年中國二氧化碳排放總量中煤炭消費占比約為70%。

在雙碳目標(biāo)下，亟須加強煤炭低碳化利用，煤氣化是煤炭清潔高效低碳化利用的重要途徑之一。煤氣化的本質(zhì)是通過煤炭氣化的方式將煤炭轉(zhuǎn)化為煤氣。煤氣是一種混合氣體，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品、電力、制氫和煉鋼等。

過去20年我國煤氣化技術(shù)取得了快速發(fā)展，支撐了我國現(xiàn)代煤化工體系的建立。煤氣化技術(shù)還在不斷進步和完善之中，發(fā)展的總體趨勢是大型化、高效率、多原料適應(yīng)性等。

2. 煤氣化裝置粗煤氣在線檢測需求與痛點

在工業(yè)氣化爐裝置中，煤和氧氣作為主要反應(yīng)原料在高溫高壓條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成粗煤氣。為了優(yōu)化氣化爐的工作性能，提高有效氣產(chǎn)量，需要對洗滌塔出口中粗煤氣氣體組分濃度進行實時在線檢測（圖1）。其檢測難點主要體現(xiàn)在：檢測氣體種類較多，主要包括CO、CO2、CH4、H2S、H2、O2、N2和Ar；測量準(zhǔn)確、響應(yīng)快；檢測工況十分復(fù)雜，具有高壓、高溫、高濕、高粉塵、高危和易結(jié)晶等特點。

主要的多組分氣體檢測方法有氣相色譜法、質(zhì)譜法和分子光譜法。分子光譜法具有檢測速度快的優(yōu)勢，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，無法適用于粗煤氣在線檢測應(yīng)用場景。目前，在工業(yè)氣化爐工藝優(yōu)化控制中，仍然主要依賴氣相色譜法和質(zhì)譜法兩項傳統(tǒng)技術(shù)來開展粗煤氣在線氣體檢測。氣相色譜分析儀可對8種主要氣體成分進行在線檢測，最快測量間隔時間約為10分鐘，難以滿足實時響應(yīng)要求。質(zhì)譜分析儀可在15s內(nèi)測量8種氣體，但設(shè)備過于精密且構(gòu)造復(fù)雜，維護難度極大。因此，傳統(tǒng)的氣相色譜法和質(zhì)譜法均存在明顯缺陷，難以滿足粗煤氣在線檢測的實際應(yīng)用需求，開發(fā)更加先進的分子光譜快速檢測技術(shù)，對提升煤氣化工藝生產(chǎn)水平具有重要意義。

圖1 煤氣化裝置粗煤氣在線檢測示意圖

3. 新一代激光拉曼光譜氣體分析儀

拉曼效應(yīng)是指入射光照射到物質(zhì)上會產(chǎn)生一種發(fā)生頻率躍遷的拉曼散射光，其躍遷頻率變化大小具有物質(zhì)成分的特異性，其光強大小與物質(zhì)成分濃度呈正相關(guān)。因此，使用固定頻率入射光照射物質(zhì)時，通過探測拉曼散射光的頻率變化及光強，可以同時定量分析多種不同物質(zhì)成分。拉曼散射光光強較弱而難以檢測，但隨著高強度激光光源的商業(yè)化，激光拉曼光譜法已逐漸用于固體、液體和氣體物質(zhì)成分定性與定量分析。激光拉曼光譜法可同時分析除單原子氣體之外的所有氣體，且具有精度高和響應(yīng)快的特點，尤其適用于混合氣體多組分在線檢測。

四方儀器依托核心氣體傳感技術(shù)平臺，在國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項“激光拉曼光譜氣體分析儀的研發(fā)與應(yīng)用”支持下，成功開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光拉曼光譜氣體分析傳感器模組，并于2018年推出了商業(yè)化產(chǎn)品LRGA-6000激光拉曼光譜氣體分析儀。近年來，LRGA-6000逐漸獲得工業(yè)領(lǐng)域市場認(rèn)可，已廣泛應(yīng)用于蒸汽裂解制乙烯、廢舊輪胎裂解制炭黑、天然氣裂解制乙炔、煤氣化制乙二醇、天然氣開采及鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣機理等場景下的過程氣體多組分在線檢測。

為了更好滿足工業(yè)過程控制多組分氣體檢測的實際應(yīng)用需求，四方儀器新開發(fā)了LRGA-3200EX原位激光拉曼光譜氣體分析儀（圖3）。LRGA-3200EX主要由取樣裝置、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，具有測量氣體物種多、功能全面、安裝方便、快速、準(zhǔn)確等特點。

圖3 LRGA-3200EX原位激光拉曼光譜氣體分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LRGA-3200EX對煤氣化裝置洗滌塔出口中粗煤氣樣品進行拉曼光譜掃描分析得到的拉曼光譜圖（圖4）顯示，CO、CO2、CH4、H2S、H2、O2和N2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。

圖4 粗煤氣的拉曼光譜圖

表1 粗煤氣在線檢測應(yīng)用需求及三種解決方案的技術(shù)對比

針對煤氣化裝置粗煤氣在線檢測的主要應(yīng)用需求，氣相色譜法、質(zhì)譜法和激光拉曼光譜法（LRGA-3200EX）三種方案的技術(shù)對比（表1）顯示：

lLRGA-3200EX方案符合測量多種氣體組分、測量準(zhǔn)確和運行穩(wěn)定三項基本應(yīng)用需求；

lLRGA-3200EX方案采用了“原位熱濕法”設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單、不改變氣體組成，符合工業(yè)過程控制應(yīng)用發(fā)展趨勢，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的“抽取冷干法”設(shè)計；

lLRGA-3200EX方案的“響應(yīng)快”優(yōu)勢尤為顯著，其測量速度比氣相色譜法快100倍以上，比質(zhì)譜法快3倍以上；

lLRGA-3200EX方案在適用復(fù)雜工況挑戰(zhàn)、維護量小、安全性高、性價比高等應(yīng)用需求方面，也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方案，更加接近行業(yè)應(yīng)用目標(biāo)。

綜上所述，LRGA-3200EX原位激光拉曼光譜氣體分析儀產(chǎn)品方案是一套比傳統(tǒng)方法更加適用于煤氣化裝置粗煤氣在線檢測的優(yōu)秀方案。

目前，該產(chǎn)品已廣泛投入煤氣化工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用（如圖5），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，而且顯著提高了煤氣化反應(yīng)控制精準(zhǔn)度，提高了有效氣體產(chǎn)率以及提升了煤氣化工藝生產(chǎn)水平。