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(cè)技術(shù)變革

快速在線多組分氣體檢測(cè)技術(shù)對(duì)各種工業(yè)過(guò)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(cè)速度太慢，質(zhì)譜儀過(guò)于精密且十分昂貴，紅外吸收光譜分析儀的可測(cè)量氣體種類非常有限，這三種傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備均存在明顯缺陷，難以滿足工業(yè)過(guò)程控制的實(shí)際應(yīng)用需求。因此，在工業(yè)過(guò)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(cè)技術(shù)。

四方光電（武漢）儀器有限公司（以下簡(jiǎn)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(cè)量氣體物種多、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，是一種十分適用于工業(yè)過(guò)程控制多組分氣體檢測(cè)的新技術(shù)產(chǎn)品。本專題包含多個(gè)系列，分別介紹了多個(gè)重要工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用場(chǎng)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(guò)程控制應(yīng)用場(chǎng)景為“煤氣化裝置粗煤氣在線檢測(cè)”。

1. 煤氣化技術(shù)的重要地位與發(fā)展趨勢(shì)

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

在雙碳目標(biāo)下，亟須加強(qiáng)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(guò)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(guò)去20年我國(guó)煤氣化技術(shù)取得了快速發(fā)展，支撐了我國(guó)現(xiàn)代煤化工體系的建立。煤氣化技術(shù)還在不斷進(jìn)步和完善之中，發(fā)展的總體趨勢(shì)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(cè)需求與痛點(diǎn)

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(duì)洗滌塔出口中粗煤氣氣體組分濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)（圖1）。其檢測(cè)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：檢測(cè)氣體種類較多，主要包括CO、CO2、CH4、H2S、H2、O2、N2和Ar；測(cè)量準(zhǔn)確、響應(yīng)快；檢測(cè)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(diǎn)。

主要的多組分氣體檢測(cè)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(cè)速度快的優(yōu)勢(shì)，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，無(wú)法適用于粗煤氣在線檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)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(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)開展粗煤氣在線氣體檢測(cè)。氣相色譜分析儀可對(duì)8種主要?dú)怏w成分進(jìn)行在線檢測(cè)，最快測(cè)量間隔時(shí)間約為10分鐘，難以滿足實(shí)時(shí)響應(yīng)要求。質(zhì)譜分析儀可在15s內(nèi)測(cè)量8種氣體，但設(shè)備過(guò)于精密且構(gòu)造復(fù)雜，維護(hù)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(cè)的實(shí)際應(yīng)用需求，開發(fā)更加先進(jìn)的分子光譜快速檢測(cè)技術(shù)，對(duì)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(cè)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(huì)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(qiáng)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(shí)，通過(guò)探測(cè)拉曼散射光的頻率變化及光強(qiáng)，可以同時(shí)定量分析多種不同物質(zhì)成分。拉曼散射光光強(qiáng)較弱而難以檢測(cè)，但隨著高強(qiáng)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(shí)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(diǎn)，尤其適用于混合氣體多組分在線檢測(cè)。

四方儀器依托核心氣體傳感技術(shù)平臺(tái)，在國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“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(shí)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(lái)，LRGA-6000逐漸獲得工業(yè)領(lǐng)域市場(chǎng)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(jī)理等場(chǎng)景下的過(guò)程氣體多組分在線檢測(cè)。

為了更好滿足工業(yè)過(guò)程控制多組分氣體檢測(cè)的實(shí)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(cè)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(cè)量氣體物種多、功能全面、安裝方便、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

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(duì)煤氣化裝置洗滌塔出口中粗煤氣樣品進(jìn)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(guò)計(jì)量特征峰峰高可同時(shí)測(cè)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(cè)應(yīng)用需求及三種解決方案的技術(shù)對(duì)比

針對(duì)煤氣化裝置粗煤氣在線檢測(cè)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(duì)比（表1）顯示：

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

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

lLRGA-3200EX方案的“響應(yīng)快”優(yōu)勢(shì)尤為顯著，其測(cè)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(hù)量小、安全性高、性價(jià)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(cè)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(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。