快速在線多組分氣體檢測技術對各種工業過程控制至關重要。傳統的多組分氣體分析技術包括氣相色譜法、質譜法和紅外吸收光譜法。氣相色譜儀的檢測速度太慢，質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，這三種傳統檢測設備均存在明顯缺陷，難以滿足工業過程控制的實際應用需求。因此，在工業過程控制領域，迫切需要發展更加適用的多組分氣體檢測技術。
四方光電（武漢）儀器有限公司（以下簡稱“四方儀器”）自主研發的新一代產品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、準確等特點，是一種十分適用于工業過程控制多組分氣體檢測的新技術產品。本專題包含多個系列，分別介紹了多個重要工業過程控制應用場景的LRGA-3200EX產品專業解決方案。本文為系列（二），聚焦的工業過程控制應用場景為“煤氣化裝置粗煤氣在線檢測”。
1. 煤氣化技術的重要地位與發展趨勢
在我國，煤炭在能源消費結構中長期占據主導地位。然而，煤炭消費產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。煤氣化的本質是通過煤炭氣化的方式將煤炭轉化為煤氣。煤氣是一種混合氣體，可廣泛應用于生產化工產品、電力、制氫和煉鋼等。
過去20年我國煤氣化技術取得了快速發展，支撐了我國現代煤化工體系的建立。煤氣化技術還在不斷進步和完善之中，發展的總體趨勢是大型化、高效率、多原料適應性等。
2. 煤氣化裝置粗煤氣在線檢測需求與痛點
在工業氣化爐裝置中，煤和氧氣作為主要反應原料在高溫高壓條件下發生化學反應生成粗煤氣。為了優化氣化爐的工作性能，提高有效氣產量，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；測量準確、響應快；檢測工況十分復雜，具有高壓、高溫、高濕、高粉塵、高危和易結晶等特點。
主要的多組分氣體檢測方法有氣相色譜法、質譜法和分子光譜法。分子光譜法具有檢測速度快的優勢，但常見的NDIR、TDLAS等吸收光譜分析技術都難以測量雙原子氣體，無法適用于粗煤氣在線檢測應用場景。目前，在工業氣化爐工藝優化控制中，仍然主要依賴氣相色譜法和質譜法兩項傳統技術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，難以滿足實時響應要求。質譜分析儀可在15s內測量8種氣體，但設備過于精密且構造復雜，維護難度極大。因此，傳統的氣相色譜法和質譜法均存在明顯缺陷，難以滿足粗煤氣在線檢測的實際應用需求，開發更加先進的分子光譜快速檢測技術，對提升煤氣化工藝生產水平具有重要意義。
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
拉曼效應是指入射光照射到物質上會產生一種發生頻率躍遷的拉曼散射光，其躍遷頻率變化大小具有物質成分的特異性，其光強大小與物質成分濃度呈正相關。因此，使用固定頻率入射光照射物質時，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化，激光拉曼光譜法已逐漸用于固體、液體和氣體物質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平臺，在國家重大科學儀器設備開發專項“激光拉曼光譜氣體分析儀的研發與應用”支持下，成功開發了具有自主知識產權的激光拉曼光譜氣體分析傳感器模組，并于2018年推出了商業化產品LRGA-6000激光拉曼光譜氣體分析儀。近年來，LRGA-6000逐漸獲得工業領域市場認可，已廣泛應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熱失控產氣機理等場景下的過程氣體多組分在線檢測。
為了更好滿足工業過程控制多組分氣體檢測的實際應用需求，四方儀器新開發了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軟件組成，具有測量氣體物種多、功能全面、安裝方便、快速、準確等特點。
圖2 LRGA-3200EX原位激光拉曼光譜氣體分析儀的系統結構
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3 粗煤氣的拉曼光譜圖
表1 粗煤氣在線檢測應用需求及三種解決方案的技術對比
針對煤氣化裝置粗煤氣在線檢測的主要應用需求，氣相色譜法、質譜法和激光拉曼光譜法（LRGA-3200EX）三種方案的技術對比（表1）顯示：
lLRGA-3200EX方案符合測量多種氣體組分、測量準確和運行穩定三項基本應用需求；
lLRGA-3200EX方案采用了“原位熱濕法”設計，結構簡單、不改變氣體組成，符合工業過程控制應用發展趨勢，明顯優于傳統的“抽取冷干法”設計；
lLRGA-3200EX方案的“響應快”優勢尤為顯著，其測量速度比氣相色譜法快100倍以上，比質譜法快3倍以上；
lLRGA-3200EX方案在適用復雜工況挑戰、維護量小、安全性高、性價比高等應用需求方面，也明顯優于傳統方案，更加接近行業應用目標。
綜上所述，LRGA-3200EX原位激光拉曼光譜氣體分析儀產品方案是一套比傳統方法更加適用于煤氣化裝置粗煤氣在線檢測的優秀方案。
目前，該產品已廣泛投入煤氣化工業生產應用（如圖5），不僅為多個生產企業解決了“無粗煤氣在線檢測設備可用”的局面，而且顯著提高了煤氣化反應控制精準度，提高了有效氣體產率以及提升了煤氣化工藝生產水平。
圖4 某煤化工生產企業的LRGA-3200EX原位激光拉曼光譜氣體分析儀安裝現場（左圖：室外的粗煤氣管道取樣點；右圖：室內設備安裝點）
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