新一代激光拉曼光谱气体分析仪引领煤气化装置粗煤气在线检测技术变革

快速在线多组分气体检测技术对各种工业过程控制至关重要。传统的多组分气体分析技术包括气相色谱法、质谱法和红外吸收光谱法。气相色谱仪的检测速度太慢，质谱仪过于精密且十分昂贵，红外吸收光谱分析仪的可测量气体种类非常有限，这三种传统检测设备均存在明显缺陷，难以满足工业过程控制的实际应用需求。因此，在工业过程控制领域，迫切需要发展更加适用的多组分气体检测技术。

四方光电（武汉）仪器有限公司（以下简称“四方仪器”）自主研发的新一代产品LRGA-3200EX原位激光拉曼光谱气体分析仪，具有测量气体物种多、快速、准确等特点，是一种十分适用于工业过程控制多组分气体检测的新技术产品。本专题包含多个系列，分别介绍了多个重要工业过程控制应用场景的LRGA-3200EX产品专业解决方案。本文为系列（二），聚焦的工业过程控制应用场景为“煤气化装置粗煤气在线检测”。

1. 煤气化技术的重要地位与发展趋势

在我国，煤炭在能源消费结构中长期占据主导地位。然而，煤炭消费产生了大量的二氧化碳排放，2022年中国二氧化碳排放总量中煤炭消费占比约为70%。

在双碳目标下，亟须加强煤炭低碳化利用，煤气化是煤炭清洁高效低碳化利用的重要途径之一。煤气化的本质是通过煤炭气化的方式将煤炭转化为煤气。煤气是一种混合气体，可广泛应用于生产化工产品、电力、制氢和炼钢等。

过去20年我国煤气化技术取得了快速发展，支撑了我国现代煤化工体系的建立。煤气化技术还在不断进步和完善之中，发展的总体趋势是大型化、高效率、多原料适应性等。

2. 煤气化装置粗煤气在线检测需求与痛点

在工业气化炉装置中，煤和氧气作为主要反应原料在高温高压条件下发生化学反应生成粗煤气。为了优化气化炉的工作性能，提高有效气产量，需要对洗涤塔出口中粗煤气气体组分浓度进行实时在线检测（图1）。其检测难点主要体现在：检测气体种类较多，主要包括CO、CO2、CH4、H2S、H2、O2、N2和Ar；测量准确、响应快；检测工况十分复杂，具有高压、高温、高湿、高粉尘、高危和易结晶等特点。

主要的多组分气体检测方法有气相色谱法、质谱法和分子光谱法。分子光谱法具有检测速度快的优势，但常见的NDIR、TDLAS等吸收光谱分析技术都难以测量双原子气体，无法适用于粗煤气在线检测应用场景。目前，在工业气化炉工艺优化控制中，仍然主要依赖气相色谱法和质谱法两项传统技术来开展粗煤气在线气体检测。气相色谱分析仪可对8种主要气体成分进行在线检测，最快测量间隔时间约为10分钟，难以满足实时响应要求。质谱分析仪可在15s内测量8种气体，但设备过于精密且构造复杂，维护难度极大。因此，传统的气相色谱法和质谱法均存在明显缺陷，难以满足粗煤气在线检测的实际应用需求，开发更加先进的分子光谱快速检测技术，对提升煤气化工艺生产水平具有重要意义。

图1 煤气化装置粗煤气在线检测示意图

3. 新一代激光拉曼光谱气体分析仪

拉曼效应是指入射光照射到物质上会产生一种发生频率跃迁的拉曼散射光，其跃迁频率变化大小具有物质成分的特异性，其光强大小与物质成分浓度呈正相关。因此，使用固定频率入射光照射物质时，通过探测拉曼散射光的频率变化及光强，可以同时定量分析多种不同物质成分。拉曼散射光光强较弱而难以检测，但随着高强度激光光源的商业化，激光拉曼光谱法已逐渐用于固体、液体和气体物质成分定性与定量分析。激光拉曼光谱法可同时分析除单原子气体之外的所有气体，且具有精度高和响应快的特点，尤其适用于混合气体多组分在线检测。

四方仪器依托核心气体传感技术平台，在国家重大科学仪器设备开发专项“激光拉曼光谱气体分析仪的研发与应用”支持下，成功开发了具有自主知识产权的激光拉曼光谱气体分析传感器模组，并于2018年推出了商业化产品LRGA-6000激光拉曼光谱气体分析仪。近年来，LRGA-6000逐渐获得工业领域市场认可，已广泛应用于蒸汽裂解制乙烯、废旧轮胎裂解制炭黑、天然气裂解制乙炔、煤气化制乙二醇、天然气开采及锂电池热失控产气机理等场景下的过程气体多组分在线检测。

为了更好满足工业过程控制多组分气体检测的实际应用需求，四方仪器新开发了LRGA-3200EX原位激光拉曼光谱气体分析仪（图3）。LRGA-3200EX主要由取样装置、原位测量探头、光纤、激光拉曼光谱分析仪和系统软件组成，具有测量气体物种多、功能全面、安装方便、快速、准确等特点。

图2 LRGA-3200EX原位激光拉曼光谱气体分析仪的系统结构

LRGA-3200EX对煤气化装置洗涤塔出口中粗煤气样品进行拉曼光谱扫描分析得到的拉曼光谱图（图4）显示，CO、CO2、CH4、H2S、H2、O2和N2等组分具有可区分的特征峰，通过计量特征峰峰高可同时测定各组分气体的含量。

图3 粗煤气的拉曼光谱图

表1 粗煤气在线检测应用需求及三种解决方案的技术对比

针对煤气化装置粗煤气在线检测的主要应用需求，气相色谱法、质谱法和激光拉曼光谱法（LRGA-3200EX）三种方案的技术对比（表1）显示：

lLRGA-3200EX方案符合测量多种气体组分、测量准确和运行稳定三项基本应用需求；

lLRGA-3200EX方案采用了“原位热湿法”设计，结构简单、不改变气体组成，符合工业过程控制应用发展趋势，明显优于传统的“抽取冷干法”设计；

lLRGA-3200EX方案的“响应快”优势尤为显著，其测量速度比气相色谱法快100倍以上，比质谱法快3倍以上；

lLRGA-3200EX方案在适用复杂工况挑战、维护量小、安全性高、性价比高等应用需求方面，也明显优于传统方案，更加接近行业应用目标。

综上所述，LRGA-3200EX原位激光拉曼光谱气体分析仪产品方案是一套比传统方法更加适用于煤气化装置粗煤气在线检测的优秀方案。

目前，该产品已广泛投入煤气化工业生产应用（如图5），不仅为多个生产企业解决了“无粗煤气在线检测设备可用”的局面，而且显著提高了煤气化反应控制精准度，提高了有效气体产率以及提升了煤气化工艺生产水平。

图4 某煤化工生产企业的LRGA-3200EX原位激光拉曼光谱气体分析仪安装现场（左图：室外的粗煤气管道取样点；右图：室内设备安装点）