一、 背景概述

合成氨是在高溫高壓和催化劑存在下由氮和氫直接合成氨的過程，是一種基本無機(jī)化工流程，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中，氨是化肥工業(yè)和基本有機(jī)化工的主要原料，我國由于煤炭資源豐富、油氣資源相對貧乏，主要以煤生產(chǎn)氨，有研究數(shù)據(jù)表明，用煤、焦炭為原料的合成氨產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的60％以上，其生產(chǎn)工藝的核心流程包括煤氣化制合成氣、變換、脫硫、脫碳、凈化、氨合成、分離等環(huán)節(jié)，氣體分析在各階段的工藝控制、質(zhì)量監(jiān)測及安全運(yùn)行中都極為關(guān)鍵。

二、合成氨生產(chǎn)工藝

以煤為原料的制氣方法包括德士古水煤漿加壓氣化法、殼牌干煤粉加壓氣化法、塊煤固定層常壓間歇法、恩德爐粉煤流化床氣化法等。其中，德士古水煤漿加壓氣化法具有處理煤種廣、氣化壓力高、有效氣體含量高、熱效率高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于大型合成氨裝置中。該工藝通過將煤磨成含水量約60%的水煤漿，與氧氣在高溫高壓條件下進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成合成氣（主要成分為CO和H2），再經(jīng)過變換、脫硫、脫碳、凈化、合成等步驟制得氨原料氣。

涉及到相關(guān)反應(yīng)如下：

氣化反應(yīng)：C+O2→CO2   CO2+H2O→CO+H2

變換反應(yīng)：CO+H2O→H2+CO2

脫硫與脫碳：H2S+CH3OH→CH3SH+H2O  CO2+CH3OH→CH3COOH+H2O

氨合成：N2+3H2→2NH3

三、測量需求

(1) 炭黑洗滌塔出口水煤氣的成分分析

原料煤經(jīng)稱重、磨制、篩分后制成煤漿，再經(jīng)低壓和高壓輸送，與氧氣混合霧化噴入氣化爐發(fā)生氣化反應(yīng)，生成主要含 H2、CO2、CO、H2O及少量 CH4、H2S等的水煤氣。在線自動分析碳洗塔出口氣體成分，可以了解氣化爐的運(yùn)行情況，用于指導(dǎo)氣化爐及下游工序的操作，并估計氣化爐內(nèi)的溫度。

(2) 變換爐出口氣體成分分析

粗煤氣中高含量CO（44％～49％）一般通過高溫及低溫兩段變換反應(yīng)將其含量降至0.3%左右。在線自動分析變換爐出口氣體成分及熱值，可以計算變換爐入口水氣比，調(diào)節(jié)蒸汽注入流量，降低蒸汽消耗、延長催化劑使用壽命。

(3) 甲醇洗滌塔出口氣體成分分析

甲醇對CO2、H2S等酸性氣體有較大的溶解能力，而對H2、N2、CO等氣體的溶解度甚微，因此可從原料氣中選擇性吸收CO2、H2S。在實際應(yīng)用中，需要通過分析甲醇洗滌塔出口的CO2含量（測量范圍0～20ppm）來監(jiān)視脫碳效果，同時分析甲醇再生塔出口的H2S含量（測量范圍0～60%）。

(4) 液氮洗滌塔出口氣體成分分析

液氮洗滌法通過利用約-190℃的高純液氮來吸收分離原料氣中的CO和CO2，其出口凈化氣中微量CO和CO2的在線分析對合成氨生產(chǎn)極為關(guān)鍵，因為極少量的CO和CO2就會導(dǎo)致氨合成催化劑中毒，通常大型合成氨廠要求進(jìn)入合成塔的原料氣中CO和CO2的總量要小于10ppm。

(5) 氨的合成階段相關(guān)氣體成分分析

• 在合成塔進(jìn)口和出口測量H2、N2、NH3、CH4成分，旨在保持進(jìn)料中H2/N2比接近3:1，反饋調(diào)節(jié)進(jìn)料混合比，同時計算氨產(chǎn)率和回收氫氣量。

• 在氨分離器出口測量N2、H2、CH4、NH3成分，旨在實時反饋循環(huán)氣組成，輔助控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)弛放氣量、補(bǔ)氣量及反應(yīng)溫度。

• 在馳放環(huán)節(jié)測量N2、H2、CH4、NH3成分，旨在實時反饋馳放氣組成，避免惰性氣體在系統(tǒng)中累積導(dǎo)致反應(yīng)速率下降，同時防止因過度弛放導(dǎo)致原料氣（尤其是H2）流失。

四、監(jiān)測難點

以煤為原料的合成氨裝置的樣品具有高溫、高壓、高濕、高粉塵以及高腐蝕性等顯著特點。其次，合成氨裝置是一種快速且劇烈的反應(yīng)裝置，工藝人員需要及時了解各階段反應(yīng)生成的物料質(zhì)量狀況，以便迅速調(diào)整工藝。同時，合成氣成分復(fù)雜，主要包含H2、CO、CH4、CO2、N2、H2S等成分。這些特性給在線分析儀表帶來了巨大挑戰(zhàn)。

五、解決方案

四方光電（武漢）儀器有限公司（以下簡稱“四方儀器”）憑借其先進(jìn)的核心氣體傳感器技術(shù)，針對合成氨裝置工況需求精心打造了一套氣體監(jiān)測綜合解決方案。該方案融合激光拉曼、半導(dǎo)體激光、紅外等多種傳感器技術(shù)，覆蓋原料氣制備、變換、脫碳、凈化、合成、分離等全流程關(guān)鍵節(jié)點，精準(zhǔn)監(jiān)控N2/H2比例、CO/CO2總量、惰性氣體含量、雜志氣體含量、氨含量及循環(huán)氣/馳放氣組分等關(guān)鍵參數(shù)，配合高可靠性的樣品預(yù)處理系統(tǒng)，為合成氨工藝優(yōu)化、催化劑與設(shè)備保護(hù)、以及安全生產(chǎn)提供實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，保障合成氨裝置高效、穩(wěn)定、安全、運(yùn)行。

• 激光拉曼光譜氣體分析儀

原位激光拉曼光譜氣體分析儀

LRGA-3200EX

LRGA-3200EX配備拉曼采樣探頭，用于原位安裝測量，無需抽氣采樣，可同時對近20種氣體組份及熱值進(jìn)行連續(xù)在線的無損分析。

• 原位測量，不怕水氣干擾，無需復(fù)雜預(yù)處理

• 最多帶4個流路，4個流路可以同時獨(dú)立測量

• 實時測量，秒級響應(yīng)

• 維護(hù)量極低，無需載氣、色譜柱等輔材

• 激光氣體分析系統(tǒng)

抽取式激光氣體分析系統(tǒng)

GasTDL-3110

GasTDL-3110針對樣氣中高粉塵的工況設(shè)計，由取樣探頭、預(yù)處理單元、控制單元、氣體分析單元四部分構(gòu)成。

• 采用TDLAS技術(shù)，被測氣體不受背景氣體交叉干擾

• 響應(yīng)快速，可實時反應(yīng)氣體濃度

• 防爆設(shè)計，安全系數(shù)高

• 適應(yīng)復(fù)雜工況（高溫、高粉塵、高水分、高腐蝕性等）

• 紅外在線氣體分析系統(tǒng)

紅外氣體分析儀（防爆型）

Gasboard-3500

Gasboard-3500采用非分光紅外（NDIR）技術(shù)，可監(jiān)測CO、CO?、CH?、熱值等因子，含前置預(yù)處理，適應(yīng)含水含塵工況，防爆設(shè)計，保障工業(yè)安全。

• 多組分測量，干擾少

• 多點輪流采樣，持續(xù)在線檢測

• 抽取式測量，減少維護(hù)工作量

• 儀表采用防爆設(shè)計，安全可靠

六、應(yīng)用案例

某煤化工企業(yè)過程氣體激光拉曼監(jiān)測項目

該企業(yè)在合成氨生產(chǎn)領(lǐng)域年產(chǎn)能力高達(dá)40萬噸，采用德士古水煤漿加壓煤制氣技術(shù)，并結(jié)合低溫甲醇洗凈化與氨合成工藝，確保了合成氨生產(chǎn)的高效率與高品質(zhì)。然而，企業(yè)初期選用的某國際品牌在線色譜儀，由于維護(hù)成本高昂且操作復(fù)雜，最終被棄用。經(jīng)過綜合考量，企業(yè)選用了四方儀器的原位激光拉曼光譜氣體分析儀（LRGA-3200EX）。與在線色譜儀相比，該激光拉曼分析儀響應(yīng)速度更快，后期維護(hù)量更低，且無需載氣、色譜柱等輔材，更適合用于合成氨工藝氣體的在線監(jiān)測，能夠有效提高各階段反應(yīng)的控制精度，提升合成氣及成品氨的產(chǎn)率。

項目現(xiàn)場