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，是一種基本無機化工流程，在現代化學工業中，氨是化肥工業和基本有機化工的主要原料，我國由于煤炭資源豐富、油氣資源相對貧乏，主要以煤生產氨，有研究數據表明，用煤、焦炭為原料的合成氨產量約占總產量的60％以上，其生產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、分離等環節，氣體分析在各階段的工藝控制、質量監測及安全運行中都極為關鍵。

二、合成氨生產工藝

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、熱效率高等優點，因此被廣泛應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行氣化反應，生成合成氣（主要成分為CO和H2），再經過變換、脫硫、脫碳、凈化、合成等步驟制得氨原料氣。

涉及到相關反應如下：

氣化反應：C+O2→CO2   CO2+H2O→CO+H2

變換反應：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

原料煤經稱重、磨制、篩分后制成煤漿，再經低壓和高壓輸送，與氧氣混合霧化噴入氣化爐發生氣化反應，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行情況，用于指導氣化爐及下游工序的操作，并估計氣化爐內的溫度。

(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，調節蒸汽注入流量，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極為關鍵，因為極少量的CO和CO2就會導致氨合成催化劑中毒，通常大型合成氨廠要求進入合成塔的原料氣中CO和CO2的總量要小于10ppm。

(5) 氨的合成階段相關氣體成分分析

• 在合成塔進口和出口測量H2、N2、NH3、CH4成分，旨在保持進料中H2/N2比接近3:1，反饋調節進料混合比，同時計算氨產率和回收氫氣量。

• 在氨分離器出口測量N2、H2、CH4、NH3成分，旨在實時反饋循環氣組成，輔助控制系統調節弛放氣量、補氣量及反應溫度。

• 在馳放環節測量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中累積導致反應速率下降，同時防止因過度弛放導致原料氣（尤其是H2）流失。

四、監測難點

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裝置，工藝人員需要及時了解各階段反應生成的物料質量狀況，以便迅速調整工藝。同時，合成氣成分復雜，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。

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”）憑借其先進的核心氣體傳感器技術，針對合成氨裝置工況需求精心打造了一套氣體監測綜合解決方案。該方案融合激光拉曼、半導體激光、紅外等多種傳感器技術，覆蓋原料氣制備、變換、脫碳、凈化、合成、分離等全流程關鍵節點，精準監控N2/H2比例、CO/CO2總量、惰性氣體含量、雜志氣體含量、氨含量及循環氣/馳放氣組分等關鍵參數，配合高可靠性的樣品預處理系統，為合成氨工藝優化、催化劑與設備保護、以及安全生產提供實時、準確的數據支撐，保障合成氨裝置高效、穩定、安全、運行。

• 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行連續在線的無損分析。

• 原位測量，不怕水氣干擾，無需復雜預處理

• 最多帶4個流路，4個流路可以同時獨立測量

• 實時測量，秒級響應

• 維護量極低，無需載氣、色譜柱等輔材

• 激光氣體分析系統

抽取式激光氣體分析系統

GasTDL-3110

GasTDL-3110針對樣氣中高粉塵的工況設計，由取樣探頭、預處理單元、控制單元、氣體分析單元四部分構成。

• 采用TDLAS技術，被測氣體不受背景氣體交叉干擾

• 響應快速，可實時反應氣體濃度

• 防爆設計，安全系數高

• 適應復雜工況（高溫、高粉塵、高水分、高腐蝕性等）

• 紅外在線氣體分析系統

紅外氣體分析儀（防爆型）

Gasboard-3500

Gasboard-3500采用非分光紅外（NDIR）技術，可監測CO、CO?、CH?、熱值等因子，含前置預處理，適應含水含塵工況，防爆設計，保障工業安全。

• 多組分測量，干擾少

• 多點輪流采樣，持續在線檢測

• 抽取式測量，減少維護工作量

• 儀表采用防爆設計，安全可靠

六、應用案例

某煤化工企業過程氣體激光拉曼監測項目

該企業在合成氨生產領域年產能力高達40萬噸，采用德士古水煤漿加壓煤制氣技術，并結合低溫甲醇洗凈化與氨合成工藝，確保了合成氨生產的高效率與高品質。然而，企業初期選用的某國際品牌在線色譜儀，由于維護成本高昂且操作復雜，最終被棄用。經過綜合考量，企業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速度更快，后期維護量更低，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測，能夠有效提高各階段反應的控制精度，提升合成氣及成品氨的產率。

項目現場