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(xiàn)代化學工業(yè)中,，氨是化肥工業(yè)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(shù)據(jù)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(huán)節(jié)，氣體分析在各階段的工藝控制,、質量監(jiān)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(yōu)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(fā)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(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(jié)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(huán)氣組成,，輔助控制系統(tǒng)調節(jié)弛放氣量,、補氣量及反應溫度。

• 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(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(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(jiān)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(jié)點,，精準監(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/馳放氣組分等關鍵參數(shù),，配合高可靠性的樣品預處理系統(tǒng)，為合成氨工藝優(yōu)化,、催化劑與設備保護,、以及安全生產提供實時、準確的數(shù)據(jù)支撐,，保障合成氨裝置高效,、穩(wěn)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(xù)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(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(shù)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(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，可監(jiān)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(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(yè)過程氣體激光拉曼監(jiān)測項目

該企業(yè)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(yè)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(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(jiān)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(xiàn)場