“氨”全檢測，精準(zhǔn)賦能｜四方儀器激光拉曼技術(shù)助力合成氨工藝升級

　　一、氨的生產(chǎn)和主要用途
 

　　氨是世界上生產(chǎn)及應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)化學(xué)品之一，目前全球年產(chǎn)量約2.5億噸，主要通過哈伯—博世法以化石能源為原料生產(chǎn)。全球產(chǎn)能集中在中、印、俄和美四國，其中中國產(chǎn)能居全球首位，2023年占全球、亞洲和東亞產(chǎn)能的比例分別為32%、54%和79%。全球80%以上的合成氨用于生產(chǎn)化肥，而在中國，合成氨主要用于農(nóng)業(yè)(占比71%)、工業(yè)(占比29%)和儲能(占比不足1%)。此外，合成氨還用于生產(chǎn)塑料、纖維、炸藥、硝酸，以及作為染料和藥品制造的中間體。
 

　　二、合成氨生產(chǎn)工藝
 

　　在以天然氣為原料的典型氨生產(chǎn)廠中，蒸汽甲烷重整器(SMR)首先將天然氣轉(zhuǎn)化為合成氣，合成氣主要由H2和CO組成。隨后，通過水煤氣高低溫變換轉(zhuǎn)化器將CO轉(zhuǎn)化為H2和CO2。接下來，合成氣經(jīng)過CO2吸收器去除CO2，并對剩余的CO2進(jìn)行甲烷化處理(CO2會導(dǎo)致氨合成催化劑中毒)。來自空氣分離裝置的N2與H2結(jié)合，進(jìn)入氨轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，通過哈伯—博世工藝合成氨(NH3)。由于H2和N2生成NH3的過程是可逆反應(yīng)，為了促使氨的連續(xù)合成，需要通過持續(xù)液化并移除部分氨，使反應(yīng)平衡向氨產(chǎn)品一側(cè)傾斜。
 

        涉及到相關(guān)反應(yīng)如下：

 

　　一次重整：CH4+ H2O → CO + H2+ CO2
 

　　二次重整：CH4+ 空氣+ H2O → H2+ N2+ CO2+ CO
 

　　CO轉(zhuǎn)化反應(yīng)(高低溫)： CO + H2O → CO2+H2
 

　　CO2去除：CO2 + NH4+ + H2O→ NH3 + H2O
 

　　甲烷轉(zhuǎn)化：CO + H2 → CH4+ H2O CO2+ H2 → CH4+H2O
 

　　NH3合成：N2+3H2 → 2NH3
 

　　三、測量難點(diǎn)
 

　　以天然氣為原料的合成氨裝置的樣品具有高壓(幾個兆帕)、高溫(幾百度)、高濕(飽和水蒸氣)以及高危(含有爆炸性、毒性和腐蝕性氣體)等“四高”顯著特點(diǎn)。其次，蒸汽甲烷重整器是一種快速且劇烈的氧化反應(yīng)裝置，工藝人員需要及時了解SMR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。這些特性給傳統(tǒng)分析儀表帶來了巨大挑戰(zhàn)。
 

監(jiān)測難點(diǎn)
 

　　四、解決方案
 

　　傳統(tǒng)的色譜、紅外、熱導(dǎo)或質(zhì)譜分析儀只能部分解決“四高一快一復(fù)雜”的問題，且對水蒸氣極為敏感，遇水易損壞。而拉曼光譜分析儀不僅能在高壓、高溫、高濕和高危環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，還能快速、準(zhǔn)確地分析復(fù)雜合成氣成分，且對水蒸氣具有免疫性。這使得拉曼光譜分析儀在應(yīng)對高濕環(huán)境時更具優(yōu)勢，能夠為合成氨裝置的工藝優(yōu)化提供可靠的分析數(shù)據(jù)。
 

　　四方儀器激光拉曼分析儀(LRGA-3200EX)能夠分析雙原子氣體H2和N2，并可測量下表取樣點(diǎn)中顯示的所有參數(shù)。該儀器無需載氣、色譜柱等輔材，即可對樣品進(jìn)行定性定量的分析。其通過長距離光纖電纜將氣體探頭連接到分析儀，不僅避免了使用高溫伴熱傳輸管線，顯著提高了系統(tǒng)分析速度，而且工作人員可以在分析小屋內(nèi)直接操作儀器，無需接觸爆炸性氣體、毒性氣體和腐蝕性氣體等危險因素。
 

　　監(jiān)測點(diǎn)位

 

某原料天然氣的拉曼光譜圖
 

　　五、產(chǎn)品優(yōu)勢
 

　　在合成氨工藝流程中，氣體濃度的精準(zhǔn)監(jiān)測對于工藝安全、效率及產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。一氧化碳(CO)和氫氣(H?)等氣體不僅具有易燃易爆的特性，還對合成氨反應(yīng)的進(jìn)行和產(chǎn)物質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測這些氣體在合成氨工藝中的濃度，是保障工藝穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
 

　　四方儀器激光拉曼分析儀(LRGA-3200EX)在這一過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。其通過高精度的傳感器和先進(jìn)的分析技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測氣體成分及濃度，為工藝控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
 

　　主流分析技術(shù)對比

 

四方儀器LRGA-3200EX產(chǎn)品優(yōu)勢
 

　　綜上所述，四方儀器激光拉曼技術(shù)憑借其在復(fù)雜工況下的適應(yīng)性、秒級響應(yīng)速度、低維護(hù)量、高安全性、多組分、多點(diǎn)位測量以及不受水蒸氣干擾等優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)分析技術(shù)更適合用于合成氨工藝氣體的在線檢測。 其應(yīng)用于合成氨工業(yè)生產(chǎn)，將有效提高蒸汽重整反應(yīng)的控制精準(zhǔn)度，提升合成氣及成品氨的產(chǎn)率，從而整體提升合成氨工藝的生產(chǎn)水平。
 

　　四方儀器自2012年起便依托其母公司核心氣體傳感技術(shù)平臺，牽頭承擔(dān)國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發(fā)與應(yīng)用”項目。針對激光拉曼光譜法的特征信號較弱等業(yè)界技術(shù)難題，四方儀器深耕十余年，持續(xù)鉆研激光拉曼光譜氣體分析技術(shù)，最終成功開發(fā)出國內(nèi)首家具有自主知識產(chǎn)權(quán)的商業(yè)化產(chǎn)品——LRGA系列激光拉曼光譜氣體分析儀，填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空白。同時，憑借深厚的技術(shù)底蘊(yùn)和卓越的產(chǎn)品性能，四方儀器在行業(yè)內(nèi)嶄露頭角，積極投身于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，以引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展，推動產(chǎn)業(yè)升級。