一、 背景概述

合成氨是在高温高压和催化剂存在下由氮和氢直接合成氨的过程，是一种基本无机化工流程，在现代化学工业中，氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料，我国由于煤炭资源丰富、油气资源相对贫乏，主要以煤生产氨，有研究数据表明，用煤、焦炭为原料的合成氨产量约占总产量的60％以上，其生产工艺的核心流程包括煤气化制合成气、变换、脱硫、脱碳、净化、氨合成、分离等环节，气体分析在各阶段的工艺控制、质量监测及安全运行中都极为关键。

二、合成氨生产工艺

以煤为原料的制气方法包括德士古水煤浆加压气化法、壳牌干煤粉加压气化法、块煤固定层常压间歇法、恩德炉粉煤流化床气化法等。其中，德士古水煤浆加压气化法具有处理煤种广、气化压力高、有效气体含量高、热效率高等优点，因此被广泛应用于大型合成氨装置中。该工艺通过将煤磨成含水量约60%的水煤浆，与氧气在高温高压条件下进行气化反应，生成合成气（主要成分为CO和H2），再经过变换、脱硫、脱碳、净化、合成等步骤制得氨原料气。

涉及到相关反应如下：

气化反应：C+O2→CO2   CO2+H2O→CO+H2

变换反应：CO+H2O→H2+CO2

脱硫与脱碳：H2S+CH3OH→CH3SH+H2O  CO2+CH3OH→CH3COOH+H2O

氨合成：N2+3H2→2NH3

三、测量需求

(1) 炭黑洗涤塔出口水煤气的成分分析

原料煤经称重、磨制、筛分后制成煤浆，再经低压和高压输送，与氧气混合雾化喷入气化炉发生气化反应，生成主要含 H2、CO2、CO、H2O及少量 CH4、H2S等的水煤气。在线自动分析碳洗塔出口气体成分，可以了解气化炉的运行情况，用于指导气化炉及下游工序的操作，并估计气化炉内的温度。

(2) 变换炉出口气体成分分析

粗煤气中高含量CO（44％～49％）一般通过高温及低温两段变换反应将其含量降至0.3%左右。在线自动分析变换炉出口气体成分及热值，可以计算变换炉入口水气比，调节蒸汽注入流量，降低蒸汽消耗、延长催化剂使用寿命。

(3) 甲醇洗涤塔出口气体成分分析

甲醇对CO2、H2S等酸性气体有较大的溶解能力，而对H2、N2、CO等气体的溶解度甚微，因此可从原料气中选择性吸收CO2、H2S。在实际应用中，需要通过分析甲醇洗涤塔出口的CO2含量（测量范围0～20ppm）来监视脱碳效果，同时分析甲醇再生塔出口的H2S含量（测量范围0～60%）。

(4) 液氮洗涤塔出口气体成分分析

液氮洗涤法通过利用约-190℃的高纯液氮来吸收分离原料气中的CO和CO2，其出口净化气中微量CO和CO2的在线分析对合成氨生产极为关键，因为极少量的CO和CO2就会导致氨合成催化剂中毒，通常大型合成氨厂要求进入合成塔的原料气中CO和CO2的总量要小于10ppm。

(5) 氨的合成阶段相关气体成分分析

• 在合成塔进口和出口测量H2、N2、NH3、CH4成分，旨在保持进料中H2/N2比接近3:1，反馈调节进料混合比，同时计算氨产率和回收氢气量。

• 在氨分离器出口测量N2、H2、CH4、NH3成分，旨在实时反馈循环气组成，辅助控制系统调节弛放气量、补气量及反应温度。

• 在驰放环节测量N2、H2、CH4、NH3成分，旨在实时反馈驰放气组成，避免惰性气体在系统中累积导致反应速率下降，同时防止因过度弛放导致原料气（尤其是H2）流失。

四、监测难点

以煤为原料的合成氨装置的样品具有高温、高压、高湿、高粉尘以及高腐蚀性等显著特点。其次，合成氨装置是一种快速且剧烈的反应装置，工艺人员需要及时了解各阶段反应生成的物料质量状况，以便迅速调整工艺。同时，合成气成分复杂，主要包含H2、CO、CH4、CO2、N2、H2S等成分。这些特性给在线分析仪表带来了巨大挑战。

五、解决方案

四方光电（武汉）仪器有限公司（以下简称“四方仪器"）凭借其先进的核心气体传感器技术，针对合成氨装置工况需求精心打造了一套气体监测综合解决方案。该方案融合激光拉曼、半导体激光、红外等多种传感器技术，覆盖原料气制备、变换、脱碳、净化、合成、分离等全流程关键节点，精准监控N2/H2比例、CO/CO2总量、惰性气体含量、杂志气体含量、氨含量及循环气/驰放气组分等关键参数，配合高可靠性的样品预处理系统，为合成氨工艺优化、催化剂与设备保护、以及安全生产提供实时、准确的数据支撑，保障合成氨装置高效、稳定、安全、运行。

• 激光拉曼光谱气体分析仪

原位激光拉曼光谱气体分析仪

LRGA-3200EX

LRGA-3200EX配备拉曼采样探头，用于原位安装测量，无需抽气采样，可同时对近20种气体组份及热值进行连续在线的无损分析。

• 原位测量，不怕水气干扰，无需复杂预处理

• 最多带4个流路，4个流路可以同时独立测量

• 实时测量，秒级响应

• 维护量极低，无需载气、色谱柱等辅材

• 激光气体分析系统

抽取式激光气体分析系统

GasTDL-3110

GasTDL-3110针对样气中高粉尘的工况设计，由取样探头、预处理单元、控制单元、气体分析单元四部分构成。

• 采用TDLAS技术，被测气体不受背景气体交叉干扰

• 响应快速，可实时反应气体浓度

• 防爆设计，安全系数高

• 适应复杂工况（高温、高粉尘、高水分、高腐蚀性等）

• 红外在线气体分析系统

红外气体分析仪（防爆型）

Gasboard-3500

Gasboard-3500采用非分光红外（NDIR）技术，可监测CO、CO₂、CH₄、热值等因子，含前置预处理，适应含水含尘工况，防爆设计，保障工业安全。

• 多组分测量，干扰少

• 多点轮流采样，持续在线检测

• 抽取式测量，减少维护工作量

• 仪表采用防爆设计，安全可靠

六、应用案例

某煤化工企业过程气体激光拉曼监测项目

该企业在合成氨生产领域年产能力高达40万吨，采用德士古水煤浆加压煤制气技术，并结合低温甲醇洗净化与氨合成工艺，确保了合成氨生产的高效率与高品质。然而，企业初期选用的某国际品牌在线色谱仪，由于维护成本高昂且操作复杂，最终被弃用。经过综合考量，企业选用了四方仪器的原位激光拉曼光谱气体分析仪（LRGA-3200EX）。与在线色谱仪相比，该激光拉曼分析仪响应速度更快，后期维护量更低，且无需载气、色谱柱等辅材，更适合用于合成氨工艺气体的在线监测，能够有效提高各阶段反应的控制精度，提升合成气及成品氨的产率。

项目现场