“氨”全檢測(cè)，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(jí)（一）

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(guò)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(guó)，其中中國(guó)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(guó)，合成氨主要用于農(nóng)業(yè)（占比71%）、工業(yè)（占比29%）和儲(chǔ)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(guò)水煤氣高低溫變換轉(zhuǎn)化器將CO轉(zhuǎn)化為H2和CO2。接下來(lái)，合成氣經(jīng)過(guò)CO2吸收器去除CO2，并對(duì)剩余的CO2進(jìn)行甲烷化處理（CO2會(huì)導(dǎo)致氨合成催化劑中毒）。來(lái)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(guò)哈伯—博世工藝合成氨（NH3）。由于H2和N2生成NH3的過(guò)程是可逆反應(yīng)，為了促使氨的連續(xù)合成，需要通過(guò)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(cè)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(gè)兆帕）、高溫（幾bd）、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(shí)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(shí)，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(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

 監(jiān)測(cè)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(wèn)題，且對(duì)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(duì)水蒸氣具有免疫性。這使得拉曼光譜分析儀在應(yīng)對(duì)高濕環(huán)境時(shí)更具優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)楹铣砂毖b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(cè)量下表取樣點(diǎn)中顯示的所有參數(shù)。該儀器無(wú)需載氣、色譜柱等輔材，即可對(duì)樣品進(jìn)行定性定量的分析。其通過(guò)長(zhǎng)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(wú)需接觸爆炸性氣體、毒性氣體和腐蝕性氣體等危險(xiǎn)因素。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

某原料天然氣的拉曼光譜圖

五、產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

在合成氨工藝流程中，氣體濃度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)對(duì)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(duì)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(cè)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(guò)程中發(fā)揮著不可或缺的作用。其通過(guò)高精度的傳感器和先進(jìn)的分析技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)比

四方儀器LRGA-3200EX產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

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(jí)響應(yīng)速度、低維護(hù)量、高安全性、多組分、多點(diǎn)位測(cè)量以及不受水蒸氣干擾等優(yōu)勢(shì)，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(cè)。 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(tái)，牽頭承擔(dān)國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目。針對(duì)激光拉曼光譜法的特征信號(hào)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(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)首家具有自主知識(shí)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(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空白。同時(shí)，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(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。