煤气化过程在线监测——鲁奇炉加压气化工艺原位气体精准分析

鲁奇炉气体成分监测是效率与安全的基石

在以煤为原料的制气技术中，固定床、流化床、气流床等工艺各具特点。其中，鲁奇加压气化法作为历史最悠久的固定床加压气化工艺之一，以其碎煤逆流气化、副产焦油和甲烷含量高的独特优势，在煤制天然气（SNG）、城市煤气及化工合成气领域持续发挥着重要作用。然而，其复杂的反应过程与多元化的产物组成，对实时、精准的气体成分监测提出了要求。掌握关键气体组分数据，是优化工艺操作、保障安全生产、提升经济效益的核心前提。

气体监测的核心痛点

1、工艺简述：

碎煤自炉顶加入，气化剂（氧气+水蒸气）由炉底逆流而上。煤料在炉内经历从脱水热解到深度气化的完整反应链：顶部低温区完成干燥与干馏，析出挥发分；中部高温区发生气化反应，生成以CO、H2、CH4为主的有效气；底部燃烧区为气化提供热量，最终形成灰渣排出。

这一高度动态且跨越多个温区与反应类型的非均相体系，不仅反应过程复杂，其产物组成也具有多样性，除目标产物CH4外，还伴生重烃、焦油、酚、氨、硫化物等多种组分。加之高温、高压、高粉尘、高焦油的严苛工况，使得对关键气体成分（如CO、H2、CH4、CO2、O2及其他污染物）的实时、精准监测，成为优化工艺效率、保障安全运行与提升经济效益的核心挑战。

2、关键反应过程的监测意义：

• C+H2O→CO+H2

作为主要的吸热气化反应，其产物H2与CO的浓度直接反映气化效率，是过程监控的核心指标。

• C+2H2→CH4

该放热反应是鲁奇炉生产高热值CH4的特色路径，因此监测CH4浓度成为评估装置经济产出的关键依据。

• CO+H2O→CO2+H2

这一可逆的水煤气变换反应深刻影响气体组成，实时监测CO、CO2及H2的浓度并关注其比例，对于理解反应平衡和优化工艺至关重要。

3、监测难点：

• 全组分分析需求迫切：粗煤气成分极其复杂，包含H2、CO、CO2、CH4、N2、O2（微量）、H2S、NH3，以及焦油蒸气、粉尘等。需要同时、快速获取关键组分浓度，以全面评估气化状态、热值、工艺效率及安全风险。传统分析方法有所局限，如色谱检测周期长，傅里叶红外无法测H2、N2、O2等双原子分子且交叉干扰严重等。

• 甲烷与有效气收率：需要精确、快速地监测粗煤气中CH4及高阶烃CnHm浓度并准确判断其热值，这是鲁奇炉经济价值的重要体现。同时，H2和CO等有效气的浓度也是优化目标。

• 复杂恶劣工况的严峻挑战：在高温、高压、高焦油、高粉尘、含腐蚀性气体（如H2S）的环境中连续作业，极易导致采样系统堵塞、设备腐蚀失效；光学测量窗口污染、信号衰减失真；传统预处理系统维护频繁、可靠性低等结果。

• 安全风险实时监控：系统置换所残存的微量O2是爆炸隐患；H2S、COS等有毒有害气体威胁人员健康与设备安全，需要高灵敏度、稳定可靠的监测。

关键气体浓度监测点位与核心需求

1、粗煤气出口（最核心点位）：

监测组分：H2、N2、O2、CO、CO2、H2S、NO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、i-C4H8、n-C4H8、i-C4H10、n-C4H10等全组分分析。

需求：多组分同步在线测量、快速响应、高精度的抗焦油/粉尘/水汽干扰能力、耐高温高压腐蚀、低维护。此点位数据是工艺调控、效率计算（热值、甲烷收率、碳转化率）和安全监控的核心依据。

2、洗涤冷却塔出口/净化气入口：

监测组分：CO、CO2、CH4、H2S、H2、O2、N2等。

需求：此处气体相对洁净，但仍需稳定可靠的多组分或关键组分浓度监测，以评估洗涤、净化效果，控制下游工段。如下图所示，LRGA-3200EX对煤气化装置洗涤塔出口中粗煤气样品进行拉曼光谱扫描分析得到的CO、CO2、CH4、H2S、H2、O2和N2等组分拉曼光谱具有可明显区分的特征峰，通过计量特征峰峰高可同时测定各组分气体的含量。

难点突破：四方仪器拉曼方案的原位分析优势

面对鲁奇炉粗煤气出口这一成分复杂、工况恶劣的重点监测需求，原位分析技术展现出不可替代的优势。四方仪器推荐的核心解决方案是：原位激光拉曼光谱气体分析仪LRGA-3200EX。

技术原理简述：拉曼光谱基于光与分子相互作用产生的非弹性散射。不同分子具有独特的“指纹"拉曼位移光谱，一台仪器即可同时识别和定量多种气体组分。

攻克核心难点：

• 多组分同步快速分析，一机掌控全局：单台设备即可实时同步在线测量粗煤气中多种关键组分（包括同核双原子分子H2、O2、N2以及CH4、CO、CO2、H2S、COS、CnHm等），响应速度达秒级。无需复杂预处理，无交叉干扰，提供最直接的工艺气体实时全组分数据。标配4通道同步测量能力，轻松满足多点位并行监测需求。

• 气体浓度与热值同步显示，决策零延迟：生产过程中气体成分与热值时刻处于动态变化，四方仪器拉曼分析仪在精确监测各组分浓度的同时，实时计算并同步显示热值，消除数据滞后，为工艺参数优化提供及时且精准的依据。

• 无惧恶劣工况，原位测量保真度高：此优势核心在于耐高温高压、防腐蚀的原位探头设计。探头直接插入工艺管道，原位获取浓度信息并通过长光纤高速回传，有效规避了抽取方式因样气传输导致的组分失真、吸附、冷凝、焦油堵塞及维护频繁等痛点。

• 双重安全保障，护航生产与人员：高精度监测微量O2，提前预警爆炸风险；实时锁定H2S、COS等有毒气体浓度，保障人员安全。仪器本体采用正压防爆设计，配备≥50米可定制长度光纤，确保分析单元始终远离高风险工艺区域，实现本质安全。

更多技术方案可选：

非分光红外气体分析仪（NDIR技术）：Gasboard-3500拥有0~100ppm超低浓度CO/CO2的高精度在线监测能力，同时可精确测量CH4、热值等关键参数。配备专业前置预处理系统，确保在高湿度、高粉尘等恶劣工况下稳定运行，防爆设计为工业安全保驾护航。

抽取式激光气体分析系统（TDLAS技术）：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，可实时连续反映被测气体浓度。

结语

鲁奇炉工艺的复杂气体组成和严苛工况，使得可靠、精准、全面的原位气体成分监测成为其高效安全运行的命脉。四方仪器自主研发的激光拉曼光谱气体分析技术，凭借其多组分同步原位测量的抗干扰能力、耐受恶劣工况及低维护的核心优势，成功解决了鲁奇炉气体监测的关键挑战，为客户提供洞察工艺、优化运行、保障安全的强大数据支撑。选择四方，为您的鲁奇炉装置赋予精准可靠的“工艺之眼"与“安全之盾"。