高炉煤气在线监测新突破：激光拉曼光谱技术赋能智慧炼铁

1. 高炉煤气：从炼铁“副产品"到宝贵能源

高炉炼铁作为现代炼铁的主要工艺，其生铁产量占世界总产量的95%以上。该过程以铁矿石、石灰石和焦炭为原料，按一定比例分层装入高炉；同时，经热风炉加热的富氧空气从进风口鼓入炉内。在炉中，原料经历一系列复杂的化学反应：焦炭在风口区与热风燃烧生成CO2，CO2在上升过程中与炽热的焦炭反应生成CO，而CO进一步将铁矿石逐级还原为金属铁，最终形成铁水。与此同时，伴随反应产生大量高炉煤气，从炉顶排出。

2. 实时监测：优化工艺与安全的“眼睛"

对高炉煤气成分进行实时监测，旨在优化冶炼工艺与能效、防范易燃易爆风险，并确保污染排放达标。

3. 气相色谱技术“力不从心"

目前，高炉炉顶气体分析常用在线气相色谱分析技术，其工作原理是采用色谱柱进行气体分离，然后用TCD热导检测器进行成分分析。

然而，在线气相色谱分析仪在实际应用中仍存在若干局限性，如分析周期长、操作复杂，维护成本高等问题。

（1）分析存在“时间延迟"

虽然单次分析很快，但从取样、样品传输、预处理到完成分析，整个过程存在一定的滞后时间（通常为数分钟），无法实现秒级实时监测，对突发成分波动的响应速度较慢。

（2）操作复杂，技术门槛高

在线分析系统需专业操作人员维护，包括色谱柱老化、载气管理、定期校准等，技术门槛较高，需要一定的专业知识和经验。

（3）维护工作量大，成本高

色谱需要长距离样品输送，复杂预处理系统，各种耗材（载气，色谱柱等）现场维护量大。色谱柱（核心耗材）寿命通常为 6-12 个月（受样品污染影响），更换成本约1-3万元/根；检测器需定期清洗，载气钢瓶需频繁更换，长期维护费用高。

4. 激光拉曼光谱技术突破

激光拉曼光谱技术（LRD）是基于气体拉曼散射的光谱类气体分析技术。利用高光束质量的激光器发出特定波长的激光，经过消色差透镜在气体室中聚焦，在焦点位置激光和气体分子相互碰撞产生拉曼散射。不同气体对应的拉曼散射光波长不同（称为气体的拉曼特征峰）。拉曼峰的强度和气体浓度值成正比，通过光谱分析气体拉曼特征峰的位置和强度，可实现多组分同时测量。此外，由于拉曼散射光谱的激发和收集时间非常短，因此和色谱相比具有更快的响应时间。

基于LRD原理对比气相色谱的三大优势：

(1) 响应速度快：近乎实时测量，响应时间10s左右。

(2) 配置简单，易于操作：由预处理、探头、分析仪主机构成，智能化操作。

(3) 维护工作量小：无需色谱柱、载气等耗材，现场维护量接近于零。

5. 四方仪器LRGA系列：国产自主创新

为解决高炉炉顶煤气分析系统在高温、高压、多尘、含湿等恶劣工况下易堵塞、难长期稳定运行的监测难题，四方仪器开发了基于激光拉曼光谱技术的在线分析系统，结合高效前处理，实现对除尘器出口煤气的连续实时监测，帮助技术人员准确掌握炉内状况，优化反应工艺，从而获取更佳的技术经济指标，为高炉生产提供可靠指导。

四方仪器自2012年起便依托其母公司（四方光电股份有限公司）核心气体传感技术平台，牵头承担国家重大科学仪器设备开发专项“激光拉曼光谱气体分析仪器的研发与应用"项目。针对激光拉曼光谱法的特征信号较弱等业界技术难题，四方仪器深耕十余年，持续钻研激光拉曼光谱气体分析技术，最终成功开发出具有自主知识产权的商业化产品——LRGA系列激光拉曼光谱气体分析仪，补充了国内相关领域的技术空白。同时，凭借深厚的技术底蕴和产品性能，四方仪器在行业内崭露头角，积极投身于行业标准的制定工作，推动产业升级。