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“氨”全檢測,精準賦能|四方儀器激光拉曼技術助力合成氨工藝升級(一)

2025年03月10日 17:14:44人氣:104來源:四方光電(武漢)儀器有限公司

  一、氨的生產和主要用途
  
       氨是世界上生產及應用最廣泛的基礎化學品之一,目前全球年產量約2.5億噸,主要通過哈伯—博世法以化石能源為原料生產。全球產能集中在中、印、俄和美四國,其中中國產能居全球首位,2023年占全球、亞洲和東亞產能的比例分別為32%、54%和79%。全球80%以上的合成氨用于生產化肥,而在中國,合成氨主要用于農業(占比71%)、工業(占比29%)和儲能(占比不足1%)。此外,合成氨還用于生產塑料、纖維、炸藥、硝酸,以及作為染料和藥品制造的中間體。
 
  二、合成氨生產工藝
 
  在以天然氣為原料的典型氨生產廠中,蒸汽甲烷重整器(SMR)首先將天然氣轉化為合成氣,合成氣主要由H2和CO組成。隨后,通過水煤氣高低溫變換轉化器將CO轉化為H2和CO2。接下來,合成氣經過CO2吸收器去除CO2,并對剩余的CO2進行甲烷化處理(CO2會導致氨合成催化劑中毒)。來自空氣分離裝置的N2與H2結合,進入氨轉化反應器,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,為了促使氨的連續合成,需要通過持續液化并移除部分氨,使反應平衡向氨產品一側傾斜。
 

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        涉及到相關反應如下:

                一次重整:CH4+ H2O → CO + H2+ CO2

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

                CO轉化反應(高低溫): CO + H2O → CO2+H2

                CO2去除:CO2 + NH4+ + H2O→ NH3 + H2O

                甲烷轉化:CO + H2 → CH4+ H2O   CO2+ H2 → CH4+H2O

                NH3合成:N2+3H2 → 2NH3

        三、測量難點

        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。其次,蒸汽甲烷重整器是一種快速且劇烈的氧化反應裝置,工藝人員需要及時了解SMR反應生成的物料質量狀況,以便迅速調整工藝。同時,合成氣成分復雜,主要包含H2、CO、CH4、CO2、N2、H2S等成分。這些特性給傳統分析儀表帶來了巨大挑戰。
 

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監測難點
 
  四、解決方案
 
  傳統的色譜、紅外、熱導或質譜分析儀只能部分解決“四高一快一復雜”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、高濕和高危環境下穩定運行,還能快速、準確地分析復雜合成氣成分,且對水蒸氣具有免疫性。這使得拉曼光譜分析儀在應對高濕環境時更具優勢,能夠為合成氨裝置的工藝優化提供可靠的分析數據。
 

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  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中顯示的所有參數。該儀器無需載氣、色譜柱等輔材,即可對樣品進行定性定量的分析。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,顯著提高了系統分析速度,而且工作人員可以在分析小屋內直接操作儀器,無需接觸爆炸性氣體、毒性氣體和腐蝕性氣體等危險因素。


 
表1
監測點位
 
4
  某原料天然氣的拉曼光譜圖
 
  五、產品優勢
 
  在合成氨工藝流程中,氣體濃度的精準監測對于工藝安全、效率及產品質量至關重要。一氧化碳(CO)和氫氣(H?)等氣體不僅具有易燃易爆的特性,還對合成氨反應的進行和產物質量產生深遠影響。因此,準確監測這些氣體在合成氨工藝中的濃度,是保障工藝穩定運行的關鍵環節。
 

       四方儀器激光拉曼分析儀(LRGA-3200EX)在這一過程中發揮著不可或缺的作用。其通過高精度的傳感器和先進的分析技術,能夠實時監測氣體成分及濃度,為工藝控制提供可靠的數據支持。

 
表2
  主流分析技術對比
 
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  四方儀器LRGA-3200EX產品優勢
 
  綜上所述,四方儀器激光拉曼技術憑借其在復雜工況下的適應性、秒級響應速度、低維護量、高安全性、多組分、多點位測量以及不受水蒸氣干擾等優勢,相比傳統分析技術更適合用于合成氨工藝氣體的在線檢測。 其應用于合成氨工業生產,將有效提高蒸汽重整反應的控制精準度,提升合成氣及成品氨的產率,從而整體提升合成氨工藝的生產水平。

 

       四方儀器自2012年起便依托其母公司核心氣體傳感技術平臺,牽頭承擔國家重大科學儀器設備開發專項“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發與應用”項目。針對激光拉曼光譜法的特征信號較弱等業界技術難題,四方儀器深耕十余年,持續鉆研激光拉曼光譜氣體分析技術,最終成功開發出國內首家具有自主知識產權的商業化產品——LRGA系列激光拉曼光譜氣體分析儀,填補了國內相關領域的技術空白。同時,憑借深厚的技術底蘊和卓越的產品性能,四方儀器在行業內嶄露頭角,積極投身于行業標準的制定工作,以引領行業技術發展,推動產業升級。

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