煤氣分析儀在煤氣化行業(yè)的應(yīng)用

1. 概述

我國是以煤炭為主要一次能源的國家，一次能源消費中煤炭的占比達到62%。但我國的煤炭利用技術(shù)總體上是落后的，在煤炭的轉(zhuǎn)化利用過程中普遍存在效率低、污染嚴重等問題。隨著能源問題的日益突出，潔凈煤技術(shù)越來越多地應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程中，其中大規(guī)模煤氣化、煤氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)成為了煤炭綜合應(yīng)用的主要方向之一。“十一五”期間，煤氣化屬于國家鼓勵項目，其中明確指出新型煤化工領(lǐng)域?qū)⒅攸c開發(fā)和實施煤的焦化技術(shù)、大型煤氣化技術(shù)和以煤氣化為核心的“多聯(lián)產(chǎn)”技術(shù)。

2. 煤氣化原理

煤炭氣化是指煤在特定的設(shè)備內(nèi)，在一定溫度及壓力下使煤中有機質(zhì)與氣化劑（如蒸汽/空氣或氧氣等）發(fā)生一系列化學反應(yīng)，將固體煤轉(zhuǎn)化為含有CO、H2、CH4等可燃氣體和CO2、N2等非可燃氣體的過程。氣化過程發(fā)生的反應(yīng)包括煤的熱解、氣化和燃燒反應(yīng)。煤的熱解是指煤從固相變?yōu)闅狻⒐?、液三相產(chǎn)物的過程。煤的氣化和燃燒反應(yīng)則包括兩種反應(yīng)類型，即非均相氣－固反應(yīng)和均相的氣相反應(yīng)。

煤炭氣化時，必須具備三個條件，即氣化爐、氣化劑、供給熱量，三者缺一不可。

煤氣化工藝根據(jù)氣化爐內(nèi)煤料與氣化劑的接觸方式不同可區(qū)分為固定床（移動床）、流化床、氣流床，此外還有地下煤氣化工藝。

3. 煤氣分析儀的原理和技術(shù)特點

近年來紅外煤氣分析儀越來越多地應(yīng)用于實際煤氣化煤氣分析當中。 紅外煤氣分析儀采用紅外傳感器測量煤氣成分中的CO、CO2、CH4、CnHm的濃度，使用熱導傳感器測量H2的濃度，使用電化學傳感器測量O2濃度，同時根據(jù)測量成分的濃度，計算得到煤氣的理論熱值。紅外煤氣分析儀取代了奧氏氣體分析儀的人工取樣和人工分析環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)自動化測量，避免了人工誤差；同時預處理系統(tǒng)和儀器相對燃燒法熱值儀具有結(jié)構(gòu)簡單，操作維護方便的特點，更加適合煤氣化實時在線的分析要求。

紅外煤氣分析儀具備H2測量補償功能，了H2濃度的測量。熱導傳感器用于測量多種混合氣體時，必然要考慮到煤氣中其他氣體的影響因素。

煤氣主要成分中CO、O2 與背景氣N2的熱導系數(shù)相當，對H2的測量結(jié)果影響不大，但是CO2 、CH4 對H2測量影響明顯。通過理論分析及實驗表明，如果氣體成分中含有CO2，會使H2的測量讀數(shù)偏低；如果氣體成分中含有CH4，會使H2的測量讀數(shù)偏高。因此為了得到的H2含量，應(yīng)對H2濃度進行CO2 、CH4的濃度校正。煤氣分析儀對煤氣的各氣體成分進行分析，并將各種氣體的相互影響進行了濃度修正和補償，消除煤氣中其他成分對H2的影響，了H2測量值的性。

此外 煤氣分析儀采用了旁流擴散式的熱導檢測池，流量在0.3―1.5L/min的范圍內(nèi)變化對熱導的測量沒有影響，減少了因流量波動造成H2測量的誤差影響。

煤氣化過程中產(chǎn)生的煤氣中的碳氫化合物除了CH4外，還有少量的CnHm，大多數(shù)紅外分析儀僅以CH4為測試對象，折合成碳氫化合物總量計算熱值。根據(jù)紅外吸收原理，如圖1，乙烷等碳氫化合物在甲烷的特征波長3.3um左右有明顯吸收干擾。當煤氣中其他碳氫化合物含量較大時，CH4的測試值會明顯偏大，導致熱值測試不準，其熱值測試值也無法精度。

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的紅外吸收光譜

圖1：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的紅外吸收光譜紅外煤氣分析儀采用了特殊的氣體濾波技術(shù)，可實現(xiàn)無干擾的CH4測量，反應(yīng)混合煤氣中CH4和CnHm成分的實際變化，有利于熱值的分析。

4. 煤氣分析儀在煤氣化中的應(yīng)用

根據(jù)煤氣化應(yīng)用領(lǐng)域的不同，煤氣分析儀可實現(xiàn)煤氣熱值分析和煤氣成分分析兩種用途。通常的應(yīng)用如下：

4.1 工業(yè)燃氣應(yīng)用

作為工業(yè)燃氣，一般熱值要求為1100－1350大卡熱的煤氣，可采用常壓固定床氣化爐、流化床氣化爐均可制得。主要用于鋼鐵、機械、衛(wèi)生、建材、輕紡、食品等部門，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產(chǎn)品或半成品。實際應(yīng)用中通常需要控制加熱溫度，以達到工藝或質(zhì)量控制目的，燃氣的熱值穩(wěn)定性就尤為重要。紅外煤氣分析儀針對H2和CH4的測量采用了測量補償技術(shù)，可實際熱值測試結(jié)果的性，為燃氣的燃燒測控提供了有效有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。

4.2 民用煤氣應(yīng)用

民用煤氣的熱值一般在3000－3500大卡，同時還要求CO小于10%，除焦爐煤氣外，用直接氣化也可得到，采用魯奇爐較為適用。與直接燃煤相比，民用煤氣不僅可以明顯提高用煤效率和減輕環(huán)境污染，而且能夠極大地方便人民生活，具有良好的社會效益與環(huán)境效益。出于安全、環(huán)保及經(jīng)濟等因素的考慮，要求民用煤氣中的H2、CH4、及其它烴類可燃氣體含量應(yīng)盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應(yīng)盡量低。 紅外煤氣分析儀測試煤氣熱值可知道氣化站的煤氣混合，燃氣熱值；同時可測得CO、H2、CH4的實際濃度，有效控制CO濃度，燃氣安全。

4.3 冶金還原氣應(yīng)用

煤氣中的CO和H2具有很強的還原作用。在冶金工業(yè)中，利用還原氣可直接將鐵礦石還原成海棉鐵；在有色金屬工業(yè)中，鎳、銅、鎢、鎂等金屬氧化物也可用還原氣來冶煉。因此，冶金還原氣對煤氣中的CO含量有要求。 紅外煤氣分析儀可實時有效測量CO或H2濃度，指導調(diào)整氣化工藝，產(chǎn)氣效率。

4.4 化工合成原料氣

隨著新型煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以煤氣化制取合成氣，進而直接合成各種化學品的路線已經(jīng)成為現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚等。

化工合成氣對熱值要求不高，主要對煤氣中的CO、H2等成分有要求，一般德士古氣化爐、Shell氣化爐較為合適。目前我國合成氨的甲醇產(chǎn)量的50%以上來自煤炭氣化合成工藝。若煤氣成分中CO2濃度過高，直接會影響合成工序壓縮機的運行效率（一般降低10％左右），必然造成電耗和壓縮機維修費用增加。紅外煤氣分析儀用于CO、CO2、H2等氣體的濃度測量，用于指導合成氣工藝控制，可化工產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時可達到節(jié)能的目的。

4.5 煤制氫應(yīng)用

氫氣廣泛的用于電子、冶金、玻璃生產(chǎn)、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氫能電池等領(lǐng)域，目前世界上96%的氫氣來源于化石燃料轉(zhuǎn)化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉(zhuǎn)化成CO和H2，然后通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)換成H2和H2O，將富氫氣體經(jīng)過低溫分離或變壓吸附及膜分離技術(shù)，即可獲得氫氣。實際應(yīng)用中由于CO含量的增加，必然會導致變換工序中變換爐的負荷增加。它不但會使催化劑的使用壽命縮短，而且使變換爐蒸汽消耗增加。紅外煤氣分析儀用于煤氣成分分析，提供煤氣中各氣體成分的濃度數(shù)據(jù)，指導氣化和轉(zhuǎn)換工藝的控制，可起到節(jié)能增效的作用。

此外， 紅外煤氣分析儀還可在煤氣化多聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用中提高化工生產(chǎn)效率，提供清潔能源，改進工藝過程，以達到效益大化，有助于提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平。

5. 結(jié)論

隨著煤氣化技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展，對于煤氣化過程的監(jiān)測和控制提出了更高的要求。 紅外煤氣分析儀集成了紅外、熱導和電化學三種氣體傳感器技術(shù)，可實現(xiàn)對煤氣的成分分析和熱值分析。在實際應(yīng)用中解決了H2測量補償和CH4測量抗干擾的問題，更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)燃氣、民用煤氣、冶金、化工等行業(yè)，可指導工藝控制和改善，并達到節(jié)能增效的作用，有利于促進煤氣化技術(shù)的提升。