煤氣分析儀在煤氣化行業的應用

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總體上是落后的，在煤炭的轉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，潔凈煤技術越來越多地應用于實際生產過程中，其中大規模煤氣化、煤氣化多聯產技術成為了煤炭綜合應用的主要方向之一。“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域將重點開發和實施煤的焦化技術、大型煤氣化技術和以煤氣化為核心的“多聯產”技術。

2. 煤氣化原理

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

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。

煤氣化工藝根據氣化爐內煤料與氣化劑的接觸方式不同可區分為固定床（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特點

近年來紅外煤氣分析儀越來越多地應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節，可實現自動化測量，避免了人工誤差；同時預處理系統和儀器相對燃燒法熱值儀具有結構簡單，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，保證了H2濃度的準確測量。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的熱導系數相當，對H2的測量結果影響不大，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的測量讀數偏低；如果氣體成分中含有CH4，會使H2的測量讀數偏高。因此為了得到準確的H2含量，應對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，保證了H2測量值的準確性。

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。

煤氣化過程中產生的煤氣中的碳氫化合物除了CH4外，還有少量的CnHm，大多數紅外分析儀僅以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保證精度。

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，可實現無干擾的CH4測量，準確反應混合煤氣中CH4和CnHm成分的實際變化，有利于熱值的準確分析。

4. 煤氣分析儀在煤氣化中的應用

根據煤氣化應用領域的不同，煤氣分析儀可實現煤氣熱值分析和煤氣成分分析兩種用途。通常的應用如下：

4.1 工業燃氣應用

作為工業燃氣，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、衛生、建材、輕紡、食品等部門，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產品或半成品。實際應用中通常需要控制加熱溫度，以達到工藝或質量控制目的，燃氣的熱值穩定性就尤為重要。紅外煤氣分析儀針對H2和CH4的測量采用了測量補償技術，可保證實際熱值測試結果的準確性，為燃氣的燃燒測控提供了有效有力的數據依據。

4.2 民用煤氣應用

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境效益。出于安全、環保及經濟等因素的考慮，要求民用煤氣中的H2、CH4、及其它烴類可燃氣體含量應盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應盡量低。 紅外煤氣分析儀測試煤氣熱值可知道氣化站的煤氣混合，保證燃氣熱值；同時可測得CO、H2、CH4的實際濃度，有效控制CO濃度，保證燃氣安全。

4.3 冶金還原氣應用

煤氣中的CO和H2具有很強的還原作用。在冶金工業中，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，指導調整氣化工藝，保證產氣效率。

4.4 化工合成原料氣

隨著新型煤化工產業的發展，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成為現代煤化工的基礎，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，可保證化工產品的產量和質量，同時可達到節能的目的。

4.5 煤制氫應用

氫氣廣泛的用于電子、冶金、玻璃生產、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氫能電池等領域，目前世界上96%的氫氣來源于化石燃料轉化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉化成CO和H2，然后通過變換反應將CO轉換成H2和H2O，將富氫氣體經過低溫分離或變壓吸附及膜分離技術，即可獲得氫氣。實際應用中由于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據，指導氣化和轉換工藝的控制，可起到節能增效的作用。

此外， 紅外煤氣分析儀還可在煤氣化多聯產的應用中提高化工生產效率，提供清潔能源，改進工藝過程，以達到效益大化，有助于提升產業技術水平。

5. 結論

隨著煤氣化技術在國內的應用和發展，對于煤氣化過程的監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，可實現對煤氣的成分分析和熱值分析。在實際應用中解決了H2測量補償和CH4測量抗干擾的問題，更廣泛地應用于工業燃氣、民用煤氣、冶金、化工等行業，可指導工藝控制和改善，并達到節能增效的作用，有利于促進煤氣化技術的提升。