激光拉曼光譜氣體分析儀助力鋼鐵冶金行業能源精準結算

行業背景

鋼鐵廠和發電廠之間的煤氣與電力互供合作，是跨行業能源協同利用的典型范例。鋼鐵生產過程中會產生大量副產煤氣，包括高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣等，這些煤氣富含較高熱值，是優質的能源資源。與此同時，發電廠需要穩定的燃料供應以維持電力生產。鋼鐵行業作為能源消耗大戶，用電成本在其生產成本中占據較高比例。通過這種合作模式，鋼鐵廠將副產煤氣輸送至發電廠用于發電，發電廠則將電能回輸給鋼鐵廠，從而實現能源的高效利用，同時顯著減少溫室氣體排放，推動綠色低碳發展。

這種協同合作模式的歷史可追溯至20世紀末期。當時，一些大型鋼鐵企業開始探索利用自身產生的副產煤氣進行自發電。例如，馬鋼自1993年起著手建設熱電廠，并逐步推進“以氣代煤、以氣代電"的技術改造。進入21世紀尤其是2010年之后，越來越多的鋼鐵企業與發電廠展開深度合作。馬鋼提出與周邊火電廠聯合建設大型發電機組，將煤氣輸送至發電廠，同時從發電廠獲取熱力與電力支持。十數年來，這種協同合作模式憑借其顯著的經濟效益與環境效益，已在鋼鐵冶金與發電行業中廣泛普及，成為推動跨行業能源協同利用與可持續發展的重要力量。

成分與熱值同測的需求

精確監測煤氣成分與熱值，是鋼鐵廠和發電廠雙方能源結算的重要依據，也是實現能源可持續發展、降本增效和節能減排的重要抓手。雙方的重點需求主要體現在三個方面：

• 一是需要對煤氣熱值進行精確測量，能夠提供準確計量結算數據；

• 二是需要快速測量且可溯源，以便為工藝調節提供及時、可靠的指導，保障生產穩定性；

• 三是需要對多組分同時分析，以實時掌握煤氣復雜成分的變化，在惡劣工況下為精準調控提供數據支持。

多個監測痛點亟待解決

盡管煤氣成分與熱值監測的重要性已被廣泛認可，但在實際操作中仍存在一些痛點：

• 測量方法的局限性：目前煤氣熱值測量主要有直接法和間接法。直接法（燃燒法）雖然簡單，但只能監測熱值，無法同時了解到各組分濃度數值，且受環境因素影響較大；間接法（成分分析法）可以精確測量煤氣中各組分的含量，但儀器往往技術要求高且成本較高。

• 實時性不足：部分監測設備無法實時反映煤氣熱值的變化，導致數據滯后，無法及時調整生產參數。

• 復雜工況下的準確性問題：鋼鐵廠和發電廠的生產環境復雜，煤氣成分可能因工藝變化而波動，導致監測設備的準確性下降。

• 設備維護成本高：一些高精度的熱值分析儀器需要定期校準和維護，增加了使用成本。

間接法成為主流，自主拉曼分析方案躍升為優選方案

間接法（成分分析法）是通過分析樣品中各組分的含量來確定其熱值，由于它是基于樣品的實際組成來進行計算，所以能夠提供更準確的測量結果。目前常用的氣體成分分析技術主要包括在線質譜法、氣相色譜法、紅外光譜法和激光拉曼光譜法等，它們各有千秋。

其中，激光拉曼光譜分析技術顯示出優勢，尤其適合于鋼鐵冶金領域的工業過程監測。其最大的特點是多組分測量精確度高和靈敏度高，能夠精確區分和識別復雜的氣體組分，并提供精確的體積濃度信息，幫助分析復雜樣品。該技術無需樣品預處理，能夠直接對氣體樣品進行分析，從而簡化了分析流程。同時，激光拉曼具備快速響應能力，適合在線實時監測，且在分析過程中不會改變樣品性質，實現非破壞性監測。此外，激光拉曼能夠更好地適應高溫、高壓、高濕和高粉塵等惡劣環境，且無需使用載氣、色譜柱等耗材，從而降低了運行成本。

常見氣體成分分析技術對比

由四方儀器自主研發生產的激光拉曼光譜氣體分析系列產品，具有秒級響應速度、測量濃度范圍廣、準確度高等特點，特別適用于目標氣體種類已知的多組分氣體長期快速在線的濃度檢測，且能有效避免水的影響。不僅能在線實時定性及定量檢測包括H2、N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8等在內的近20種氣體濃度，還能同時計算顯示氣體熱值。

四方儀器是國內通過自研自產向市場推出激光拉曼氣體分析儀器的廠商。早在2012年，四方儀器研發的LRGA-6000就已經牽頭承擔了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難題，四方儀器鉆研該分析技術十余年，最終攻克了測量精度受外部因素影響等難題，成功開發出具有自主知識產權的商業化產品。該分析系統被授予“2021年度中國石油與化工自動化行業科技進步一等獎"、“2021年度中國分析測試協會科學技術獎（CAIA獎）二等獎"等多項榮譽。

在此之后，四方儀器陸續推出了同系列的LRGA-3100、LRGA-3200、LRGA-3200EX，作為鋼鐵冶金、煤化工、天然氣開采集輸、新能源電池等眾多行業的氣體組分濃度與熱值監測配套應用產品。針對實驗室環境，四方儀器推出了小型化的在線監測儀器，其設計精巧、操作簡便，能夠滿足科研人員對精確數據的追求。而在工業現場，四方儀器則提供了更為堅固耐用的原位監測系統，該系統采用防爆設計，能夠在惡劣的工業環境中穩定運行，確保監測數據的準確性和實時性。此外，四方儀器還考慮到了用戶對復雜組分氣體監測的需求，推出了包含預處理單元的分析系統，以適應更為復雜的監測任務。其整體的設計理念是為用戶提供定制化的監測方案，確保每一位用戶都能得到滿足其特定需求的產品和服務。

實際應用案例

貴州某大型企業日常運營的關鍵環節之一，是將自產焦爐煤氣高效輸送至電力公司用于發電。雙方依據煤氣燃燒熱值、流量及單價的乘積進行費用結算。然而，此前雙方在熱值測量上存在分歧：電力公司使用紅外便攜式分析儀測得熱值約3400kcal/m3，而用戶公司實驗室采用奧氏氣體分析儀的結果則接近3800kcal/m3。

貴州煤氣熱值分析項目現場

為解決熱值爭議、確保交易公平，并提升能源管理效率，用戶決定在其煤氣輸送加壓站管路上部署我司先進的激光拉曼光譜氣體分析系統。該系統的核心價值在于：

1、精準實時監測：系統可24小時在線、快速、精確地測量焦爐煤氣中各類關鍵組分的體積濃度及熱值。其測量范圍覆蓋C1（甲烷）至C5+（含碳數≥5的烴類）的碳氫化合物，以及CO?、N?等重要的非烴組分。

2、提高經濟效益：系統將實時監測并分析煤氣的燃燒熱值，根據激光拉曼的實測熱值數據可以看出，其測量值基本與實驗室數據保持一致（3890 kcal/?），較之前測定的3400kcal/?提高了12%。該熱值監測數據為用戶提供準確的結算參考依據，可以有效提高客戶的經濟效益。

3、提升運維效率：集成的預處理、控制與分析單元，配合自動采樣、排水及校準功能，大幅降低了人工干預和維護復雜度，提高了系統的穩定性與可靠性。

4、適應工業環境：設備采用高防爆等級和防腐材質設計，確保在加壓站等復雜惡劣環境下長期穩定運行。

5、支持可持續發展：精確的組分分析不僅優化了生產流程（基于實時數據調整工藝、提高效率、降低成本），也為監控污染物排放、滿足環保法規要求提供了可靠數據支撐。

四方儀器LRGA-6000設備運行現場

通過部署該激光拉曼光譜氣體分析系統，用戶企業成功消除了結算分歧，提升結算收益；基于精準的實時熱值與組分數據，優化了煤氣生產、輸送和銷售全流程的能源管理效率，有效降低了運營成本；同時，系統提供的可靠數據不僅保障了合理收益、實現了直接創收，也為滿足環保合規要求、推動資源高效利用和企業的綠色可持續發展奠定了堅實基礎。

結語

在國家大力提倡跨行業能源協同利用的今天，四方儀器以其激光拉曼光譜氣體分析技術成為了這一變革的先鋒。隨著該技術的持續成熟與應用領域的不斷拓展，它在鋼鐵冶金行業的安全生產、環境保護和經濟效益提升方面正展現出愈發重要的價值。通過精準分析氣體成分與監測熱值，四方儀器的技術不僅突破了行業用能的固有壁壘，更為能源協同利用的高質量發展注入了強大動力，助力企業實現可持續發展目標，為行業高效發展提供堅實支撐。