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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）
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(yè)（占比71%）、工業(yè)（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。
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(yè)（占比71%）、工業(yè)（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(xù)合成，需要通過持續(xù)液化并移除部分氨，使反應平衡向氨產品一側傾斜。
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(tǒng)分析儀表帶來了巨大挑戰(zhàn)。
監(jiān)測難點
四、解決方案
傳統(tǒng)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(huán)境下穩(wěn)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(huán)境時更具優(yōu)勢，能夠為合成氨裝置的工藝優(yōu)化提供可靠的分析數(shù)據(jù)。
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(shù)。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(tǒng)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。
監(jiān)測點位
某原料天然氣的拉曼光譜圖
五、產品優(yōu)勢
在合成氨工藝流程中，氣體濃度的精準監(jiān)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(jiān)測這些氣體在合成氨工藝中的濃度，是保障工藝穩(wěn)定運行的關鍵環(huán)節(jié)。
四方儀器激光拉曼分析儀（LRGA-3200EX）在這一過程中發(fā)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(jiān)測氣體成分及濃度，為工藝控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
主流分析技術對比
四方儀器LRGA-3200EX產品優(yōu)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(yōu)勢，相比傳統(tǒng)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(yè)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(fā)專項“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發(fā)與應用”項目。針對激光拉曼光譜法的特征信號較弱等業(yè)界技術難題，四方儀器深耕十余年，持續(xù)鉆研激光拉曼光譜氣體分析技術，最終成功開發(fā)出國內首家具有自主知識產權的商業(yè)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(yè)內嶄露頭角，積極投身于行業(yè)標準的制定工作，以引領行業(yè)技術發(fā)展，推動產業(yè)升級。
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