高爐煤氣在線監(jiān)測(cè)新突破：激光拉曼光譜技術(shù)賦能智慧煉鐵

1. 高爐煤氣：從煉鐵“副產(chǎn)品”到寶貴能源

高爐煉鐵作為現(xiàn)代煉鐵的主要工藝，其生鐵產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的95%以上。該過程以鐵礦石、石灰石和焦炭為原料，按一定比例分層裝入高爐；同時(shí)，經(jīng)熱風(fēng)爐加熱的富氧空氣從進(jìn)風(fēng)口鼓入爐內(nèi)。在爐中，原料經(jīng)歷一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)：焦炭在風(fēng)口區(qū)與熱風(fēng)燃燒生成CO2，CO2在上升過程中與熾熱的焦炭反應(yīng)生成CO，而CO進(jìn)一步將鐵礦石逐級(jí)還原為金屬鐵，最終形成鐵水。與此同時(shí)，伴隨反應(yīng)產(chǎn)生大量高爐煤氣，從爐頂排出。

2. 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：優(yōu)化工藝與安全的“眼睛”

對(duì)高爐煤氣成分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，旨在優(yōu)化冶煉工藝與能效、防范易燃易爆風(fēng)險(xiǎn)，并確保污染排放達(dá)標(biāo)。

3. 氣相色譜技術(shù)“力不從心”

目前，高爐爐頂氣體分析常用在線氣相色譜分析技術(shù)，其工作原理是采用色譜柱進(jìn)行氣體分離，然后用TCD熱導(dǎo)檢測(cè)器進(jìn)行成分分析。

然而，在線氣相色譜分析儀在實(shí)際應(yīng)用中仍存在若干局限性，如分析周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜，維護(hù)成本高等問題。

（1）分析存在“時(shí)間延遲”

雖然單次分析很快，但從取樣、樣品傳輸、預(yù)處理到完成分析，整個(gè)過程存在一定的滯后時(shí)間（通常為數(shù)分鐘），無法實(shí)現(xiàn)秒級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)突發(fā)成分波動(dòng)的響應(yīng)速度較慢。

（2）操作復(fù)雜，技術(shù)門檻高

在線分析系統(tǒng)需專業(yè)操作人員維護(hù)，包括色譜柱老化、載氣管理、定期校準(zhǔn)等，技術(shù)門檻較高，需要一定的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

（3）維護(hù)工作量大，成本高

色譜需要長(zhǎng)距離樣品輸送，復(fù)雜預(yù)處理系統(tǒng)，各種耗材（載氣，色譜柱等）現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量大。色譜柱（核心耗材）壽命通常為 6-12 個(gè)月（受樣品污染影響），更換成本約1-3萬元/根；檢測(cè)器需定期清洗，載氣鋼瓶需頻繁更換，長(zhǎng)期維護(hù)費(fèi)用高。

4. 激光拉曼光譜技術(shù)突破

激光拉曼光譜技術(shù)（LRD）是基于氣體拉曼散射的光譜類氣體分析技術(shù)。利用高光束質(zhì)量的激光器發(fā)出特定波長(zhǎng)的激光，經(jīng)過消色差透鏡在氣體室中聚焦，在焦點(diǎn)位置激光和氣體分子相互碰撞產(chǎn)生拉曼散射。不同氣體對(duì)應(yīng)的拉曼散射光波長(zhǎng)不同（稱為氣體的拉曼特征峰）。拉曼峰的強(qiáng)度和氣體濃度值成正比，通過光譜分析氣體拉曼特征峰的位置和強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)多組分同時(shí)測(cè)量。此外，由于拉曼散射光譜的激發(fā)和收集時(shí)間非常短，因此和色譜相比具有更快的響應(yīng)時(shí)間。

基于LRD原理對(duì)比氣相色譜的三大優(yōu)勢(shì)：

(1) 響應(yīng)速度快：近乎實(shí)時(shí)測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間10s左右。

(2) 配置簡(jiǎn)單，易于操作：由預(yù)處理、探頭、分析儀主機(jī)構(gòu)成，智能化操作。

(3) 維護(hù)工作量小：無需色譜柱、載氣等耗材，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量接近于零。

5. 四方儀器LRGA系列：國(guó)產(chǎn)自主創(chuàng)新

為解決高爐爐頂煤氣分析系統(tǒng)在高溫、高壓、多塵、含濕等惡劣工況下易堵塞、難長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的監(jiān)測(cè)難題，四方儀器開發(fā)了基于激光拉曼光譜技術(shù)的在線分析系統(tǒng)，結(jié)合高效前處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)除塵器出口煤氣的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助技術(shù)人員準(zhǔn)確掌握爐內(nèi)狀況，優(yōu)化反應(yīng)工藝，從而獲取更佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為高爐生產(chǎn)提供可靠指導(dǎo)。

四方儀器自2012年起便依托其母公司（四方光電股份有限公司）核心氣體傳感技術(shù)平臺(tái)，牽頭承擔(dān)國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目。針對(duì)激光拉曼光譜法的特征信號(hào)較弱等業(yè)界技術(shù)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(shù)，最終成功開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商業(yè)化產(chǎn)品——LRGA系列激光拉曼光譜氣體分析儀，補(bǔ)充了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空白。同時(shí)，憑借深厚的技術(shù)底蘊(yùn)和產(chǎn)品性能，四方儀器在行業(yè)內(nèi)嶄露頭角，積極投身于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。