高爐煤氣在線監測新突破：激光拉曼光譜技術賦能智慧煉鐵

1. 高爐煤氣：從煉鐵“副產品”到寶貴能源

高爐煉鐵作為現代煉鐵的主要工藝，其生鐵產量占世界總產量的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，經熱風爐加熱的富氧空氣從進風口鼓入爐內。在爐中，原料經歷一系列復雜的化學反應：焦炭在風口區與熱風燃燒生成CO2，CO2在上升過程中與熾熱的焦炭反應生成CO，而CO進一步將鐵礦石逐級還原為金屬鐵，最終形成鐵水。與此同時，伴隨反應產生大量高爐煤氣，從爐頂排出。

2. 實時監測：優化工藝與安全的“眼睛”

對高爐煤氣成分進行實時監測，旨在優化冶煉工藝與能效、防范易燃易爆風險，并確保污染排放達標。

3. 氣相色譜技術“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，其工作原理是采用色譜柱進行氣體分離，然后用TCD熱導檢測器進行成分分析。

然而，在線氣相色譜分析儀在實際應用中仍存在若干局限性，如分析周期長、操作復雜，維護成本高等問題。

（1）分析存在“時間延遲”

雖然單次分析很快，但從取樣、樣品傳輸、預處理到完成分析，整個過程存在一定的滯后時間（通常為數分鐘），無法實現秒級實時監測，對突發成分波動的響應速度較慢。

（2）操作復雜，技術門檻高

在線分析系統需專業操作人員維護，包括色譜柱老化、載氣管理、定期校準等，技術門檻較高，需要一定的專業知識和經驗。

（3）維護工作量大，成本高

色譜需要長距離樣品輸送，復雜預處理系統，各種耗材（載氣，色譜柱等）現場維護量大。色譜柱（核心耗材）壽命通常為 6-12 個月（受樣品污染影響），更換成本約1-3萬元/根；檢測器需定期清洗，載氣鋼瓶需頻繁更換，長期維護費用高。

4. 激光拉曼光譜技術突破

激光拉曼光譜技術（LRD）是基于氣體拉曼散射的光譜類氣體分析技術。利用高光束質量的激光器發出特定波長的激光，經過消色差透鏡在氣體室中聚焦，在焦點位置激光和氣體分子相互碰撞產生拉曼散射。不同氣體對應的拉曼散射光波長不同（稱為氣體的拉曼特征峰）。拉曼峰的強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度，可實現多組分同時測量。此外，由于拉曼散射光譜的激發和收集時間非常短，因此和色譜相比具有更快的響應時間。

基于LRD原理對比氣相色譜的三大優勢：

(1) 響應速度快：近乎實時測量，響應時間10s左右。

(2) 配置簡單，易于操作：由預處理、探頭、分析儀主機構成，智能化操作。

(3) 維護工作量小：無需色譜柱、載氣等耗材，現場維護量接近于零。

5. 四方儀器LRGA系列：國產自主創新

為解決高爐爐頂煤氣分析系統在高溫、高壓、多塵、含濕等惡劣工況下易堵塞、難長期穩定運行的監測難題，四方儀器開發了基于激光拉曼光譜技術的在線分析系統，結合高效前處理，實現對除塵器出口煤氣的連續實時監測，幫助技術人員準確掌握爐內狀況，優化反應工藝，從而獲取更佳的技術經濟指標，為高爐生產提供可靠指導。

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）核心氣體傳感技術平臺，牽頭承擔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技術難題，四方儀器深耕十余年，持續鉆研激光拉曼光譜氣體分析技術，最終成功開發出具有自主知識產權的商業化產品——LRGA系列激光拉曼光譜氣體分析儀，補充了國內相關領域的技術空白。同時，憑借深厚的技術底蘊和產品性能，四方儀器在行業內嶄露頭角，積極投身于行業標準的制定工作，推動產業升級。