1. 概述

我國(guó)是以煤炭為主要一次能源的國(guó)家，一次能源消費(fèi)中煤炭的占比達(dá)到62%。但我國(guó)的煤炭利用技術(shù)總體上是落后的，在煤炭的轉(zhuǎn)化利用過程中普遍存在效率低、污染嚴(yán)重等問題。隨著能源問題的日益突出，潔凈煤技術(shù)越來越多地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程中，其中大規(guī)模煤氣化、煤氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)成為了煤炭綜合應(yīng)用的主要方向之一。“十一五”期間，煤氣化屬于國(guó)家鼓勵(lì)項(xiàng)目，其中明確指出新型煤化工領(lǐng)域?qū)⒅攸c(diǎn)開發(fā)和實(shí)施煤的焦化技術(shù)、大型煤氣化技術(shù)和以煤氣化為核心的“多聯(lián)產(chǎn)”技術(shù)。

2. 煤氣化原理

煤炭氣化是指煤在特定的設(shè)備內(nèi)，在一定溫度及壓力下使煤中有機(jī)質(zhì)與氣化劑（如蒸汽/空氣或氧氣等）發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，將固體煤轉(zhuǎn)化為含有CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w和CO2、N2等非可燃?xì)怏w的過程。氣化過程發(fā)生的反應(yīng)包括煤的熱解、氣化和燃燒反應(yīng)。煤的熱解是指煤從固相變?yōu)闅狻⒐?、液三相產(chǎn)物的過程。煤的氣化和燃燒反應(yīng)則包括兩種反應(yīng)類型，即非均相氣－固反應(yīng)和均相的氣相反應(yīng)。

煤炭氣化時(shí)，必須具備三個(gè)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(jù)氣化爐內(nèi)煤料與氣化劑的接觸方式不同可區(qū)分為固定床（移動(dòng)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(shù)特點(diǎn)

近年來紅外煤氣分析儀越來越多地應(yīng)用于實(shí)際煤氣化煤氣分析當(dāng)中。 紅外煤氣分析儀采用紅外傳感器測(cè)量煤氣成分中的CO、CO2、CH4、CnHm的濃度，使用熱導(dǎo)傳感器測(cè)量H2的濃度，使用電化學(xué)傳感器測(cè)量O2濃度，同時(shí)根據(jù)測(cè)量成分的濃度，計(jì)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(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，避免了人工誤差；同時(shí)預(yù)處理系統(tǒng)和儀器相對(duì)燃燒法熱值儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維護(hù)方便的特點(diǎn)，更加適合煤氣化實(shí)時(shí)在線的分析要求。

紅外煤氣分析儀具備H2測(cè)量補(bǔ)償功能，了H2濃度的測(cè)量。熱導(dǎo)傳感器用于測(cè)量多種混合氣體時(shí)，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(dǎo)系數(shù)相當(dāng)，對(duì)H2的測(cè)量結(jié)果影響不大，但是CO2 、CH4 對(duì)H2測(cè)量影響明顯。通過理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，如果氣體成分中含有CO2，會(huì)使H2的測(cè)量讀數(shù)偏低；如果氣體成分中含有CH4，會(huì)使H2的測(cè)量讀數(shù)偏高。因此為了得到的H2含量，應(yīng)對(duì)H2濃度進(jìn)行CO2 、CH4的濃度校正。煤氣分析儀對(duì)煤氣的各氣體成分進(jìn)行分析，并將各種氣體的相互影響進(jìn)行了濃度修正和補(bǔ)償，消除煤氣中其他成分對(duì)H2的影響，了H2測(cè)量值的性。

此外 煤氣分析儀采用了旁流擴(kuò)散式的熱導(dǎo)檢測(cè)池，流量在0.3―1.5L/min的范圍內(nèi)變化對(duì)熱導(dǎo)的測(cè)量沒有影響，減少了因流量波動(dòng)造成H2測(cè)量的誤差影響。

煤氣化過程中產(chǎn)生的煤氣中的碳?xì)浠衔锍薈H4外，還有少量的CnHm，大多數(shù)紅外分析儀僅以CH4為測(cè)試對(duì)象，折合成碳?xì)浠衔锟偭坑?jì)算熱值。根據(jù)紅外吸收原理，如圖1，乙烷等碳?xì)浠衔镌诩淄榈奶卣鞑ㄩL(zhǎng)3.3um左右有明顯吸收干擾。當(dāng)煤氣中其他碳?xì)浠衔锖枯^大時(shí)，CH4的測(cè)試值會(huì)明顯偏大，導(dǎo)致熱值測(cè)試不準(zhǔn)，其熱值測(cè)試值也無法精度。

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(shù)，可實(shí)現(xiàn)無干擾的CH4測(cè)量，反應(yīng)混合煤氣中CH4和CnHm成分的實(shí)際變化，有利于熱值的分析。

4. 煤氣分析儀在煤氣化中的應(yīng)用

根據(jù)煤氣化應(yīng)用領(lǐng)域的不同，煤氣分析儀可實(shí)現(xiàn)煤氣熱值分析和煤氣成分分析兩種用途。通常的應(yīng)用如下：

4.1 工業(yè)燃?xì)鈶?yīng)用

作為工業(yè)燃?xì)?，一般熱值要求?100－1350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(jī)械、衛(wèi)生、建材、輕紡、食品等部門，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產(chǎn)品或半成品。實(shí)際應(yīng)用中通常需要控制加熱溫度，以達(dá)到工藝或質(zhì)量控制目的，燃?xì)獾臒嶂捣€(wěn)定性就尤為重要。紅外煤氣分析儀針對(duì)H2和CH4的測(cè)量采用了測(cè)量補(bǔ)償技術(shù)，可實(shí)際熱值測(cè)試結(jié)果的性，為燃?xì)獾娜紵郎y(cè)控提供了有效有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。

4.2 民用煤氣應(yīng)用

民用煤氣的熱值一般在3000－3500大卡，同時(shí)還要求CO小于10%，除焦?fàn)t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(huán)境污染，而且能夠極大地方便人民生活，具有良好的社會(huì)效益與環(huán)境效益。出于安全、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)等因素的考慮，要求民用煤氣中的H2、CH4、及其它烴類可燃?xì)怏w含量應(yīng)盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應(yīng)盡量低。 紅外煤氣分析儀測(cè)試煤氣熱值可知道氣化站的煤氣混合，燃?xì)鉄嶂担煌瑫r(shí)可測(cè)得CO、H2、CH4的實(shí)際濃度，有效控制CO濃度，燃?xì)獍踩?/p>

4.3 冶金還原氣應(yīng)用

煤氣中的CO和H2具有很強(qiáng)的還原作用。在冶金工業(yè)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(yè)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(duì)煤氣中的CO含量有要求。 紅外煤氣分析儀可實(shí)時(shí)有效測(cè)量CO或H2濃度，指導(dǎo)調(diào)整氣化工藝，產(chǎn)氣效率。

4.4 化工合成原料氣

隨著新型煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以煤氣化制取合成氣，進(jìn)而直接合成各種化學(xué)品的路線已經(jīng)成為現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，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(duì)熱值要求不高，主要對(duì)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(guó)合成氨的甲醇產(chǎn)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(huì)影響合成工序壓縮機(jī)的運(yùn)行效率（一般降低10％左右），必然造成電耗和壓縮機(jī)維修費(fèi)用增加。紅外煤氣分析儀用于CO、CO2、H2等氣體的濃度測(cè)量，用于指導(dǎo)合成氣工藝控制，可化工產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)可達(dá)到節(jié)能的目的。

4.5 煤制氫應(yīng)用

氫氣廣泛的用于電子、冶金、玻璃生產(chǎn)、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氫能電池等領(lǐng)域，目前世界上96%的氫氣來源于化石燃料轉(zhuǎn)化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉(zhuǎn)化成CO和H2，然后通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)換成H2和H2O，將富氫氣體經(jīng)過低溫分離或變壓吸附及膜分離技術(shù)，即可獲得氫氣。實(shí)際應(yīng)用中由于CO含量的增加，必然會(huì)導(dǎo)致變換工序中變換爐的負(fù)荷增加。它不但會(huì)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(shù)據(jù)，指導(dǎo)氣化和轉(zhuǎn)換工藝的控制，可起到節(jié)能增效的作用。

此外， 紅外煤氣分析儀還可在煤氣化多聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用中提高化工生產(chǎn)效率，提供清潔能源，改進(jìn)工藝過程，以達(dá)到效益大化，有助于提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平。

5. 結(jié)論

隨著煤氣化技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)于煤氣化過程的監(jiān)測(cè)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(dǎo)和電化學(xué)三種氣體傳感器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣的成分分析和熱值分析。在實(shí)際應(yīng)用中解決了H2測(cè)量補(bǔ)償和CH4測(cè)量抗干擾的問題，更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)燃?xì)?、民用煤氣、冶金、化工等行業(yè)，可指導(dǎo)工藝控制和改善，并達(dá)到節(jié)能增效的作用，有利于促進(jìn)煤氣化技術(shù)的提升。