行業(yè)背景

鋼鐵廠和發(fā)電廠之間的煤氣與電力互供合作，是跨行業(yè)能源協(xié)同利用的典型范例。鋼鐵生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量副產(chǎn)煤氣，包括高爐煤氣、焦爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣等，這些煤氣富含較高熱值，是優(yōu)質(zhì)的能源資源。與此同時，發(fā)電廠需要穩(wěn)定的燃料供應(yīng)以維持電力生產(chǎn)。鋼鐵行業(yè)作為能源消耗大戶，用電成本在其生產(chǎn)成本中占據(jù)較高比例。通過這種合作模式，鋼鐵廠將副產(chǎn)煤氣輸送至發(fā)電廠用于發(fā)電，發(fā)電廠則將電能回輸給鋼鐵廠，從而實現(xiàn)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(fā)展。

這種協(xié)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(yè)開始探索利用自身產(chǎn)生的副產(chǎn)煤氣進行自發(fā)電。例如，馬鋼自1993年起著手建設(shè)熱電廠，并逐步推進“以氣代煤、以氣代電"的技術(shù)改造。進入21世紀尤其是2010年之后，越來越多的鋼鐵企業(yè)與發(fā)電廠展開深度合作。馬鋼提出與周邊火電廠聯(lián)合建設(shè)大型發(fā)電機組，將煤氣輸送至發(fā)電廠，同時從發(fā)電廠獲取熱力與電力支持。十數(shù)年來，這種協(xié)同合作模式憑借其顯著的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益，已在鋼鐵冶金與發(fā)電行業(yè)中廣泛普及，成為推動跨行業(yè)能源協(xié)同利用與可持續(xù)發(fā)展的重要力量。

成分與熱值同測的需求

精確監(jiān)測煤氣成分與熱值，是鋼鐵廠和發(fā)電廠雙方能源結(jié)算的重要依據(jù)，也是實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展、降本增效和節(jié)能減排的重要抓手。雙方的重點需求主要體現(xiàn)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(jié)算數(shù)據(jù)；

• 二是需要快速測量且可溯源，以便為工藝調(diào)節(jié)提供及時、可靠的指導，保障生產(chǎn)穩(wěn)定性；

• 三是需要對多組分同時分析，以實時掌握煤氣復(fù)雜成分的變化，在惡劣工況下為精準調(diào)控提供數(shù)據(jù)支持。

多個監(jiān)測痛點亟待解決

盡管煤氣成分與熱值監(jiān)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(jiān)測熱值，無法同時了解到各組分濃度數(shù)值，且受環(huán)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(shù)要求高且成本較高。

• 實時性不足：部分監(jiān)測設(shè)備無法實時反映煤氣熱值的變化，導致數(shù)據(jù)滯后，無法及時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)。

• 復(fù)雜工況下的準確性問題：鋼鐵廠和發(fā)電廠的生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，煤氣成分可能因工藝變化而波動，導致監(jiān)測設(shè)備的準確性下降。

• 設(shè)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(yōu)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(jié)果。目前常用的氣體成分分析技術(shù)主要包括在線質(zhì)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(shù)顯示出優(yōu)勢，尤其適合于鋼鐵冶金領(lǐng)域的工業(yè)過程監(jiān)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(qū)分和識別復(fù)雜的氣體組分，并提供精確的體積濃度信息，幫助分析復(fù)雜樣品。該技術(shù)無需樣品預(yù)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(yīng)能力，適合在線實時監(jiān)測，且在分析過程中不會改變樣品性質(zhì)，實現(xiàn)非破壞性監(jiān)測。此外，激光拉曼能夠更好地適應(yīng)高溫、高壓、高濕和高粉塵等惡劣環(huán)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(shù)對比

由四方儀器自主研發(fā)生產(chǎn)的激光拉曼光譜氣體分析系列產(chǎn)品，具有秒級響應(yīng)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(nèi)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(nèi)通過自研自產(chǎn)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(fā)的LRGA-6000就已經(jīng)牽頭承擔了國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發(fā)與應(yīng)用"項目，針對激光拉曼光譜法的特征信號較弱等業(yè)界難題，四方儀器鉆研該分析技術(shù)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(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的商業(yè)化產(chǎn)品。該分析系統(tǒng)被授予“2021年度中國石油與化工自動化行業(yè)科技進步一等獎"、“2021年度中國分析測試協(xié)會科學技術(shù)獎（CAIA獎）二等獎"等多項榮譽。

在此之后，四方儀器陸續(xù)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(yè)的氣體組分濃度與熱值監(jiān)測配套應(yīng)用產(chǎn)品。針對實驗室環(huán)境，四方儀器推出了小型化的在線監(jiān)測儀器，其設(shè)計精巧、操作簡便，能夠滿足科研人員對精確數(shù)據(jù)的追求。而在工業(yè)現(xiàn)場，四方儀器則提供了更為堅固耐用的原位監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用防爆設(shè)計，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運行，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和實時性。此外，四方儀器還考慮到了用戶對復(fù)雜組分氣體監(jiān)測的需求，推出了包含預(yù)處理單元的分析系統(tǒng)，以適應(yīng)更為復(fù)雜的監(jiān)測任務(wù)。其整體的設(shè)計理念是為用戶提供定制化的監(jiān)測方案，確保每一位用戶都能得到滿足其特定需求的產(chǎn)品和服務(wù)。

實際應(yīng)用案例

貴州某大型企業(yè)日常運營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是將自產(chǎn)焦爐煤氣高效輸送至電力公司用于發(fā)電。雙方依據(jù)煤氣燃燒熱值、流量及單價的乘積進行費用結(jié)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(jié)果則接近3800kcal/m3。

貴州煤氣熱值分析項目現(xiàn)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(tǒng)。該系統(tǒng)的核心價值在于：

1、精準實時監(jiān)測：系統(tǒng)可24小時在線、快速、精確地測量焦爐煤氣中各類關(guān)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(shù)≥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(jīng)濟效益：系統(tǒng)將實時監(jiān)測并分析煤氣的燃燒熱值，根據(jù)激光拉曼的實測熱值數(shù)據(jù)可以看出，其測量值基本與實驗室數(shù)據(jù)保持一致（3890 kcal/?），較之前測定的3400kcal/?提高了12%。該熱值監(jiān)測數(shù)據(jù)為用戶提供準確的結(jié)算參考依據(jù)，可以有效提高客戶的經(jīng)濟效益。

3、提升運維效率：集成的預(yù)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(yù)和維護復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

4、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境：設(shè)備采用高防爆等級和防腐材質(zhì)設(shè)計，確保在加壓站等復(fù)雜惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運行。

5、支持可持續(xù)發(fā)展：精確的組分分析不僅優(yōu)化了生產(chǎn)流程（基于實時數(shù)據(jù)調(diào)整工藝、提高效率、降低成本），也為監(jiān)控污染物排放、滿足環(huán)保法規(guī)要求提供了可靠數(shù)據(jù)支撐。

四方儀器LRGA-6000設(shè)備運行現(xiàn)場

通過部署該激光拉曼光譜氣體分析系統(tǒng)，用戶企業(yè)成功消除了結(jié)算分歧，提升結(jié)算收益；基于精準的實時熱值與組分數(shù)據(jù)，優(yōu)化了煤氣生產(chǎn)、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(tǒng)提供的可靠數(shù)據(jù)不僅保障了合理收益、實現(xiàn)了直接創(chuàng)收，也為滿足環(huán)保合規(guī)要求、推動資源高效利用和企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

結(jié)語

在國家大力提倡跨行業(yè)能源協(xié)同利用的今天，四方儀器以其激光拉曼光譜氣體分析技術(shù)成為了這一變革的先鋒。隨著該技術(shù)的持續(xù)成熟與應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，它在鋼鐵冶金行業(yè)的安全生產(chǎn)、環(huán)境保護和經(jīng)濟效益提升方面正展現(xiàn)出愈發(fā)重要的價值。通過精準分析氣體成分與監(jiān)測熱值，四方儀器的技術(shù)不僅突破了行業(yè)用能的固有壁壘，更為能源協(xié)同利用的高質(zhì)量發(fā)展注入了強大動力，助力企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標，為行業(yè)高效發(fā)展提供堅實支撐。