“氨”全检测，精准赋能｜四方仪器激光拉曼技术助力合成氨工艺升级（一）-四方光电（武汉）仪器有限公司

一、氨的生产和主要用途

氨是世界上生产及应用最广泛的基础化学品之一，目前全球年产量约2.5亿吨，主要通过哈伯—博世法以化石能源为原料生产。全球产能集中在中、印、俄和美四国，其中中国产能居全球首位，2023年占全球、亚洲和东亚产能的比例分别为32%、54%和79%。全球80%以上的合成氨用于生产化肥，而在中国，合成氨主要用于农业（占比71%）、工业（占比29%）和储能（占比不足1%）。此外，合成氨还用于生产塑料、纤维、炸药、硝酸，以及作为染料和药品制造的中间体。

二、合成氨生产工艺

在以天然气为原料的典型氨生产厂中，蒸汽甲烷重整器（SMR）首先将天然气转化为合成气，合成气主要由H2和CO组成。随后，通过水煤气高低温变换转化器将CO转化为H2和CO2。接下来，合成气经过CO2吸收器去除CO2，并对剩余的CO2进行甲烷化处理（CO2会导致氨合成催化剂中毒）。来自空气分离装置的N2与H2结合，进入氨转化反应器，通过哈伯—博世工艺合成氨（NH3）。由于H2和N2生成NH3的过程是可逆反应，为了促使氨的连续合成，需要通过持续液化并移除部分氨，使反应平衡向氨产品一侧倾斜。

涉及到相关反应如下：
一次重整：CH4+ H2O → CO + H2+ CO2
二次重整：CH4+ 空气+ H2O → H2+ N2+ CO2+ CO
CO转化反应（高低温）： CO + H2O → CO2+H2
CO2去除：CO2 + NH4+ + H2O→ NH3 + H2O
甲烷转化：CO + H2 → CH4+ H2O CO2+ H2 → CH4+H2O
NH3合成：N2+3H2 → 2NH3

三、测量难点

以天然气为原料的合成氨装置的样品具有高压（几个兆帕）、高温（几百度）、高湿（饱和水蒸气）以及高危（含有爆炸性、毒性和腐蚀性气体）等“四高”显著特点。其次，蒸汽甲烷重整器是一种快速且剧烈的氧化反应装置，工艺人员需要及时了解SMR反应生成的物料质量状况，以便迅速调整工艺。同时，合成气成分复杂，主要包含H2、CO、CH4、CO2、N2、H2S等成分。这些特性给传统分析仪表带来了巨大挑战。

监测难点

四、解决方案

传统的色谱、红外、热导或质谱分析仪只能部分解决“四高一快一复杂”的问题，且对水蒸气极为敏感，遇水易损坏。而拉曼光谱分析仪不仅能在高压、高温、高湿和高危环境下稳定运行，还能快速、准确地分析复杂合成气成分，且对水蒸气具有免疫性。这使得拉曼光谱分析仪在应对高湿环境时更具优势，能够为合成氨装置的工艺优化提供可靠的分析数据。

四方仪器激光拉曼分析仪（LRGA-3200EX）能够分析双原子气体H2和N2，并可测量下表取样点中显示的所有参数。该仪器无需载气、色谱柱等辅材，即可对样品进行定性定量的分析。其通过长距离光纤电缆将气体探头连接到分析仪，不仅避免了使用高温伴热传输管线，显著提高了系统分析速度，而且工作人员可以在分析小屋内直接操作仪器，无需接触爆炸性气体、毒性气体和腐蚀性气体等危险因素。

监测点位

某原料天然气的拉曼光谱图

五、产品优势

在合成氨工艺流程中，气体浓度的精准监测对于工艺安全、效率及产品质量至关重要。一氧化碳（CO）和氢气（H₂）等气体不仅具有易燃易爆的特性，还对合成氨反应的进行和产物质量产生深远影响。因此，准确监测这些气体在合成氨工艺中的浓度，是保障工艺稳定运行的关键环节。

四方仪器激光拉曼分析仪（LRGA-3200EX）在这一过程中发挥着不可或缺的作用。其通过高精度的传感器和先进的分析技术，能够实时监测气体成分及浓度，为工艺控制提供可靠的数据支持。

主流分析技术对比

四方仪器LRGA-3200EX产品优势

综上所述，四方仪器激光拉曼技术凭借其在复杂工况下的适应性、秒级响应速度、低维护量、高安全性、多组分、多点位测量以及不受水蒸气干扰等优势，相比传统分析技术更适合用于合成氨工艺气体的在线检测。其应用于合成氨工业生产，将有效提高蒸汽重整反应的控制精准度，提升合成气及成品氨的产率，从而整体提升合成氨工艺的生产水平。

四方仪器自2012年起便依托其母公司核心气体传感技术平台，牵头承担国家重大科学仪器设备开发专项“激光拉曼光谱气体分析仪器的研发与应用”项目。针对激光拉曼光谱法的特征信号较弱等业界技术难题，四方仪器深耕十余年，持续钻研激光拉曼光谱气体分析技术，最终成功开发出国内首家具有自主知识产权的商业化产品——LRGA系列激光拉曼光谱气体分析仪，填补了国内相关领域的技术空白。同时，凭借深厚的技术底蕴和卓越的产品性能，四方仪器在行业内崭露头角，积极投身于行业标准的制定工作，以引领行业技术发展，推动产业升级。