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(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)煤氣，包括高爐煤氣、焦?fàn)t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(shí)，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(shí)現(xiàn)能源的高效利用，同時(shí)顯著減少溫室氣體排放，推動(dòng)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(jì)末期。當(dāng)時(shí)，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(jìn)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(jìn)“以氣代煤、以氣代電”的技術(shù)改造。進(jìn)入21世紀(jì)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(jī)組，將煤氣輸送至發(fā)電廠，同時(shí)從發(fā)電廠獲取熱力與電力支持。十?dāng)?shù)年來，這種協(xié)同合作模式憑借其顯著的經(jīng)濟(jì)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(dòng)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(shí)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(diǎn)需求主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

• 一是需要對煤氣熱值進(jìn)行精確測量，能夠提供準(zhǔn)確計(jì)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(shí)、可靠的指導(dǎo)，保障生產(chǎn)穩(wěn)定性；

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

多個(gè)監(jiān)測痛點(diǎn)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(rèn)可，但在實(shí)際操作中仍存在一些痛點(diǎn)：

• 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(shí)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(shí)時(shí)性不足：部分監(jiān)測設(shè)備無法實(shí)時(shí)反映煤氣熱值的變化，導(dǎo)致數(shù)據(jù)滯后，無法及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)。

• 復(fù)雜工況下的準(zhǔn)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(dòng)，導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性下降。

• 設(shè)備維護(hù)成本高：一些高精度的熱值分析儀器需要定期校準(zhǔn)和維護(hù)，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(shí)際組成來進(jìn)行計(jì)算，所以能夠提供更準(zhǔn)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(diǎn)是多組分測量精確度高和靈敏度高，能夠精確區(qū)分和識(shí)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(jìn)行分析，從而簡化了分析流程。同時(shí)，激光拉曼具備快速響應(yīng)能力，適合在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，且在分析過程中不會(huì)改變樣品性質(zhì)，實(shí)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(yùn)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(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，特別適用于目標(biāo)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(shí)時(shí)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(shí)計(jì)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(dān)了國家重大科學(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(shí)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(dòng)化行業(yè)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)”、“2021年度中國分析測試協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)（CAIA獎(jiǎng)）二等獎(jiǎng)”等多項(xiàng)榮譽(yù)。

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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jiān)固耐用的原位監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用防爆設(shè)計(jì)，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)際應(yīng)用案例

貴州某大型企業(yè)日常運(yùn)營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是將自產(chǎn)焦?fàn)t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(jià)的乘積進(jìn)行費(fèi)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(jìn)的激光拉曼光譜氣體分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心價(jià)值在于：

1、精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測：系統(tǒng)可24小時(shí)在線、快速、精確地測量焦?fàn)t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?xì)浠衔?，以及CO?、N?等重要的非烴組分。

2、提高經(jīng)濟(jì)效益：系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測并分析煤氣的燃燒熱值，根據(jù)激光拉曼的實(shí)測熱值數(shù)據(jù)可以看出，其測量值基本與實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確的結(jié)算參考依據(jù)，可以有效提高客戶的經(jīng)濟(jì)效益。

3、提升運(yùn)維效率：集成的預(yù)處理、控制與分析單元，配合自動(dòng)采樣、排水及校準(zhǔn)功能，大幅降低了人工干預(yù)和維護(hù)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(jì)，確保在加壓站等復(fù)雜惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運(yùn)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(shí)時(shí)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(yùn)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(zhǔn)的實(shí)時(shí)熱值與組分?jǐn)?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(yùn)營成本；同時(shí)，系統(tǒng)提供的可靠數(shù)據(jù)不僅保障了合理收益、實(shí)現(xiàn)了直接創(chuàng)收，也為滿足環(huán)保合規(guī)要求、推動(dòng)資源高效利用和企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)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(hù)和經(jīng)濟(jì)效益提升方面正展現(xiàn)出愈發(fā)重要的價(jià)值。通過精準(zhǔn)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(qiáng)大動(dòng)力，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，為行業(yè)高效發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐。