激光拉曼气体分析仪服务卢旺达生物燃气(Bio-Mathane)项目

暗藏在湖底的危机

图1 非洲卢旺达基伍湖

卢旺达的基伍湖风景如画，被誉为“非洲大湖”之一。基伍湖北侧有一座活火山，数千年的火山活动导致甲烷和二氧化碳大量积累溶解在基伍湖深处。科学家认为基伍湖看似平静，却危险重重，大约有3000亿立方米的溶解二氧化碳、600亿立方米的甲烷以及含有有毒的硫化氢潜藏湖底。这些溶解的气体随时可能以湖沼喷发的形式爆炸性地释放，一旦爆发，不仅会释放致命的二氧化碳，还可能引起甲烷爆炸，引发灾害。

图2 基伍湖分层深水区示意图

湖底甲烷变身可持续能源

对周边人口及国家来说，气藏既是一种潜在的风险，同时也是一种自然资源。基伍湖在分层深水区（低于250米）中有大量溶解甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂），高达约20 mmol/l的甲烷浓度足以用于商业气体提取和发电。 ContourGlobal 在基伍湖上实施了一个发电计划，利用基伍湖深水中发现的高浓度甲烷气体来发电。这一项目被称为KivuWatt项目，由多边投资担保机构（Multilateral Investment Guarantee Agency，简称“MIGA”）投资担保1.42亿美元为该项目提供支持，于2015年12月投入使用。

KivuWatt项目是世界上第一个漂浮在湖中的天然气开采平台，为了安全开采基伍湖的甲烷，天然气提取设施位于湖岸13公里处，连接至湖底。项目从350米深处取水，气体提取过程通过气体分离器，从压力35-2bar的载气水中提取出含有CH₄的气泡，然后在四个洗涤塔中洗涤原始气体，最终产生洁净的高浓度甲烷气体，通过一条13公里长的半淹没管道输送到湖岸边26兆瓦的发电厂。发电厂内的大型内燃发电机组将沼气能量转化为电能，为卢旺达国家公用电力系统提供必须的电力。二氧化碳则被泵回湖中，以维持湖中微妙的平衡不被破坏。

图3 卢旺达KivuWatt项目示意图

为确保输送到发电厂的气体符合内燃机对燃气的质量要求，卢旺达KivuWatt项目需要在气体提取平台上安装一个可长期连续运行的沼气监测系统，用于监测来自3个不同工艺点的天然气气体质量数据：原始气体，提纯后的气体，以及火炬气。这三个工艺点分别决定了前端气体提取工艺的稳定运行、气体洗涤和提纯工艺的效率。监测数据实时反馈到控制系统，确保气体提取装置处于最佳运行状态，避免资源浪费。

为了精准检测气体成分，项目需要直接测量原始气体的成分，包括甲烷、二氧化碳、硫化氢、O₂和N₂。其中，为确保原料气的质量，N₂必须直接测量，不能通过计算得出；而且需要实时在线连续监测，确保工艺的正常运转并尽量降低维护周期和停机检修带来的损失，以达到最佳生产效率。

聚焦激光拉曼技术，高端气体分析仪器走向国际

为实现以上监测目的，KivuWatt项目现场前期曾安装英国某品牌在线式红外沼气分析仪，但受限于测量原理，该分析仪不能直接检测N₂，N₂靠差减法计算获得。一旦某个组分的测量精度不达标，将直接导致N₂读值的精度产生较大偏差，造成工艺报警及紧急状态处理，影响效率。另外，该系统中的H₂S测量采用电化学原理，精度无法达到工艺要求，且寿命短需要经常停机维护。为确保检测精度的长期稳定性，项目曾弥补性地采用气相色谱（GC）技术进行定期的高精度检查，虽然能满足较高精度的测量要求，但气相色谱（GC）技术不能实时输出数据，操作复杂，而且还需要高频维护和耗材成本，无法作为自动化生产的方案。

针对以上问题，通过对不同技术路线和不同供应商方案的比较，KivuWatt项目最终采用了四方光电激光拉曼在线防爆型分析系统，替代现场的红外沼气分析仪，提供高精度、低维护的实时监测。激光拉曼原理可直接精确测量N₂浓度，且提供高精度和长寿命的H₂S测量，完美解决客户的痛点。该方案将仪表集成在正压防爆柜内，完全适用于危险场景的使用。

图4 上：实验室台式分析仪 下：在线防爆型分析系统

四方光电激光拉曼在线防爆分析系统，主要由预处理单元、控制单元、分析单元三部分组成，专为中低粉尘工作环境设计。产品采用PLC程序控制，可以自动完成3个采样通道之间的切换，实现24小时无人值守操作。极大降低了手动负载，保证系统的长期稳定，实现了准确、连续的自动在线运行。

• 预处理装置

预处理装置通过对进气电磁阀的控制，实现气体采样的三通道循环切换。在气体净化提纯过程中，采用过滤精度为5um的气水分离器，将液态水从样品气体中分离出来，同时过滤样品气体；初次过滤后的气体通过半导体冷凝器，去除样品气体中可凝固的气态水。整个过程用到的过滤器均设有自动排水装置，确保系统自动完成正常的取样与排水过程。最后采用过滤精度为0.1um的精密过滤器，确保样品气体满足分析仪器的使用要求，保证监测数据的准确性和系统的可靠性。

• 控制单元

激光拉曼气体分析仪通过内置IPC上的定制操作软件实时显示所有数据，并通过MODBUSTCP协议提供实时数据输出，并为每个气体组件提供4-20mA的模拟输出。

• 分析单元

分析单元为四方光电旗下仪器仪表子公司湖北锐意自主知识产权的多组分激光拉曼分析仪。它采用激光拉曼气体特征指纹谱技术，通过对待测气体的特征拉曼散射光谱进行增强、收集、处理和识别，可对气体成分进行定量计算，实现在线实时对多种类气体进行定性及定量监测，保障KivuWatt基伍瓦特项目长期稳定的自动在线运行。

• 激光拉曼气体全组分分析的优势

激光拉曼光谱技术是基于气体拉曼散射的光谱类气体分析技术。其利用高光束质量的激光器发出特定波长的激光，经过消色差透镜在气体室中聚焦，在焦点位置激光和气体分子相互碰撞产生拉曼散射。拉曼特征峰的强度和气体浓度值成正比，通过光谱仪测量和分析拉曼特征峰的位置和强度，可实现多组分气体的同时测量。由于拉曼散射光谱的激发和收集是瞬时进行，时间很短并可实时进行信号收集，因此和色谱GC、质谱MS相比，拉曼光谱仪具有更快的响应速度。

表1 不同技术原理对比分析

激光拉曼气体分析仪不仅可以测量生物天然气的全组分，还可以对石油裂解气体、钢铁冶金过程气体、现代煤化工过程气体等的全组分测量。目前通过一个激光光谱分析探头，可以实现CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂、C₃H₈、C₃H₆、C₄+、CO、CO₂、H₂、O₂、N₂、H₂S、H₂O等在内混合气体的做组分实时定量检测。

图5 卢旺达KivuWatt项目现场

经过在卢旺达生物天然气现场的实际性能验证以及严格测试评估，四方光电激光拉曼气体分析仪被项目评估团队批准，今后将被优先应用于该客户即将投建的其他沼气发电厂项目中。