氣相色譜法應(yīng)用于焦?fàn)t煤氣的分析

焦政華等

摘 要：文章采用氣相色譜法對(duì)于焦?fàn)t煤氣的組分進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的具體分析，得出焦?fàn)t煤氣的組分。該方法與其他方法相比具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、試驗(yàn)速度快等特點(diǎn)，可將此方法廣泛應(yīng)用于焦化工業(yè)的分析領(lǐng)域。焦?fàn)t煤氣是鋼鐵冶煉工業(yè)中的重要燃料，氣相色譜法可以逐漸替代傳統(tǒng)的質(zhì)量檢驗(yàn)方法，能更加高效地促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：氣相色譜法；焦?fàn)t煤氣；化學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TQ547 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）15-0175-02

1 焦?fàn)t煤氣的相關(guān)分析

在鋼鐵冶煉工業(yè)中，煤氣是重要的工業(yè)燃料。煤氣根據(jù)來(lái)源分為轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和混合煤氣。

高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣都是冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，焦?fàn)t煤氣是將煤炭置于隔絕空氣的條件下進(jìn)行強(qiáng)力加熱產(chǎn)生的混合其他，其可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的加熱、發(fā)電、民用等各個(gè)方面。進(jìn)行組分分析后，還可將其中的某一些分作為化工原料進(jìn)行二次加工生產(chǎn)利用。

由于煤氣的多種多樣，不同煤氣的含量和成份和也都不相同，煤氣氣體主要的成分有氫、氧、氮、二氧化碳、乙烯、甲烷、一氧化碳、乙烷等氣體，利用氣相色譜法可以簡(jiǎn)單快速的分析煤氣的組分，配合著TCD（熱導(dǎo)檢測(cè)器）即可定量的測(cè)定常量氣體組分。依靠著FID（氫火焰離子檢測(cè)器）就能確定微量的烴類其氣體的組分。本文以工業(yè)中應(yīng)用廣泛的焦?fàn)t煤氣研究，對(duì)氬氣和氮?dú)庾鳛檩d氣，對(duì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)行分析研究，研究發(fā)現(xiàn)了一種可靠簡(jiǎn)單的分析方法，根據(jù)可燃?xì)怏w的含量和其燃燒熱，采用Excel創(chuàng)建函數(shù)，列出具體熱值的計(jì)算方法，可以利用該發(fā)現(xiàn)對(duì)煤氣的熱值進(jìn)行簡(jiǎn)便快捷的計(jì)算。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)儀器確定

本次試驗(yàn)使用儀器為北京北分瑞利分析儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SP-342型氣相色譜儀；色譜柱的參數(shù)為：TDX-01、內(nèi)徑為φ3×1.2 m；GDX-502、內(nèi)徑為φ3×4 m，使用熱導(dǎo)檢測(cè)儀器和氫氣火焰離子化檢測(cè)器對(duì)進(jìn)氣體量1 ml，我們使用北京北分瑞利分析儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的BHS-3型空氣泵以及皂沫流量計(jì)。

2.2 試驗(yàn)所用試劑和材料

高純客氣：純度≥99.99%；高純氫：純度≥99.99%；鋁塑內(nèi)膽取樣器（1 L），合成焦?fàn)t標(biāo)準(zhǔn)氣體。所有標(biāo)準(zhǔn)氣體單位均為/MJ·Nm-3。其中H2、O2、CH4、CO、C2H4、C2H6、C3H8分別為60.2%、0.5%、21.3%、3.8%、1.2%、0.6%、0.1%。N2、CO2含量分別為6.1%、6.2%。

2.3 試驗(yàn)方法

采用皂沫流量計(jì)控制氬氣流速和氫氣流速，將兩者都調(diào)節(jié)到30 ml/min，然后將空氣泵打開，流速設(shè)置為300 ml/min。然后開動(dòng)色譜分析以，等到色譜柱，檢測(cè)器與進(jìn)樣器的溫度都達(dá)到預(yù)先設(shè)定好的溫度范圍，進(jìn)行40 min后，采用聚四氟乙烯管運(yùn)送標(biāo)準(zhǔn)氣體，將其放置在進(jìn)樣口處，同時(shí)出樣口處連接盛水的光口瓶，我們通過(guò)瓶中的氣泡數(shù)量來(lái)控制流速，慢慢打開開關(guān)，置換完成后重新關(guān)閉氣瓶開關(guān)。打開分析軟件后，將所用儀器設(shè)定值焦?fàn)t煤氣分析模塊，按下色譜啟動(dòng)和數(shù)據(jù)采集按鍵。儀器會(huì)按照設(shè)定后程序自動(dòng)進(jìn)樣進(jìn)行樣的分析，分析結(jié)束后，對(duì)模板進(jìn)行更新，用儀器進(jìn)行單點(diǎn)校正，該模板對(duì)樣品進(jìn)行確認(rèn)和分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論

3.1 載氣分析的選擇

載氣的選擇要考慮到該氣體的反應(yīng)的活潑性應(yīng)該較低，所以選擇高純氮?dú)夂投栊詺怏w中的氬氣作為載氣。當(dāng)選擇高純氮?dú)鈺r(shí)，氣體成本較低而且氮?dú)饣顫姵潭纫草^低，當(dāng)選擇高純氦氣時(shí)，其熱導(dǎo)率非常靈敏靈敏，但是氦氣的成本較高。所以最終選擇惰性氣體中的氬氣作為載氣進(jìn)行煤氣組分分離，既能測(cè)出氧氣含量，也能檢測(cè)出氮?dú)猓囼?yàn)最終確定高純氬氣作為載氣。

3.2 試驗(yàn)條件的確定

由于該試驗(yàn)進(jìn)行的是氣體組分分析，所以色譜柱采用常溫即可。試驗(yàn)時(shí)溫度略高于氣溫即可，可將其溫度定為40 ℃，進(jìn)樣器的溫度需要高于色譜柱柱溫，可設(shè)置為60 ℃，輔助箱溫度為380 ℃。檢測(cè)器的穩(wěn)定固定在100 ℃即可，不用設(shè)計(jì)程序性升溫過(guò)程。

3.3 取樣過(guò)程和進(jìn)樣過(guò)程的分析

在較早的焦?fàn)t煤氣分析試驗(yàn)過(guò)程中，取樣時(shí)多采用橡膠制作的皮囊，由于材質(zhì)的缺陷非常容易導(dǎo)致組分吸附在上邊，而且氫氣是小分子的物質(zhì)，特別容易擴(kuò)散消失，所以我們分析的時(shí)間和時(shí)機(jī)要求非常嚴(yán)格，一般必須在30 min完成試驗(yàn)分析，否則結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大誤差。

本文試驗(yàn)研究采用新的鋁塑膜內(nèi)膽取樣器，取樣器中的內(nèi)膽鋁塑膜由于活性較低，能夠?qū)範(fàn)t煤氣的組分進(jìn)行很好的保存。在煤氣采樣過(guò)程中，需立于風(fēng)頭，使取樣閥門打開放氣2～3 min，利用煤氣將取樣器內(nèi)的氣體置換至少3～4次，以保證取樣器內(nèi)的空氣必須全部排放出去，取樣完成以后，將閥門關(guān)閉。進(jìn)樣過(guò)程中，需要確認(rèn)分析氣體和標(biāo)準(zhǔn)氣體量的一致，進(jìn)樣時(shí)需觀察廣口瓶中氣泡速度和標(biāo)準(zhǔn)氣體的速度是完全一致，進(jìn)行氣體置換0.5～1 min，然后關(guān)閉取樣閥門。

3.4 組分分析程序的優(yōu)化

該試驗(yàn)采取的煤氣組分分離和檢測(cè)的示意圖如圖1所示。

在圖中的TDX-01色譜柱能將氧氣、氫氣、一氧化碳、氮?dú)夂投趸挤蛛x出來(lái)，在GDX-502的色譜柱上能夠?qū)⒈椤⒁蚁⒁彝椤⒓淄榉蛛x出來(lái)。熱導(dǎo)檢測(cè)器可以檢測(cè)出有TDX-01儀器分離出來(lái)的氣體，采用氫火焰離子化檢測(cè)器則可以檢測(cè)出由GDX-502色譜柱分離的氣體。

色譜儀中上配置有兩個(gè)自動(dòng)六通閥，能將兩個(gè)型號(hào)的色譜柱連接起來(lái)，分別進(jìn)樣之后就可以檢測(cè)出TDX-01色譜柱組分分離結(jié)果與GDX-502色譜柱組結(jié)果。

本次研究結(jié)果顯示，使用聚四氟乙烯管進(jìn)行連接GDX-502的定量管入口與TDX-01色譜柱連接的定量管出口，置換一次得到定量管的兩個(gè)采樣結(jié)果。

甲烷保留的時(shí)間為3.179 min，使用與TDX-01連接的六通閥進(jìn)樣6 s后，設(shè)置分析陳旭后，將連接GDX-502的六通閥進(jìn)樣啟動(dòng)，那么圖3中，在色譜啟動(dòng)后3～5 min內(nèi)則可完成甲烷與乙烷的分析，而在7.5～8.5 min之間，丙烷可完成分離，同時(shí)不會(huì)對(duì)CO與CO2進(jìn)行分析。

根據(jù)試驗(yàn)需要將檢測(cè)器、繼電器在操作面板上進(jìn)行設(shè)置后，得到焦?fàn)t煤氣分析的結(jié)果，經(jīng)過(guò)對(duì)取樣分析方法優(yōu)化以后，進(jìn)行分析的時(shí)間有了明顯的縮短，使分析操作的流程簡(jiǎn)單化，原來(lái)的0.5 h變?yōu)?2 min，所用氣體耗量明顯減少，同時(shí)成本分析有明顯的降低，分析數(shù)據(jù)也能夠?qū)崿F(xiàn)一次性采集，使熱值的計(jì)算更為方便。

3.5 煤氣的殘余釋放

進(jìn)行煤氣分析操作的時(shí)候，使用標(biāo)準(zhǔn)氣體以及式樣在進(jìn)行置換時(shí)，會(huì)有一定含量的殘余煤氣產(chǎn)生，殘余的煤氣中CO和硫化氫都是劇毒氣體，如果釋放不當(dāng)則會(huì)在實(shí)驗(yàn)的房間內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散危及試驗(yàn)人員的身體健康對(duì)人身安全造成嚴(yán)重的威脅，因此在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，必須要有效安全的釋放殘余煤氣。

經(jīng)試驗(yàn)可知，將雙孔橡膠塞安裝在廣口瓶上部，使其中的一個(gè)插孔用來(lái)插入連接煤氣出口的導(dǎo)管，另外一個(gè)插孔插入一定長(zhǎng)度的聚四氟乙烯管，使殘余煤氣排放到室外，經(jīng)過(guò)改造，使殘余煤氣直接排到室外，有效保證了不會(huì)對(duì)操作人員身體健康造成影響。

3.6 熱值的計(jì)算

計(jì)算的公式如下：

煤氣熱值（MJ/Nm3）=氫氣%×0.1079+乙烯%×0.5944+甲烷%×0.3588+甲烷%×0.9318+一氧化碳%×0.1264+乙烷%×0.6435。

建立命名為“焦?fàn)t煤氣熱值計(jì)算”的Excel文檔。

BFS-2002分析結(jié)果欄中，選中分析組含量和名稱的對(duì)應(yīng)列，復(fù)制以后在新建立的文件內(nèi)，單擊單元格，粘貼選定的內(nèi)同。在第一行含量列的右側(cè)，將熱值的計(jì)算公式進(jìn)行編輯。對(duì)其中引用相對(duì)應(yīng)組分的單元格數(shù)值，則完成公式輸入，按回車鍵后，該試樣結(jié)果的熱值自動(dòng)計(jì)算完成。在對(duì)其二次分析時(shí)，緊接著前面分析結(jié)果的最后一行處，粘貼其分析的內(nèi)容，單擊熱值列的單元格，使鼠標(biāo)顯示放在該單元格右下角，當(dāng)其變?yōu)椤?”時(shí)，點(diǎn)鼠標(biāo)左鍵向下拖曳，在該次分析第一行熱值對(duì)應(yīng)列數(shù)值即該次分析熱值。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次實(shí)驗(yàn)采取氬氣作為載氣體，使用鋁塑，膜內(nèi)膽的取樣器取代傳統(tǒng)所用乳膠球膽取樣器，溫度的條件選擇為色譜儀進(jìn)廠時(shí)的設(shè)置，部分改造儀器進(jìn)樣，將儀器分析程序進(jìn)行調(diào)整后，通過(guò)一次的進(jìn)樣我們實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)定量管取樣分析及置換過(guò)程，實(shí)現(xiàn)煤氣全部譜圖的采集分析，分析時(shí)間有明顯的縮短，分析成本有明顯降低。在殘余煤氣排放時(shí)，進(jìn)行改造直接將殘余煤氣排到室外，操作人員的身體安全得到了保障，最終得到煤氣熱值的簡(jiǎn)便計(jì)算，從而得到了一種更準(zhǔn)確、更簡(jiǎn)便、更快速、更安全的熱值分析及煤氣組分方法，得到了科學(xué)準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)，從而更科學(xué)的指導(dǎo)煤氣生產(chǎn)。通過(guò)焦?fàn)t煤氣組分的成功分析，進(jìn)而可將氣相色譜法應(yīng)用到更多的工業(yè)化冶煉生產(chǎn)過(guò)程的氣體分析中，該方法的應(yīng)用前景非常廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬立新.氣相色譜法分析煤氣組分[J].天津冶金，2005，（5）.

[2] 馬玉蘭，吳群莉，趙讓梅.對(duì)人工煤氣、液化石油氣、天然氣氣相色譜分析方法的研究[J].中國(guó)儀器儀表，2007，（3）.

[3] GB/T 10410-2008，人工煤氣和液化石油氣常量組分氣相色譜分析法[S].

[4] 梁祺烽，周衛(wèi)紅，譚洪艷，等.焦?fàn)t煤氣組分氣相色譜分析法分析條件[J].遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（3）.