双转化柱甲烷化器在色谱仪中的设计与应用

京仪集团科技论文双转化柱甲烷化器在色谱仪中的设计与应用摘要：双转化柱甲烷化器，包括两根转化柱和加热体，其特点是两根转化柱尺寸完全一致，共用一个加热体。双转化柱甲烷化器仅采用一个进口10通阀，一次进样就可完成O2、N2、CH4、CO、CO2、C2H4、C2H6、C2H2 八组分分析，分析周期为5分钟。这种装置应用于气相色谱仪上，检测精度高，速度快，可监测煤矿井下有害及易燃易爆气体的发展趋势，预测和避免井下火灾和爆炸事故的发生。关键词：双转化柱甲烷化器；转化柱；预测和避免；事故Abstract: Double column methanation device, comprising two conversion column and the heating body, which is characterized by two conversion column exactly the same size, share a heating body. Double column methanation device uses only one import 10 way valve, a sample can be completed by O2、N2、CH4、CO、CO2、C2H4、C2H6、C2H2 eight component analysis, analysis of the cycle for 5 minutes. This device is applied to a gas chromatograph, high detection precision, fast speed, can monitor coal mine harmful and flammable and explosive gas development trend, predict and avoid the fire and explosion accidents.1 前 言目前我国经济高速稳定发展，随着我国市场经济的地位确认以及我国中小企业的迅速发展，能源需要量急剧增加，煤矿的开采规模越来越大。与此同时，由于原来煤炭开采行业的管理不规范，每年的矿难逐渐增加，瓦斯爆炸事件经常发生，造成了大量的人员伤亡和经济损失。随着管理部门的管理力度加大，本着“以人为本，安全生产”的指导方针下，矿井气气相色谱仪将会在大、中、小煤矿企业得到普及，因此矿井气气相色谱仪的市场前景非常广阔。但目前国内矿井气气相色谱仪多为通用型的实验性仪器，很难拿去现场检测，功能、性能和质量不能真正满足用户的需求，且多为两个检测器同时工作。根据市场特点和用户需求，将双转化柱甲烷化器应用在气相色谱仪上，解决了目前实验室用矿井气气相色谱仪分析周期长、分析精度低等重点问题。对突发事件能起到提前预警、及时分析数据，为突发事故争取了宝贵时间。2 技术背景甲烷化器通常与高灵敏度FID气相色谱仪配合使用，广泛用于高纯气体的分析，空气质量的检测，煤矿井下作业中的有害气体的监测等领域。其原理是采用催化转化法使CO、CO2和H2在镍催化剂作用下转化为CH4，从而检测出ppm级或低于ppm级的CO、CO2。目前国际国内的分析仪器生产厂商所提供的均为普通的甲烷化器，如SP-3430气相色谱仪甲烷化器，当SP-3430气相色谱仪用于煤矿井下气分析时，可以一次进样完成O2、N2、CH4、CO、CO2 五组分或O2、N2、CH4、CO、CO2、C2H4、C2H6、C2H2 八组分的分析，检测方便准确，但存在以下问题：1）需进行色谱柱的匹配，增加了调试成本和周期；2）分析周期长，一般10分钟；3）操作繁琐，进行八组分分析时前期进行的调试比较复杂。另外，常用的甲烷化器还有GC-4085型矿井气体多点参数色谱自动分析仪，为解决分析周期长的问题，其采用了双柱箱（高、低温工作）、两个12通阀、一个10通阀同时工作的分析系统，分析周期缩短为8分钟，但仍然存在分析周期长的问题。煤矿事故的发生具有突然性一旦事故发生那么准确、快速的分析报告是施救的依据，快速的矿井气成分分析报告间接的也加快的搜救速度，保障的人身财产的安全同时也对救援人员的人身安全也有了保障。所以说双柱甲烷化器应用在SP-2120车载型气相色谱仪上来应对突发的煤矿事故起到了快速到达现场、准确进行矿井气成分分析、快速施救的作用。为克服上述缺点，有必要提供一种新型双转化柱甲烷化器。3 双转化柱甲烷化器的结构3.1 主要部件的结构图1图1为双转化柱甲烷化器主要部件的A-A面剖视图及俯视图。安装方式为：1.将加热棒从加热块的底部缓缓将其插入，末端与加热块平齐；2.用M4x20的不锈钢螺钉将加热棒固定住；3.将两根转化柱按图中方向插入到加热块的相应位置，顶端需完全包含于加热块之内；4.插入测温铂电阻，使铂电阻完全包含于加热块中。3.2 双转化柱甲烷化器的整体结构示意图图2 整体结构 图2为双转化柱甲烷化器安装在色谱仪器上的整体结构示意图，其中，序号1为保温陶瓷棉；序号2为转化炉外壳；序号3为加热棒，采用美国hot water公司的220v 150w 加热棒；加热块的材料为铝，加工为中空的圆柱状，内径10mm，外径40mm，在圆柱体的侧边内部分别对称设置3.2mm的“U”形通孔以放置转化柱；转化柱（I，II）采用3mm“U”形不锈钢管内填Ni触媒；序号4为测温铂电阻，采用美国瓦里安公司测温铂电阻Pt100 2.7x25 。较以往的单转化柱甲烷化相比，双转化柱甲烷化器增加了一根镍催化剂填充柱，因此具有两根转化柱，两根转化柱的进口通过一个十通阀与两根定量管分别连接，分析样品时载气带着样品进入定量管中，十通阀切换，两根定量管中的样品气便由载气带到双转化柱甲烷化器的两根转化柱中进行催化转变，然后催化转变的产物由转化柱的出口进入色谱仪的分析柱中进行样品分析。双转化柱甲烷化器配合TCD和FID检测器的使用，仅采用一个10通阀，可以一次进样完成O2、N2、CH4、CO、CO2、C2H4、C2H6、C2H2 八组分的分析，分析周期为5分钟。与现有的甲烷化器比较，其特点在于：1） 两根转化柱共用一个加热体；2） 两根转化柱的尺寸完全一致，便于更换及安装。3） 分析周期大大缩减；4） 分析精度大幅度提高；4 双转化柱甲烷化器在色谱上的安装及测试4.1 安装位置图3 转化炉的安装位置如图3所示装有双转化柱的转化炉在SP-2120型矿井气专用色谱仪上与检测器安装的相对位置。将组装好的甲烷化器按照色谱仪外箱顶板上位置将甲烷化器安装好，按照气路系统图连接好气路。4.2 与SP-3430型矿井气色谱仪的测试比较4.2.1 SP-3430测试结果利用单转化柱甲烷化器连接在SP-3430气相色谱仪，所述的单转化柱甲烷化器为SP-3430气相色谱仪甲烷化器，被检测的气体是实验室用标气，其标气中各组分的含量是：O2： 20.9%N2： 平衡气 约为78.044%CO： 50ppmCH4： 0.501%CO2 ： 0.5%C2H4 ： 201ppmC2H6 ： 200ppmC2H2 ： 99.9ppm仪器工作状态：柱温50，转化炉350，TCD：100 量程 10；FID：200 量程 1。 实测条件为：载气1；流量 30 ml/min，载气2流量 30 ml/min ，载气3流量 30 ml/min，载气4流量 30 ml/min ，氢气流量 30 ml/min，空气流量 300 ml/min热丝 180 ，桥流 70 mA ； TCD：噪声 22 V ；漂移 134 V / 30min ； 要求：噪声30V；漂移300V / 30min。FID : 噪声 20 V ；漂移 152 V / 30min要求：噪声30V；漂移300V / 30min利用以下公式计算最小检测量：最小检测浓度：Cmin2HnCs/RxHs 式中: Cmin最小检测浓度(ppm) Hn噪声峰高 (V) Cs测试样品浓度 (ppm) R衰减系数 Hs测试样品峰高 (V)得到最小检测量，O2 ： Cmin 81.7 ppm(要求不大于1000ppm)CO： Cmin 0.2 ppm(要求不大于0.5ppm)C2H2： Cmin 0.05 ppm(要求不大于0.1ppm)经检测SP-3430型气相色谱仪各项性能工作正常可以进行标气样品的进样检测，检测结果谱图如图4 中a、b、c所示；检测结果：O2峰高11251、CO峰高983、C2H2峰高7823。（a）（b）（c）图4 4.2.2 SP-2120测试结果SP-2120气相色谱仪甲烷化器的工作的硬件条件与SP-3430一致，检测与比较例成分一致的标气。检测条件如下： 柱温50， 转化炉350，TCD 100； 量程 10； FID A ：200 量程 10 ， FID B： 200 量程 10 ， 实测：载气1；流量 30 ml/min，载气2流量 30 ml/min ，载气3流量 30 ml/min，载气4流量 30 ml/min ，氢气流量 30 ml/min，空气流量 300 ml/min热丝 180 ，桥流 69 mA ； TCD：噪声 20 V ；漂移 115 V / 30min ； 要求：噪声30V；漂移300V / 30min。FID A : 噪声 17 V ；漂移 163 V / 30min要求：噪声30V；漂移300V / 30minFID B : 噪声 22 V ；漂移 99 V / 30min要求：噪声30V；漂移300V / 30min。同样采用上述公式：Cmin2HnCs/RxHs 可得矿井气中重点检测组分的最小检测量为：O2 ： Cmin 63.1 ppm(要求不大于1000l/l)CO： Cmin 0.12 ppm(要求不大于0.5l/l)C2H2： Cmin 0.04 ppm(要求不大于0.1l/l)检测的谱图结果如图5所示，各检测量的结果如下：检测结果：O2峰高13230、CO峰高1507、 C2H210763。（a）(b)(c)图55 结论于展望经多次比较，采用双柱甲烷化器的SP-2120型气相色谱仪的最小检测浓度和分析周期均好于SP-3430型气相色谱仪。双转化柱甲烷化器这项实用新型专利技术的实施将广泛的发挥它的作