氣相色譜法應用于焦爐煤氣的分析

焦政華等

摘 要：文章采用氣相色譜法對于焦爐煤氣的組分進行分析，經過對試驗數據的具體分析，得出焦爐煤氣的組分。該方法與其他方法相比具有數據準確可靠、試驗速度快等特點，可將此方法廣泛應用于焦化工業的分析領域。焦爐煤氣是鋼鐵冶煉工業中的重要燃料，氣相色譜法可以逐漸替代傳統的質量檢驗方法，能更加高效地促進工業生產。

關鍵詞：氣相色譜法；焦爐煤氣；化學分析

中圖分類號：TQ547 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）15-0175-02

1 焦爐煤氣的相關分析

在鋼鐵冶煉工業中，煤氣是重要的工業燃料。煤氣根據來源分為轉爐煤氣、高爐煤氣、焦爐煤氣和混合煤氣。

高爐煤氣和轉爐煤氣都是冶煉過程中產生的副產品，焦爐煤氣是將煤炭置于隔絕空氣的條件下進行強力加熱產生的混合其他，其可以應用于工業生產的加熱、發電、民用等各個方面。進行組分分析后，還可將其中的某一些分作為化工原料進行二次加工生產利用。

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單快速的分析煤氣的組分，配合著TCD（熱導檢測器）即可定量的測定常量氣體組分。依靠著FID（氫火焰離子檢測器）就能確定微量的烴類其氣體的組分。本文以工業中應用廣泛的焦爐煤氣研究，對氬氣和氮氣作為載氣，對焦爐煤氣進行分析研究，研究發現了一種可靠簡單的分析方法，根據可燃氣體的含量和其燃燒熱，采用Excel創建函數，列出具體熱值的計算方法，可以利用該發現對煤氣的熱值進行簡便快捷的計算。

2 試驗部分

2.1 試驗儀器確定

本次試驗使用儀器為北京北分瑞利分析儀器有限責任公司生產的SP-342型氣相色譜儀；色譜柱的參數為：TDX-01、內徑為φ3×1.2 m；GDX-502、內徑為φ3×4 m，使用熱導檢測儀器和氫氣火焰離子化檢測器對進氣體量1 ml，我們使用北京北分瑞利分析儀器有限責任公司生產的BHS-3型空氣泵以及皂沫流量計。

2.2 試驗所用試劑和材料

高純客氣：純度≥99.99%；高純氫：純度≥99.99%；鋁塑內膽取樣器（1 L），合成焦爐標準氣體。所有標準氣體單位均為/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 試驗方法

采用皂沫流量計控制氬氣流速和氫氣流速，將兩者都調節到30 ml/min，然后將空氣泵打開，流速設置為300 ml/min。然后開動色譜分析以，等到色譜柱，檢測器與進樣器的溫度都達到預先設定好的溫度范圍，進行40 min后，采用聚四氟乙烯管運送標準氣體，將其放置在進樣口處，同時出樣口處連接盛水的光口瓶，我們通過瓶中的氣泡數量來控制流速，慢慢打開開關，置換完成后重新關閉氣瓶開關。打開分析軟件后，將所用儀器設定值焦爐煤氣分析模塊，按下色譜啟動和數據采集按鍵。儀器會按照設定后程序自動進樣進行樣的分析，分析結束后，對模板進行更新，用儀器進行單點校正，該模板對樣品進行確認和分析。

3 試驗結果分析與實驗結果的討論

3.1 載氣分析的選擇

載氣的選擇要考慮到該氣體的反應的活潑性應該較低，所以選擇高純氮氣和惰性氣體中的氬氣作為載氣。當選擇高純氮氣時，氣體成本較低而且氮氣活潑程度也較低，當選擇高純氦氣時，其熱導率非常靈敏靈敏，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行煤氣組分分離，既能測出氧氣含量，也能檢測出氮氣，試驗最終確定高純氬氣作為載氣。

3.2 試驗條件的確定

由于該試驗進行的是氣體組分分析，所以色譜柱采用常溫即可。試驗時溫度略高于氣溫即可，可將其溫度定為40 ℃，進樣器的溫度需要高于色譜柱柱溫，可設置為60 ℃，輔助箱溫度為380 ℃。檢測器的穩定固定在100 ℃即可，不用設計程序性升溫過程。

3.3 取樣過程和進樣過程的分析

在較早的焦爐煤氣分析試驗過程中，取樣時多采用橡膠制作的皮囊，由于材質的缺陷非常容易導致組分吸附在上邊，而且氫氣是小分子的物質，特別容易擴散消失，所以我們分析的時間和時機要求非常嚴格，一般必須在30 min完成試驗分析，否則結果會出現較大誤差。

本文試驗研究采用新的鋁塑膜內膽取樣器，取樣器中的內膽鋁塑膜由于活性較低，能夠對焦爐煤氣的組分進行很好的保存。在煤氣采樣過程中，需立于風頭，使取樣閥門打開放氣2～3 min，利用煤氣將取樣器內的氣體置換至少3～4次，以保證取樣器內的空氣必須全部排放出去，取樣完成以后，將閥門關閉。進樣過程中，需要確認分析氣體和標準氣體量的一致，進樣時需觀察廣口瓶中氣泡速度和標準氣體的速度是完全一致，進行氣體置換0.5～1 min，然后關閉取樣閥門。

3.4 組分分析程序的優化

該試驗采取的煤氣組分分離和檢測的示意圖如圖1所示。

在圖中的TDX-01色譜柱能將氧氣、氫氣、一氧化碳、氮氣和二氧化碳分離出來，在GDX-502的色譜柱上能夠將丙烷、乙烯、乙烷、甲烷分離出來。熱導檢測器可以檢測出有TDX-01儀器分離出來的氣體，采用氫火焰離子化檢測器則可以檢測出由GDX-502色譜柱分離的氣體。

色譜儀中上配置有兩個自動六通閥，能將兩個型號的色譜柱連接起來，分別進樣之后就可以檢測出TDX-01色譜柱組分分離結果與GDX-502色譜柱組結果。

本次研究結果顯示，使用聚四氟乙烯管進行連接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采樣結果。

甲烷保留的時間為3.179 min，使用與TDX-01連接的六通閥進樣6 s后，設置分析陳旭后，將連接GDX-502的六通閥進樣啟動，那么圖3中，在色譜啟動后3～5 min內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，同時不會對CO與CO2進行分析。

根據試驗需要將檢測器、繼電器在操作面板上進行設置后，得到焦爐煤氣分析的結果，經過對取樣分析方法優化以后，進行分析的時間有了明顯的縮短，使分析操作的流程簡單化，原來的0.5 h變為12 min，所用氣體耗量明顯減少，同時成本分析有明顯的降低，分析數據也能夠實現一次性采集，使熱值的計算更為方便。

3.5 煤氣的殘余釋放

進行煤氣分析操作的時候，使用標準氣體以及式樣在進行置換時，會有一定含量的殘余煤氣產生，殘余的煤氣中CO和硫化氫都是劇毒氣體，如果釋放不當則會在實驗的房間內進行擴散危及試驗人員的身體健康對人身安全造成嚴重的威脅，因此在實驗結束后，必須要有效安全的釋放殘余煤氣。

經試驗可知，將雙孔橡膠塞安裝在廣口瓶上部，使其中的一個插孔用來插入連接煤氣出口的導管，另外一個插孔插入一定長度的聚四氟乙烯管，使殘余煤氣排放到室外，經過改造，使殘余煤氣直接排到室外，有效保證了不會對操作人員身體健康造成影響。

3.6 熱值的計算

計算的公式如下：

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“焦爐煤氣熱值計算”的Excel文檔。

BFS-2002分析結果欄中，選中分析組含量和名稱的對應列，復制以后在新建立的文件內，單擊單元格，粘貼選定的內同。在第一行含量列的右側，將熱值的計算公式進行編輯。對其中引用相對應組分的單元格數值，則完成公式輸入，按回車鍵后，該試樣結果的熱值自動計算完成。在對其二次分析時，緊接著前面分析結果的最后一行處，粘貼其分析的內容，單擊熱值列的單元格，使鼠標顯示放在該單元格右下角，當其變為“+”時，點鼠標左鍵向下拖曳，在該次分析第一行熱值對應列數值即該次分析熱值。

4 結 語

本次實驗采取氬氣作為載氣體，使用鋁塑，膜內膽的取樣器取代傳統所用乳膠球膽取樣器，溫度的條件選擇為色譜儀進廠時的設置，部分改造儀器進樣，將儀器分析程序進行調整后，通過一次的進樣我們實現了兩個定量管取樣分析及置換過程，實現煤氣全部譜圖的采集分析，分析時間有明顯的縮短，分析成本有明顯降低。在殘余煤氣排放時，進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便計算，從而得到了一種更準確、更簡便、更快速、更安全的熱值分析及煤氣組分方法，得到了科學準確的分析數據，從而更科學的指導煤氣生產。通過焦爐煤氣組分的成功分析，進而可將氣相色譜法應用到更多的工業化冶煉生產過程的氣體分析中，該方法的應用前景非常廣闊。

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