一种全新的煤矿灾害气体分析解决方案
杨宏民1,罗海珠1,王春晓2,管振喜3
(1.煤炭科学研究总院抚顺分院,辽宁抚顺113001;2.安捷伦科技有限公司,上海200131;3.安捷伦科技有限公司(中国),北京100022)摘 要:适合于实验室分析的煤矿灾害气体专用分析仪,基于Agilent 6890气相色谱仪系统,流量、气路自动控制,无须人工操作,一起分析精度高。一次进样自动完成煤矿灾害气体全分析,可分析组分有氧气(O2)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、乙炔(C2H2),丙烯(C3H6)、丙烷(C3H8)及碳4(C4)烃类。系统配置灵活,适合常、微量组分的分析,稳定性好,灵敏度高,CO2、CO、C1-C4烃类,最低检测浓度<0.5×10-6。分析周期可控制在15 min内。
关键词:煤矿灾害气体;气相色谱仪;分析与监测系统
中图分类号:TD75+2.2 文献标识码:B 文章编号:1003-496X(2006)
气体分析法是煤矿自然发火早期预测预报的主要方法之一,以CO、C2H2、C2H2及链烷比、烯烷比等为主的标志气体指标体系在我国已经得到广泛的应用,因此矿山灾害气体分析是保障煤矿安全的重要工作之一。煤科总院抚顺分院与安捷伦科技合作,专门设计了完整的专用煤矿灾害气体分析与监测系统,系统包括煤矿灾害气体专用分析仪和矿井灾害预报监测系统软件。专用分析仪可以检测各煤种煤层自然发火气体多组分,其配套的矿井灾害预报监测系统软件根据专用仪器分析的结果可以预测预报火灾、爆炸危险性,指导矿井灾害防治措施的制定与实施。
煤矿灾害气体专用分析仪是基于安捷伦(Agi-lent)的色谱平台,针对煤矿灾害气体组成特点设计了两种专用分析仪。Agilent Micro3000便携式色谱仪多通道配置,防震车载设计,适合救灾现场火灾气体分析。Agilent 6890(或6820)气相色谱仪(GC)配置气路自动阀控系统,热导检测器(TCD)、氢火焰离子化检测器FID)、镍催化炉和毛细柱,可实现煤矿灾害气体时空分配和分时检测,适合煤矿灾害复杂组分的智能化分析。
本文重点讨论用于煤矿实验室用Agilent6890GC灾害气体分析系统。
1 色谱仪气路控制及灾害气体组分分时控制系统
Agilent 6890气相色谱分析系统阀路配置及气路流程如图1所示。
系统配置2个6通阀和1个10通阀,实现气路
图1 Agilent 6890煤矿灾害气体分析专用气相色谱分析阀路配置及气路流程图
切换和常量、微量组分时空分配,操作按预定程序进行,具有简单灵活的特点。专为常、微量分共存的灾害混合气体分析设计,低浓度CO、CO2经镍催炉转化为CH4由FID检测,最小检测浓度<0.5×10-6。当CO、CO2浓度>1%时,通过切换阀1旁路镍催化炉,直接由TCD检测。同样高浓度氧气或其它对镍催化炉的转化效率影响较大的组分,也可通过切换阀1旁路镍催化炉。
2 分析方法描述
气体样品经10通气体进样阀(阀3)由预柱预分离,使O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2,C3H6、C3H8及C4烃类从进样口进入柱1,重于C4的烃类通过切换阀3反吹至出口1。CH4及在柱1上共分离出的组分O2、N2、CO进入柱2后,当C02等组分尚未进入柱2时,切换阀2到“ON”位置(图上为off位置),使O2、N2、CO和CH4隔离在柱2,同时CO2,C2H2,C2H4,C2H6在柱2上分离,由FID检测,其中CO2是通过镍催化炉转化成CH4后被FID检测的。待C2H6出峰后,切换阀2到“OFF”位置(图中位置),使O2、N2、CO和CH4在柱2上分离,O2、N2由TCD检测,CH4和CO(经过镍催化炉转后)由FID检测。当CO出峰后,阀2再次切换到“ON”位置,使C3H6、C3H8及C4旁路柱2由FID检测。
3 色谱分析条件
典型的色谱分析条件列如表1所示。为兼顾高浓度甲烷样品分析需要,系统设计了程序升温
条件,使CH4和CO峰间隔足够大,以保证CO不受CH4峰的影响。
4 结果与讨论
4.1 切阀时间
切阀切换时间是实现灾害气体时空分配和分时分析的关键。通过大量的实验,较完美地确定了各阀启动时间,并形成阀控时间表,无须调节便可自动运行,通过色谱工作站的友好中文界面,可自动实现复杂的分析控制,如图2所示。
图2 Agilent 6890煤矿灾害气体分析专用气相色谱分析阀切换时间图
4.2 煤矿灾害气体分析结果
为了适应煤矿灾害混合气体组分常、微量并存的分析需求,Agilent 6890煤矿灾害气体分析专用气相色谱分析仪的分析效果考察专门配置了煤矿灾害气体最低含量的标准气体,其组分及标准浓度如表2所示。
4.3 重复性考查
Agilent 6890煤矿灾害气体分析专用气相色谱的标志气体分析结果重复性如表3所示,其相对标准偏差(RSD%)均<1.6%。
5 结 论
Agilent 6890煤矿灾害气体分析专用气相色谱分析方案,适合于实验室分析,其配置的阀路控制系统能很好地满足煤矿灾害气体常、微量分析需求,热导检测器(TCD)、氢火焰离子化检测器(FID)、镍催化炉和毛细柱,一次进样自动完成煤矿灾害气体全分析。系统配置灵活,稳定性好,灵敏度高。CO2、CO、C1-C4烃类,最低检测浓度<0.5×10-6。重复性好,相对标准偏差<1.6%,分析周期可以控制在15 min以内。
作者简介:杨宏民(1967-),男,高级工程师,1991年毕业于西安矿业学院采矿系,现在煤炭科学研究总院抚顺分院从事矿井通风与防灭火技术研究工作,兼中国煤炭劳动保护科学技术学会火灾防治专业委员会秘书长,煤炭行业煤矿安全标准化技术委员会火灾防治及设备分会主任委员,发表论文10余篇。
