气相色谱仪在煤矿的应用

2023-01-31

1 矿井空气中需要检测的各组分 (O2、CO2、CH4、CO、C2H2、C2H4、C2H6)

1.1 氧气

O2是维持人体生命所必需的物质, 人体呼吸所需氧气量取决于空气中的氧气浓度。为了保证煤矿工人的身体健康, 提供适宜的生产环境与条件, 提高工作效率, 必须对井下工作地点的氧气含量进行监测, 要求不得低于20%。

1.2 二氧化碳

CO2主要来源是有机物和煤的氧化、煤岩层中溢出、爆破作业以及人的呼吸等。CO2对人的眼、鼻、口等器官有刺激作用。当CO2浓度达到3%时, 会刺激人的中枢神经系统, 引起呼吸加快, 增大吸氧量;浓度达到5%时, 人体会出现耳鸣、憋气、呼吸困难;浓度过大时, 会使氧浓度降低引起缺氧而窒息死亡。因此, 规定在采掘、工作面风流中CO2浓度不得超过1.5%。

1.3 瓦斯

CH4是一种具有燃爆性质的气体。处于游离状态和结合状态存在于煤层中。CH4在燃烧时生成二氧化碳和水:

如果在氧气不足时燃烧反应生成有毒的一氧化碳和氢气

因此规定当采掘、工作面及其他巷道内出现瓦斯浓度达到2%、体积超过0.5m3时, 为局部瓦斯聚集, 附近20m内必须停止工作、撤除人员、切断电源进行处理。

一氧化碳:CO是一种有毒气体, 对人体的危害极大。CO与人体血液中红血球的结合能力比氧大250~300倍, 不但阻止红血球吸氧, 而且还能挤掉氧, 造成人体细胞组织缺氧现象, 引起中枢系统损坏。矿井褐煤在常温下, 其表面也会不断的氧化而生成CO。采空区浮煤氧化、爆破等都能生成CO。因此规定工作面CO浓度必须在0.02%以下人员可以进入。矿井空气中CO浓度不得超过0.0024%。

烷烃和烯烃C2H2、C2H4、C2H6是可燃性气体。由煤层自燃产生的, 可以作为预防煤层自燃的早期预防指标。规定C2H6不得超过3.22%、C2H2、C2H4不得超过2.75%。

2 色谱法

就是利用不同物质在不同两相中具有不同的分配系数, 当两相作相对运动时, 这些物质在两相中的分配反复进行多次, 这样使得那些分配系数只有微小差异的组分产生很大的分离效果, 从而使不同的组分得到分离。

气相色谱法就是由载气作为流动相, 样品由定量管送入仪器后由额定流速载气将其带入额定温度的固定相的色谱柱检定器, 使样品分子在载气和固定相之间进行分配。样品中各组分的物理、化学性质有所不同, 所以各自在两相间分配比也不同, 于是各组分在色谱柱内运动速度就有差异, 当经过一段距离之后, 各组分通过反复多次的分配, 彼此之间就拉开距离, 按先后顺序从色谱柱流出, 有相应的检定器得到各组分的信号, 在记录仪中显示出不同组分的色谱图, 最后用归一法计算出各组分的百分含量。

气相色谱仪就是以气相色谱法为基础而设计的仪器。气相色谱仪一般由高压钢瓶作为载气气源, 送入仪器的载气调到要求的流速, 色谱柱及检定器调到操作温度, 样品进入仪器后载气传送到色柱柱内进行分离。分离后的组分由柱流出到检定器, 产生了相应的电信号在记录仪上显示出不同组分的色谱图。利用各组分在图上的保留时间来定性测量, 再用外标法计算出色谱图中显示的峰面积或峰高;对照标准样测出百分含量。

3 煤矿专用气相色谱仪主要有气源、进样部分、色谱柱、柱温箱、检测器和数据处理系统组成

3.1 气源

一般指把额定量的载气样品送到色谱柱和检测器中。

3.2 进样部分

把样品气体送入色谱柱的元件, 一般使用六通阀。

3.3 色谱柱

把混合物分离成单一组分, 一般采用填充固定相, 用不锈钢细管或铜管制成。根据填充固定相的不同分离物质也不同。在检测矿井空气的CO、CO2、CH4时, 固定相为TDX-01 (碳化聚氯乙烯) 。在检测矿井空气中的烃类CH4、C2H4、C2H6、C2H2时, 固定相为GDX-502 (二乙烯苯、含氮极性单体共聚) 。

3.4 柱温箱

是为了保持色谱柱和检测器在工作温度内。采用空气恒温方式。

3.5 检测器

一般配有热导检测器T C D、氢火焰离子化检测器FID、转化炉。

(1) 热导检测器TCD检测O2、N2的含量:当载气中混有被测样品气体, 由于热到系数不同, 破坏了原有热平衡状态, 使热丝温度发生变化, 随之电阻也就改变, 电阻值的变化可以通过惠斯登电桥测量出来, 所得电信号的大小与组分在载气中浓度成正比, 经放大后, 记录下来作为定性定量的依据 (色谱图) 。

(2) 氢火焰离子化检测器FID检测矿井空气中CO、CO2、CH4:气样中低浓度CO、CO2分离后经过镍触媒进行甲烷化处理, 再用FID检测获得最高灵敏度。

使用色谱柱为充填柱, 柱子的长度和内径对被检测组分的分离有直接影响。以氢气作载气使用TDX—01 (碳化聚氯乙烯) 作固定相分析CO、CH4、CO2。短柱可提高柱效, 1米短柱效果最佳, 可使空气峰和CO峰得到最佳分离效果。F I D载气使用N2:40mL/min、柱温80℃。当转化炉360℃、检测品温度150℃、汽化温度150℃、衰减1、色谱柱GDX—502 (二乙烯苯, 含氮极性单体共聚) 可得到烃类组分CH4、C2H4、C2H6、C2H2的色谱图。