瓦斯样品中气体成分分析

夏峰，赵兰芳,聂全新

(1安徽省地质实验研究所 ， 安徽合肥 230001；2 内蒙古乾坤金银精炼股份有限公司 ， 内蒙古呼和浩特 010011 3 安徽省地质测绘技术院， 安徽合肥 230001）

0 引言

煤层气俗称“瓦斯”，其主要成份为高纯度甲烷，是近二十年在世界上崛起的新型能源，其资源总量与常规天然气相当。煤炭开采中排出的大量煤层气作为一种新型能源，具有独特的优势，是优化一次能源结构的重要组成部分，是优质的能源和基础化工原料。同时由于煤层气作为一种有害的危险气体，排放到大气中具有很强的温室效应，既破坏大气层、污染环境，又因其易燃易爆性严重危及着广大煤矿职工的生命财产安全。而瓦斯的浓度以及煤层气成分的分析，在煤炭开采中具有相当重要的作用。煤层气含量是煤层气开发的重要参数。煤和煤层气地质勘探需要在取到钻孔煤心后的很短时间内获得气体含量测值,为了适应经济的发展，基于自然解吸法原理和方法,以自然解吸法的测定结果为基准,在保证解吸量、气体组成及其含量基本不变的前提下，结合实际情况，开发研制出瓦斯样品中气体成分的分析方法，此方法用于大批量实际样品的测定，结果满意。可以满足煤和煤层气勘探的需要。

图1 真空脱气装置Fig.1 Structure of vacuum degasser

1 实验部分

1.1 仪器设备

真空脱气装置：滤尘管 集水瓶 冷却管 水银U形管 隔水瓶 吸水管 排水瓶 吸气瓶 真空瓶 大量管（900ml两支）小量管（300ml一支）水准瓶 干燥塔 分隔球 如图1。

球磨罐∶1000 ml，0.2MPa压力下保持气密性。

球磨机∶XMB-07.252r/min。

真空泵∶XZ-0.5型旋片式，极限真空6.7Pa。

温度计: -30～40℃。

气压表: 80～106kPa分度值0.1kPa。

电子秤: 1000g，感量 1g。

GC4008气相色谱仪:主机,双氢焰,热导,转化炉,八程序升温,四气路,四套自动进样器。

四根专用色谱柱∶①单氢火焰采用GDX-502作为固定相，柱长3m最大流速30ml/min，可以测定微量CH4,C2H4C2H2,C2H6,C3H8等;②转化氢火焰用TDX-01作为固定相，柱长0.7m最大流速25ml/min，可以测定微量和常量CH4,COCO2;③热导A柱用TDX-01作为固定相，柱长0.6m最大流速25ml/min，可以测定常量和高含量CH4,CO，CO2;④热导A柱用5A分筛作为固定相，柱长2m。

数据处理系统: 计算机、A5000气相色谱工作站数据处理软件。

1.2 分析步骤

将从野外装入解吸罐中的煤芯样,用真空脱气装置脱气。包括粉碎前脱气和粉碎后脱气。

1.2.1 粉碎前脱气

在室温下脱出解吸罐中煤样所析出气体。首先使真空脱气装置成真空状态。将穿刺针头插入密封罐上口内。缓慢打开螺旋夹，使罐内气体慢慢进入真空脱气装置，直到水银U型管液面不动为止。放置30min，再进行抽气，每30min抽气一次，直到抽出的气体量小于10ml为止。并记录体积、大气压、气压表温度、室温。

在加热状态下(95～100℃)脱出解吸罐中煤样所析出气体,并记录体积、大气压、气压表温度、室温。

1.2.2 粉碎后脱气

取出解吸罐中煤样,先进行称量并纪录，再将煤样捣碎至25mm以下颗粒,装入球磨罐中,拧紧使其保持气密性(在300～400kPa下没有漏气现象),然后使用球磨机粉碎煤样,达到粒度小于200目的质量占煤样质量百分之八十以上，粉碎过程至少要6h。把装有粉碎后煤样的球磨罐,再利用真空脱气装置进行加热(95～100℃)脱气,并记录体积、大气压,、气压表温度、室温。

1.2.3 气体组分浓度测定

将每次脱出气体分别使用GC4008B气相色谱仪进行各组份浓度测定并记录。用单氢火焰测定CH4C2H4C2H6C3H8等。用转化氢火焰测定CO CO2CH4等。用热导测定O2。

将球磨罐中煤样取出后,再测定水分(Mad)、灰分(Aad) ,得到干燥无灰基质量 (Gdaf) 。最终报告结果为每克煤样中某种气体成分含量(ml/g) 。

表1 标准气体测定结果 (%)Table 1 Measurement result of standard gas(%)

1.3 煤样中气体成分含量的计算

1.3.1 气体体积的换算

将解吸气体、损失气体和脱出气体的体积换算成标准状态下的体积。含有空气解吸，损失气体或脱出气体的体积按下式换算为无空气煤层气的体积：

式中:V0—扣除空气后解吸气体的体积ml；损失气体或脱出气体换算为标准状态下的的体积ml；C0—标准状态下氧的浓度%。

1.3.2 煤样中各种成分体积的计算

解吸气体，脱出气体中各种成分的体积按下式计算：

式中：V′0i=解吸气体，损失气体或脱出气体中某种成分换算到标准状态下的体积ml

1.3.3 煤样中气体各成分含量的计算

按下式换算成干燥无灰基煤样质量：

式中：Gdaf——干燥无灰基煤样质量g；G——煤产质量g；Mad——煤样空气干燥基水分%；

Aad——煤样空气干燥基灰分%

1.3.4 煤样中气体各成分含量的计算

煤样解吸气体，损失气体或脱出气体中各成分的含量按下式计算：

式中Xi——每克煤样解吸气体、损失气体或脱出气体中某种成分的含量ml/g

1.3.5 煤样中气体成分含量的计算

式中X—每克煤样中某种气体成分的总含量ml/g

1.3.6 煤样中可燃气体总含量的计算

按式4分别计算出每克煤样解吸气体、损失气体或脱出气体中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、重烃、氢和一氧化碳等可燃气体的含量，然后再按式5计算得出可燃气体的总含量。

2 标准气体的测定

为了检验本法的准确度，选择国家标准物质研究中心研制的样品编号为254005的标准气体，平行取4份，使用与样品相同的条件，在GC4008B气相色谱仪上按样品分析步骤分别制备成溶液进行各组份浓度测定，结果如表1。测定结果表明各组分的分析结果与推荐值基本相符，测定精密度均在10%以内。用本法测定的结果是可靠的。

3 结语

煤层瓦斯的气体成分比较复杂,浓度变化大,特别是乙烷以后的烷烃和一氧化碳成分对测定条件的要求尤为突出。本文研究了利用气相色谱法分析煤层瓦斯中气体成分的的各项条件, 选择合适的气相色谱柱柱温、吸附剂、进样量、载气流速等条件,优化气相色谱仪的分离效果, 对煤层气含量测试技术提出了新的认识，目的是确定样品分析的最佳仪器参数,建立利用常规气相色谱检测煤层瓦斯中气体成分的气相色谱分析方法。此外,本文还对煤层气体样品中的各自赋存规律及相互关系进行了初步研究.实验结果表明,在适当的色谱柱、载气流速、检测器等仪器工作条件下,利用气相色谱可以高效、经济、准确的检测煤层瓦斯中的气体成分。针对不同样品,合适的采样方法和进样条件对分析结果具有重要的影响。经过系统采样和分析,结果证实煤层瓦斯中气体成分的相互关系存在一定规律，气体成分浓度与煤的变质程度、煤含水量等相关。本论文结果为下一步工作的开展确定了方向, 从理论上完善了煤层气含量的测定和计算方法,也为进一步开发利用煤层气发挥了较为重要的作用。 同时按该方法分析野外样品上千件，准确、快速的完成了煤分析任务。

[1]GB/T 13610-2003 天然气的组成分析气相色谱法[S].北京：中国标准出版社.

[2]MT/T 77-94 煤层气测定方法（解吸法）[S].北京：中国标准出版社.

[3]GB/T 19559-2004 煤层气含量测定方法[S].北京： 中国标准出版社.