专利名称：煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应用气相色谱分析技术分析矿井混合气体的分析装置，可实时判别矿井瓦斯爆炸危险性的双柱箱一次进样切换系统。
背景技术：
煤矿井下气体的检测是矿井安全监测工作的重要部分。应用气相色谱分析技术对于矿井大气与火灾气体的检测和对于井下因各种原因形成的可爆混合气体危险性的判别是安全监察工作至关重要的内容。为此，在日常监测和矿山救援工作中，必须实时检测和判别混合气体的爆炸危险性。应用气相色谱分析技术分析混合气体中永久性气体及低分子量烃类等气态混合物，一般是应用气—固色谱分析方法。至今，比较普遍应用的矿井气体测报系统的各种检测仪表在使用中仍然具有一定的局限性。七十年代始，我国应用气相色谱分析技术对矿井中混合气体的分析方法与煤矿专用气相色谱仪进行开发与应用，在“七五”和“八五”期间进一步地开展了气相色谱法分析矿井自然发火标志气体指标等的专项研究，并研制、生产了仅有的煤矿专用气相色谱仪。为实现实时监控矿井火灾、判别瓦斯爆炸危险程度等提供了可信赖的分析方法和装备，为煤矿安全管理体系提供了科学实用的技术装备保障。
目前生产的煤矿专用气相色谱仪，其开发研制主要实现了“八五”要求的早期预测预报矿井自然发火攻关目标。以实现对矿井火灾气体组分，特别是微量气体组分的分析为主，而对于高浓度常量气体组分的分析只设置一根色谱柱，难以实现对高浓度多组分瓦斯爆炸气体的全分析。
由于矿井空气，特别是具有灾难性混合气体存在时，其混合气体组分不仅具有高浓度的常规爆炸性气体等，而且在短时间内由于煤层自然发火、煤尘燃烧产生的爆炸性气体(如氢气)和烃类(如烯烃、炔烃)等浓度的增大，使得在一根色谱柱中按常规的分析方法，特别是在原设计的气路条件下，难以进行矿井空气中多种混合气体组分的分析，更无法在短时间内分析瓦斯爆炸相关气体组分，判别矿井瓦斯爆炸危险程度，难以实现实时监控、完善安全管理监测体系。
因此，在一台仪器上、在尽短时间内进行矿井多组分气体的全分析，保证矿井安全生产、防止瓦斯爆炸等灾害的发生，是矿井安全管理体系中亟待解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于改进现有技术中的不足，提供一种可以在一台气相色谱仪中实时完成煤层自然发火、瓦斯爆炸相关气体全组分分析的一煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统。
本实用新型提供的煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统包括热导检测系统，其中包括热导检测器，在其前面设置了包括前、后多通道切换阀组成的气路切换系统和充色谱柱串联系统；构成气路切换系统的所述前多通道切换阀上包括一个样品气入口、样品气放空出口、一个载气入口和一个气体出口，前多通道切换阀的气路中连接一个样品定量管，阀的气路连接取样和进样位置即所述的样品气入口、样品气放空出口、载气入口和气体出口相互切换，使得样品定量管连接样品气入口和样品气放空出口放空或直接连接载气入口和气体出口，使得样品气随载气进入后续的分析单元；所述前多通阀切换阀的几个所述进出口与所述样品定量管的相对位置关系为切换前后形成取样和进样两个气路所述取样气路为样品气进口连接样品定量管，再连接放空口，所述进样气路为载气进口连接样品定量管，再连接气体出口，所述气体出口连接所述填充色谱柱的进气口；所述前多通道切换阀进行切换，使得样品直接随载气进入系统的分析单元或放空；后续的所述分析单元包括构成气路切换系统的所述后多通道切换阀，其上有一个进气口和一个出气口，所述进气口连接所述前多通道切换阀上的所述气体出口，其中设有两个可相互切换的通道，其中一个通道中连接分子筛柱，经切换后形成的两个状态为，一个状态下所述分子筛柱与所述填充色谱柱连接，另一个状态下，后多通道切换阀的进气口和出气口通过通道直接联通；所述出气口通过气路与所述热导检测器连通；经切换，所述分子筛柱或者与所述填充色谱柱串联连接或者不与所述填充色谱柱连接。
在上述的气路切换系统中连接有相应的气阻，便于调节、控制分析气路系统的压力平衡。
所述前、后多通道切换阀分别选定为一个十二通拉杆阀和一个平面六通阀，所述前多通道切换阀还可以选定为一个十通阀。
所述填充色谱柱为混合填充色谱柱(Porpok柱)。
在所述前多通道切换阀上还可以设置一个填充色谱柱，成为预柱，对应地，在所述前多通道切换阀上另设有一个预柱载气入口和气体放空口，该载气入口和气体出口的与所述预柱和所述样品定量管的关系是当阀的气路切换为取样状态时，所述预柱的正端口连接该气体放空口，其负端口连接该预柱载气入口，处于预柱反吹状态；当阀的气路切换为进样状态时，所述预柱的正端口连接与所述样品定量管连通，其负端口连接所述气体出口，处于预柱分离样品气体状态。预柱的作用是起到对样品中的多余组分的反吹功能。
本实用新型提供一种煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统，其中包括前、后多通道切换阀和填充色谱柱及混合填充色谱柱的串联气路系统。前多通道切换阀上设有样品气入口、载气入口和气体出口，其气路中连接样品定量管，阀的气路连接取样和进样位置相互切换。样品直接随载气进入系统的分析单元或放空。后多通道切换阀上有进气口和出气口，其中设有两个可相互切换的通道，其中一个通道直接连接分子筛柱，经切换后与混合填充色谱柱连接；在上述的气路切换系统中连接有相应的气阻。本系统实现了在一台气相色谱仪中，完成矿井火灾标志气体、瓦斯爆炸相关气体全组分的分析、为预测矿井火灾和快速判别矿井混合气体瓦斯爆炸危险程度提供保障。
本实用新型提供的煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统以一次进样、单柱，即分子筛柱和混合填充色谱柱加切换阀串连的结构，借助与之配合的自动控制切换阀系统及判别瓦斯爆炸危险程度专用软件，通过改变原气路中主柱和预柱的作用，解决了在原系统中难以分析瓦斯爆炸相关气体全组分的检测，同时使整个系统分析时间控制在8～10分钟内。
图1a-图1c为本实用新型提供的煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统气路系统一个循环中的三个状态的连接结构示意图；图2为通过本系统进行煤矿气体分析的色谱图；图3a-图3c为将图1所示的系统中的十二通阀用十通阀替代后的本双柱箱一次进样切换系统气路系统地联结结构示意图。
具体实施方式
如图1a-图1c所示为本煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统的气路连接结构示意图。其中包括前多通道切换阀105、后多通道切换阀106及混合填充色谱柱107(Porpok柱)。在前多通道切换阀105上还连接有一个填充色谱柱(下称预柱)109，
前多通道切换阀105上设有一个样品气进口A、预柱载气进口B1、主柱载气进口B2、一个样品放空出口C、一个载气出口D和反吹气排出口D1；该前多通道切换阀105为一个十二通阀，其气路中连接一个样品定量管102，前多通阀切换阀105的几个进出口与样品定量管的相对位置关系为切换前后形成取样和进样两个气路状态一个气路是所述取样气路状态，其为样品气进口A连接样品定量管102，再连接放空口C；同时，主柱载气进口B1连接载气出口D而连接混合填充色谱柱107，另有一个预柱载气进口连接在十二通阀上的预柱109，再连接一个反吹气出口D1。在此取样状态下，定量管102中充满样品气，主柱载气通过十二通阀的另一个通路进入混合填充色谱柱107，预柱载气对十二通阀中连接的一个预柱109进行反吹，反吹气从反吹气出口D1排出。另一个气路是进样气路，其为预柱载气进口B连接样品定量管，然后连接预柱109，再连接载气出口D，载气出口D连接混合填充色谱柱107的进气口；前多通道切换阀进行切换，气路连接取样和进样位置相互切换。使得样品直接随载气进入系统的分析单元或放空；后多通道切换阀106，其是一个平面六通阀，其上有一个进气口和一个出气口，其中设有两个可相互切换的通道，其中一个通道中直接连接分子筛柱104，经切换，分子筛柱104或者后与混合填充色谱柱107串联连接或者与气阻串联。后多通道切换阀106的出气口连接导热检测器108(TCD)。
在上述的气路切换系统中连接有相应的气阻103，在此实施例中气阻103连接在后多通道切换阀106的一个没有联接分子筛柱的通道中，六通阀便于调节、控制分析气路系统的压力平衡。
如图1a-图1c示出了本切换系统在一个工作循环中的三个状态下的通路情况具体的，在十二通阀中可以引入两路载气和预柱，是为了起到反吹作用。
如图1a中，十二通阀105为取样状态I。样品气通过十二通阀105上的3位，到9位，再经过定量管102和10位，从7位排出放空，而第一路载气，即经过预柱I109的载气先进入十二通阀上的4位，到11位，经过预柱I109→再到2位，从8位放空，第二路载气，即经过主柱I107的载气，先进入十二通阀上的12位、5位到主柱I107，再通过六通阀上的①位、②位、分子筛柱104，经过③位、④位排出六通阀106到TCD检测器108，此状态下为主柱I107与分子筛柱104串联状态，此时定量管取样，载气通过两个串联的柱子。如图1b中，十二通阀105为进样状态II，样品气通过十二通阀105上的3位、7位直接放空，此状态下为主柱I107与分子筛柱104串联状态，样品气依次进入预柱I、主柱I107和分子筛柱104，样品气由载气经过十二通阀4位、10位，通过定量管102，再经过9位、2位、预柱I109、11位、5位，出十二通阀，经过主柱I107，再经过平面六通阀上的①位、②位、分子筛柱104、③位、④位到TCD检测器108，并开始分离，一定时间后，切换六通阀到下一状态3，见下。
如图1c中，状态3十二通阀105不变，六通阀为主柱I107与气阻103串联，此时第一路载气经十二通阀105上的④位、⑩位、定量管102、⑨位、②位、预柱I109、11位、5位出十二通阀，经过主柱I107，再经过平面六通阀上的①→⑥→气阻103→⑤→④位到TCD检测器108，第二路载气放空。再次切换十二通阀和六通阀，回到状态1，完成一个循环。
所述前多通道切换阀还可以选定为一个十通阀。
如图3a所示为状态1十通阀205为取样状态，样品气通过十通阀的ii位到i位，再通过定量管102、iv位、iii位放空，第一路载气即经过预柱I109的载气先进入x位，再通过ix位、预柱109、x位、vi位放空，第二路载气，即经过主柱I107的载气，先进入十通阀205的vii位、viii位，再通过主柱107，进入六通阀106的⑤位、④位、分子筛柱104、③位、②位，出六通阀，进入TCD检测器108，六通阀106中的分子筛柱104与主柱即混合填充色谱柱107串联状态，此时定量管102取样，第二路载气通过两个串联的柱子。
如图3b所示为状态2十通阀为进样状态，样品气通过十通阀205的ii位到iii位直接放空，六通阀106中的分子筛柱104与主柱即混合填充色谱柱107为串联状态，样品气由载气I推载样品气通过十通阀205中的x位、i位、定量管102、iv位、x位、预柱109、ix位、viii位排出十通阀，再通过主柱107，进入六通阀⑤位、④位、分子筛柱104③位、②位，出六通阀，进入TCD检测器108，并开始分离，一定时间后，切换六通阀到下一状态3，见下。
如图3b所示为状态3十通阀不变，六通阀106中的气阻103与主柱即混合填充色谱柱107串联，此时第一路载气I推载样品气通过十通阀205中的x位、i位、定量管102、iv位、x位、预柱109、ix位、viii位排出十通阀，再通过主柱107，进入六通阀⑤位、⑥位、气阻103、①位、②位出六通阀，出六通阀，进入TCD检测器108，第二路载气II放空。再次切换十通阀和六通阀，回到状态1，完成一个循环。
所采用的技术方案是在“GC-4085型矿井火灾多参数色谱检测系统”的主机系统中，将热导检测器(TCD)的气路系统加以改变形成的。以一次进样、单柱和混合填充色谱柱加切换阀串连的方式、自动控制切换阀改变原气路中主柱和预柱的作用，实现了在8～10分钟内完成分析瓦斯爆炸相关气体全组分和判别瓦斯爆炸危险程度的目的。
图2是在建立的气路、控制阀件切换系统中，对于瓦斯爆炸相关九种气体组分的分析谱图。在此系统中由一次进样，八分钟内不仅解决了混合气体中氧、氮和高浓度一氧化碳、二氧化碳的分离问题，同时使得氢气和其它爆炸性气体，特别是烯烃和炔烃的分离效果均很好。为实时判别瓦斯爆炸危险程度提供了切实可行的保证。所示谱图即是利用本实用新型提供的切换系统对于一个具体的煤矿气体样品进行分析的结果，其中各个谱峰所代表的气体组分名称和含量(％)如下①H2 0.98；②CO2 1.49；③C2H4 1.97；④C2H6 2.33；⑤C2H2 2.88；⑥O2 3.73；⑦N2 4.33；⑧CH4 5.67；⑨CO 7.83。
上述分析结果，应用相应的“爆炸三角形法”判别软件直接对分析结果自动、实时进行瓦斯爆炸危险程度的判别，即可达到快速判别矿井混合气体爆炸危险程度的预期目的。
权利要求1.一种煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统，其特征在于包括热导检测系统，其中包括热导检测器，在其前面设置了包括前、后多通道切换阀组成的气路切换系统和填充色谱柱串联系统；构成气路切换系统的所述前多通道切换阀上包括一个样品气入口、样品气放空出口、一个载气入口和一个气体出口，前多通道切换阀的气路中连接一个样品定量管，阀的气路连接取样和进样位置即所述的样品气入口、样品气放空出口、载气入口和气体出口相互切换，使得样品定量管连接样品气入口和样品气放空出口放空或直接连接载气入口和气体出口，使得样品气随载气进入后续的分析单元；所述气体出口连接所述填充色谱柱的进气口，所述填充色谱柱的出气口连接后续的所述分析单元的进气口；后续的所述分析单元包括构成气路切换系统的所述后多通道切换阀，其上有一个进气口和一个出气口，所述进气口连接所述填充色谱柱的出气口，其中设有两个可相互切换的通道，其中一个通道中连接分子筛柱，经切换后形成的两个状态一个状态下所述分子筛柱与所述填充色谱柱连接，另一个状态下，后多通道切换阀的进气口和出气口通过通道直接联通；所述出气口通过气路与所述热导检测器连通；在上述的气路切换系统中连接有便于调节、控制分析气路系统的压力平衡的气阻。
2.根据权利要求1所述的煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统，其特征在于所述前多通道切换阀是一个十二通拉杆阀或十通阀。
3.根据权利要求1所述的煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统，其特征在于所述后多通阀是一个六通阀，其气体进口通过一个切换部件切换分别连通所述的两个通道，该两个通道均与所述气体出口相连通。
4.根据权利要求3所述的煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统，其特征在于在所述后多通道切换阀上未设置分子筛柱的气路上设有使该气路与所述填充色谱柱之间气路上的气体压力平衡的所述气阻装置。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统，其特征在于所述填充色谱柱为混合填充色谱柱。
6.根据权利要求1所述的煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统，其特征在于在所述前多通道切换阀上还设置一个填充色谱柱，成为预柱，对应地，在所述前多通道切换阀上另设有一个预柱载气入口和一个气体放空口，该载气入口和气体放空口的与所述预柱和所述样品定量管经所述切换后形成两个状态所述预柱的正端口连接该气体放空口，其负端口连接该预柱载气入口；所述预柱的正端口连接与所述样品定量管连通，其负端口连接所述气体出口。
专利摘要本实用新型装置提供一种煤矿气体全组分分析双柱箱一次进样切换系统，其中包括前、后多通道切换阀和填充色谱柱及混合填充色谱柱的串联气路系统。前多通道切换阀上设有样品气入口、载气入口和气体出口，其气路中连接样品定量管，阀的气路连接取样和进样位置相互切换。样品直接随载气进入系统的分析单元或放空。后多通道切换阀上有进气口和出气口，其中设有两个可相互切换的通道，其中一个通道直接连接分子筛柱，经切换后与混合填充色谱柱连接；在上述的气路切换系统中连接有相应的气阻。本系统实现了在一台气相色谱仪中，完成矿井火灾标志气体、瓦斯爆炸相关气体全组分的分析、为预测矿井火灾和快速判别矿井混合气体瓦斯爆炸危险程度提供保障。
文档编号G01N30/16GK2919249SQ200620012498
公开日2007年7月4日 申请日期2006年4月18日 优先权日2006年4月18日
发明者李选培, 钱国胤 申请人:北京东西分析仪器有限公司