任务三 煤气质量分析
任务要求
1. 了解人工煤气的组成。
2. 熟悉常用气体分析仪——奥氏气体分析仪的组成。
3. 会组装奥氏气体分析仪。
4.能熟练操作奥氏气体分析仪分析煤气中各组分的含量。
气体的化学分析法所使用的仪器，通常是奥氏气体分析仪。其他如苏式BTH型气体分析仪，则主要用于精密的气体全分析或校对自动气体分析仪表。仪器的型号不同，其结构或形状也不同，但是基本原理却是一致的。
一、奥氏气体分析仪的组成
图3-9为常见的QF-100型奥氏气体分析仪的结构示意图，其基本部件简述如下。
图3-9 QF-100型奥氏气体分析仪结构示意图
1—量气管；2—恒温水套管；3—水准瓶；4—梳形管；5—三通旋塞；6～12—旋塞；13—取样器；14—气体导入管；15—感应圈；16—蓄电池；Ⅰ～Ⅴ—吸收瓶；Ⅵ—爆炸瓶
1.量气管
量气管是量取一定量气体体积的装置，关于量气管的介绍见任务一（气体体积的测量部分）。
2.梳形管
图3-10为梳形管的示意图，它是将量气管和吸收瓶及燃烧瓶连接起来的装置，根据不同的需要使用普通旋塞或三通旋塞，通过旋塞旋转来改变气体流动的方向。
图3-10 梳形管
3.水准瓶
水准瓶是帮助气体引入与排出的装置，里面装有合适的封闭液，与量气管连接构成连通器，借助水准瓶的提高或降低向量气管中排出或引入气体。
4.吸收瓶
吸收瓶是供气体进行吸收作用的部件。吸收瓶有多种形状（图3-11），但都由作用部分及承受部分组成，每部分的体积都大于量气管的体积，约为120～150mL。作用部分与承受部分可并列排列、底部连通或上下排列。也有作用部分插于承受部分之内的。作用部分通过旋塞梳形管和量气管相连，承受部分通大气。使用时，首先利用水准瓶及量气管将吸收瓶内的吸收剂吸至作用部分的顶端。当待吸收的气体由量气管进入吸收瓶时，则吸收剂由作用部分进入承受部分。当量气管吸回气体时，吸收剂又由承受部分流入作用部分。为了增大气体和吸收剂的接触面以提高吸收效率，作用部分中装有许多支直立的玻璃管为接触式吸收瓶；如使用一支几乎插至瓶底的气泡喷管，气体经过喷头被分散为小气泡，流过吸收剂上升至作用部分上部的为气泡式吸收瓶。前者适用于黏滞性吸收剂，后者则适用于非黏滞性吸收剂。
图3-11 吸收瓶
5.燃烧管
燃烧管是供气体进行燃烧反应的部件，因为燃烧的方法不同，燃烧管也各异。
（1）爆炸燃烧管（又称爆炸瓶） 爆炸瓶通常是两支并列、底部连通、厚壁优质的玻璃管［图3-12（a）］，包括作用部分及承受部分，也有其他形状的。作用部分的上部接近顶端处，相向熔封有两支长约20mm、直径1mm、间隙约1mm的铂丝作为电极。铂丝的外端接电源，经过感应圈，通入超过10000V的高压电流，使铂丝电极间隙处产生火花，引起可燃性气体爆炸燃烧。作用部分的顶端为带旋塞的毛细管，用橡胶管和梳形管及量气管相连，承受部分通大气。
（2）缓慢燃烧管（或缓燃管） 通常为上下排列的两支优质玻璃管［图3-12（b）］，上部为作用部分，下部为承受部分。由承受部分底部直至作用部分上部，贯穿一支玻璃管。玻璃管的上端口外熔封有一段螺旋状铂丝，管内为铜丝导线，通过变压器及滑动电阻接通电源。通入6V的低压电流，使铂丝炽热，将可燃性气体缓慢燃烧。
图3-12 燃烧管
1—作用部分；2—承受部分；3—铂丝；4—铜丝；5—玻璃管；6—水套管
（3）氧化铜燃烧管 通常为U形石英管［图3-12（c）］。低温燃烧时，也可以用石英玻璃管。管的中部长约10cm、直径约6mm，填有棒状或粒状氧化铜。燃烧管用电炉加热，可燃性气体在管内往复通过，缓慢氧化燃烧。
二、奥氏气体分析仪测定人工煤气中各组分含量
由煤、焦炭等固体燃料或重油等液体燃料经干馏、汽化或裂解等过程所制得的气体，统称为人工煤气。按照生产方法，一般可分为干馏煤气和汽化煤气（发生炉煤气、水煤气、半水煤气等）。人工煤气的主要成分为烷烃、烯烃、芳烃、一氧化碳和氢气等可燃气体，并含有少量的二氧化碳和氮等不可燃气体。人工煤气中半水煤气是合成氨的原料，它是由焦炭、水蒸气和空气等制成的。它的全分析项目有CO2、O2、CO、CH4、H2、N2等，可以利用化学分析法测定，也可利用气相色谱法分析。当用化学分析法时，CO2、O2、CO可用吸收法来测定，CH4和H2可用燃烧法来测定，剩余气体为N2。它们的含量一般为：CO2，7%～11%；O2，0.5%；CO，26%～32%；H2，38%～42%；CH4，1%；N2，18%～22%。测定半水煤气各成分的含量，可作为合成氨造气工段调节水蒸气和空气比例的根据。
1.仪器安装
将洗涤清洁并干燥的气体分析仪部件按一定的次序连接安装。所有的旋塞都必须涂抹润滑剂，使其不漏气但是又必须能灵活转动，旋塞孔道中不得落入润滑剂。
将吸收剂及封闭液分别注入吸收瓶、量气管及燃烧管中。对于煤气或半水煤气的分析，吸收瓶Ⅰ中注入KOH溶液、瓶Ⅱ中注入硫酸银的硫酸溶液、瓶Ⅲ中注入焦性没食子酸的碱性溶液、瓶Ⅳ及瓶Ⅴ中注入氯化亚铜的氨性溶液（见图3-9）。吸收剂的注入量，应稍大于吸收瓶总容积的1/2。向吸收瓶的承受部分中注入5～8mL液体石蜡，以隔绝空气。在水准瓶中注入封闭液。
2.气密性检查
配合使用水准瓶和梳形管中各旋塞，使吸收瓶、量气管、爆炸管中的吸收液和封闭液上升至顶端，关闭各旋塞，将水准瓶置于仪器底板上。如果这时量气管内的液面只是稍微下降后即不再移动；爆炸管及各吸收瓶内液面也不下降，表明仪器不漏气。反之，如果液面不断下降，表明仪器漏气，应仔细检查。在仪器完好的情况下，一般漏气往往是由于旋塞或橡胶管连接处不够严密所致。查明后，重新涂抹润滑剂或重新连接即可。
3.测定
（1）取样 利用水准瓶与量气管的配合操作，先用待分析样品置换量气管中气体2～3次，每次体积20mL左右，然后在量气管中量入100mL的待测气体，准确读取体积（V0）。
（2）测定 此部分可配合前文图3-9奥氏气体分析仪的结构示意图进行理解。
① 吸收法测定。将量气管中气体首先引入KOH吸收瓶中吸收CO2。打开KOH吸收瓶的旋塞使之与量气管相通，提高水准瓶直至量气管内液面升至顶端标线，再降低水准瓶将气体吸回量气管，如此反复排出、吸回3～4次。最后一次，当吸收瓶内吸收剂液面升至顶端标线时，关闭旋塞。将水准瓶和量气管并列，上下移动2～3次后，使液面在同一水平。等待1min，读取量气管刻度（反复吸收3～4次，一般都能吸收完全。但是，有时为了检查是否吸收完全，可以再旋开旋塞，排气体入吸收瓶作一次检查性吸收。如果两次体积读数之差小于0.1mL，则认为吸收完全）。按上述同样的操作，依次吸收不饱和烃、O2、CO。吸收CO后，应将气体送入硫酸银的硫酸溶液吸收瓶中，反复2～3次除去氨气后，再读取量气管读数（V5）。
② 燃烧法测定。旋开旋塞9，缓缓提高水准瓶，排气体入吸收瓶Ⅱ中贮存，至量气管中准确残留气体恰为25.0mL或其他合适体积时，关闭旋塞9。转动旋塞5，使量气管通大气，小心缓缓降低水准瓶，准确吸入干燥并除去二氧化碳的空气75.0mL（总体积恰为100mL）。转动旋塞5，使量气管接梳形管。旋开旋塞7，提高水准瓶，排混合气体入爆炸瓶至量气管内液面升至顶端标线，关闭并用手指按紧旋塞7。摁动点火器开关，则铂丝间隙产生火花，混合气体爆炸燃烧。燃烧后旋开旋塞7，降低水准瓶将爆炸燃烧后的气体吸回量气管至爆炸瓶内封闭液面升至顶端标线，关闭旋塞7，测量气体体积。然后，再排入吸收瓶Ⅰ中，吸收生成的二氧化碳，再测量残余气体体积。
4.结束工作
测定工作全部结束后，拆下取样器，旋开旋塞6（图3-9），排除量气管及吸收瓶Ⅰ内残余气体至封闭液面升至顶端标线。关闭旋塞5，置水准瓶于仪器底板凹槽内，以备下次分析使用。仪器暂停使用过程中，应经常转动碱性吸收剂的吸收管旋塞，以免被碱腐蚀而粘连。如果长期不再使用，则应将所有液体排出，充分洗涤各部件，旋塞用薄纸包裹后，塞入旋塞孔中，置仪器于安全地点，妥善保管。
5.计算
如果在测定过程中温度或气压改变，首先应利用气体方程式将气体体积换算至样品条件下的体积，再按下列各式计算气体中各组分的含量。但在通常情况下，一般温度和压力不改变（在室温常压下），故可省去换算工作，直接用各测得的结果（体积）来计算出各组分的含量。
（1）吸收部分
（3-18）
（3-19）
（3-20）
（3-21）
式中 V0——采取试样的体积，mL；
V1——试样中含CO2（用KOH溶液吸收前后气体体积之差）的体积，mL；
V2——试样中含CnHm（用浓硫酸+硫酸银溶液吸收前后气体体积之差）的体积，mL；
V3——试样中含O2（用焦性没食子酸的碱性溶液吸收前后气体体积之差）的体积，mL；
V4——试样中含CO（用氯化亚铜的氨性溶液吸收前后气体体积之差）的体积，mL。
（2）燃烧部分 燃烧时只取了部分剩余气体进行测定，所以要注意换算。
在所取的25.00mL样品中氢气和甲烷体积的计算为：
V生（CO2）=V（CH4）=a （3-22）
（3-23）
解得：
V（CH4）=a
（3-24）
换算至V5体积中的氢气和甲烷的体积：
（3-25）
则：
（3-26）
（3-27）
任务实施
操作2 奥氏气体分析仪分析半水煤气组成
一、目的要求
1. 了解奥氏气体分析仪的组成。
2. 掌握奥氏气体分析仪的安装及操作要领。
3. 掌握化学吸收法和燃烧法的原理及测定方法。
二、方法原理
在奥氏气体分析仪中采用吸收法测定半水煤气中CO2、O2、CO、CnHm，用燃烧法测定CH4、H2，用减量法计算N2的含量。
三、仪器和试剂
1. 仪器
主要仪器有：奥氏气体分析仪一套、球胆。
2. 试剂
① 33%KOH溶液：1份质量的KOH溶解于2份质量的蒸馏水中。
② 焦性没食子酸的碱性溶液：称取5g焦性没食子酸，溶解于15mL水中。另称取40g KOH溶解于32mL水中。使用时将两种溶液在吸收瓶中混合。
③ CuCl的氨性溶液：称取250g NH4Cl溶解于750mL水中，加200g CuCl，溶解后迅速转移于预先装有铜丝的试剂瓶中至几乎充满。用橡胶塞塞紧（溶液应无色）。临用前，加入密度为0.9g/mL的氨水，加入比例为2体积的氨水与1体积的亚铜盐。
④ 含硫酸银的硫酸溶液：称取4g硫酸银溶解于65mL水中，在不断搅拌下缓缓加入浓硫酸400mL。
⑤ 封闭液：量气管的封闭液，可以为水、酸、盐的水溶液、甘油或汞。封闭液不得吸收被测定的气体。汞是最好的封闭剂，但是因为有剧毒，不宜经常使用，使用时应注意安全。一般分析可以使用盐的饱和溶液（例如含1%盐酸的氯化钠饱和溶液；含2%硫酸的硫酸钠饱和溶液）。尽管气体在盐的饱和溶液中的溶解度很小，但是为了进一步阻止气体溶解，在使用前仍必须用待分析的气体通入封闭液中至其饱和。封闭液中还应加少量酸碱指示剂（例如甲基红）使溶液有颜色，以便观察并可及时发现碱性吸收剂的倒流事故。
煤气或半水煤气的分析，可以使用10%硫酸作为量气管封闭液。爆炸管的封闭液，则用二氧化碳饱和的水溶液即可。
四、测定步骤
1. 安装仪器并检查仪器的气密性（见任务三 煤气质量分析）。
2. 用量气管准确量取一定量的气体，并依次引入各吸收瓶进行吸收，吸收后的剩余气体与空气按适当比例混合后引入爆炸瓶燃烧，测定燃烧后气体的体积及燃烧产生的CO2体积（见任务三 煤气质量分析）。
五、数据记录与处理
根据各吸收瓶吸收前后体积之差分别计算CO2、O2、CO、CnHm的体积分数，根据燃烧前后缩减的体积及生成的CO2体积计算H2和CH4的含量，用100%减去上述所有气体的含量总和即为N2的含量。
操作人： 审核人： 日期：
六、注意事项
测定过程中，排出或吸入气体时，应缓缓升降水准瓶，不能过快或过高过低。升降水准瓶时，应注意观察上升液面而不必观察下降液面。不能让吸收剂或封闭液越过标线进入梳形管中。转动旋塞不得用力过猛，以防扭断玻璃管。
爆炸燃烧时，如果不产生火花可能是铂丝上沾有油污，应清洗。也可能是铂丝间隙不合要求或电路不通，应检查、调整。爆炸瓶外最好能用铁丝网或透明塑胶片包裹，以保安全。
【任务评价】
思考与交流
1. 如果气体试样中含有CO2、O2、CnH2n、CO四个组分，应选用哪些吸收剂，如何安排吸收顺序？
2. 如何检查装置的气密性？
3. 如果测定过程中温度、压力变化较大，如何对测定结果进行校正？
知识拓展
随着中国国民经济的迅速发展，气体制造和气体应用行业对气体分析技术的要求越来越高，社会对气体分析仪器的需求，不论是数量上还是性能上，都有很大幅度的提升，而且应用领域也在迅速扩大。由于气体成分的测定数据，对生产工艺条件的变化反映最及时、准确，直观性强，使得气体分析逐渐成为气体制造和应用行业不可或缺的工作环节。由于被分析气体的千差万别和分析原理的多种多样，气体分析仪的种类繁多。常用的有热导式气体分析仪、电化学式气体分析仪和红外线吸收式分析仪等。
热导式气体分析仪根据不同气体具有不同导热能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。这种分析仪表简单可靠，适用的气体种类较多，是一种基本的分析仪表。
电化学式气体分析仪是根据化学反应所引起的离子量的变化或电流变化测量气体成分。为了提高选择性，防止测量电极表面沾污和保持电解液的性能，一般采用隔膜结构。常用的电化学式分析仪有定电位电解式和伽伐尼电池式两种。定电位电解式分析仪的工作原理是在电极上施加特定电位，被测气体在电极表面就产生电解作用，只需测量加在电极上的电位，即可确定被测气体特有的电解电位，使仪表具有选择识别被测气体的能力。伽伐尼电池式分析仪是将透过隔膜扩散到电解液中的被测气体电解，通过测量电解电流，就能确定被测气体的浓度。通过选择不同的电极材料和电解液来改变电极表面的内部电压，实现对具有不同电解电位气体的选择性测量。
红外线气体分析仪是根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表。测量这种吸收光谱可判别出气体的种类；测量吸收强度可确定被测气体的浓度。红外线分析仪的使用范围较广，不仅可分析气体成分，也可分析溶液成分，且灵敏度较高，反应迅速，能在线连续指示，也可组成调节系统。
项目小结
对煤气等工业气体进行分析时必须结合气体的特性，采用合适的方法及工具采集一定量具有代表性的样品，常用的采样方法有正压、常压、负压。如在流通管路或气体钢瓶中采样一般用正压采样方法，煤矿井下空气中有害气体的采集可采用负压气体采样方法。
因为气体流动性大、体积庞大、质量较小，所以在定量分析时一般用体积分数表示其含量的多少。如果气体中待测组分含量较高量取体积时可以使用量气管，其量取体积一般最高为100mL。当组分含量较低需要采集大量气体进行含量测定时，就须借助流量计或流速计测定所采集气体的量。
气体分析方法根据分析原理可分为化学分析法、物理分析法、物理化学分析法。化学分析法是根据气体的某一化学特性进行分析的方法，包括化学吸收法和化学燃烧法。化学吸收分析法包括吸收体积法、吸收滴定法、吸收重量法和吸收比色法等。燃烧法根据燃烧方式不同又分为爆炸燃烧法、缓慢燃烧法和氧化铜燃烧法。
用化学分析法分析煤气含量时通常结合使用吸收法和爆炸燃烧法，用得比较多的仪器是奥氏气体分析仪。使用奥氏气体分析仪时，分析前首先要搭建仪器，并对搭建后的仪器进行气密性检查，保证仪器不漏气，否则会影响测定结果。分析煤气含量时先采用吸收法测定CO2、不饱和烃、O2、CO含量，一定要注意吸收顺序；然后将吸收后的剩余气体与空气按一定比例混合后采用燃烧法测定H2、CH4的含量，既不吸收又不能燃烧的气体视为N2，用差减法计算。