基于拉曼光谱的天然气组分分析方法与系统开发

发布时间：2020-08-15 18:21

【摘要】：天然气因清洁低碳、使用高效和储量丰富等优点而被广泛应用于当今社会,国际标准《ISO 13686天然气质量指标》中对天然气的成分作出了明确规定,因此天然气组分的定量分析变得十分重要。在众多的在线多组分气体检测技术中,拉曼光谱分析技术以其分析速度快、无需样品预处理、测量便捷等优点可用于天然气组分分析。因此本文对天然气组分的拉曼光谱分析方法进行深入研究。论文的具体研究开发工作包括:(1)针对由采样池材料等造成的背景噪声和基线漂移状况,提出了天然气光谱的预处理算法。光谱预处理算法包括背景光谱扣除、基线校正以及光谱归一化处理。利用400条连续测量的天然气光谱对上述算法进行检验,得到较好地处理效果。(2)提出了一种拉曼光谱谱峰的自动分解算法,能将可能含有少量未知组分的待测样本的拉曼光谱分解为已知纯组分拉曼光谱和未知组分拉曼光谱之和,其中未知组分的拉曼光谱由洛伦兹谱峰组拟合得到。该自动分解算法不仅能够准确地分解天然气拉曼光谱,也能够适用于其他混合体系的拉曼光谱分解。(3)建立了天然气组分的拉曼定量分析模型。天然气组分可分为甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳以及C4以上未知烷烃成分(记为C4+)等物质,其中前7种组分为天然气中的主要组分。首先,基于上述拉曼谱峰自动分解算法将天然气拉曼光谱分解为7种纯物质组分的拉曼光谱分量和若干个洛伦兹谱峰之和的形式,其中C4以上未知烷烃成分的含量采用各种烷烃分子共有的C-H变形振动峰来反映。然后,利用训练样本建立除甲烷以外的其他物质相对于甲烷的特征峰面积和对应的浓度之间的模型。实验表明,该方法对甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳和C4+的最大绝对测量误差分别达到了 0.57%、0.37%、0.21%、0.07%、0.18%、0.04%、0.13%和0.26%;与气相色谱检测结果的相关系数也分别达到了 0.997、0.986、0.991、0.998、0.993、1.000、0.995、0.982。(4)开发了一套天然气组分在线拉曼分析系统。该系统由硬件和软件两部分组成。对该系统的重复性和准确性进行了检验:在重复性方面,某一天然气样气中甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳和C4+的分析标准差分别为 0.072%,0.002%,0.000%,0.013%,0.018%,0.02%,0.014%,0.037%;在准确性方面,与气相色谱方法分析值的对比,在线分析系统对甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳和C4+这8种组分的标准偏差分别为0.234%,0.141%,0.176%,0.068%,0.056%,0.01 7%,0.015%,0.35 8%,结果说明系统有较好的准确性。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O657.37;TE642
【图文】：

定来进行分析的一种分析方法。先将被分析的样品离子化，然后利用不同离子在逡逑电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比分开而得到质谱，最后通过分析逡逑样品质谱的相关信息得到样品的定性定量结果［１６］。质谱仪结构图如图１．３所示。逡逑＾逦真空系统逡逑：线逦￣￣￣｜—逡逑：样逦ｔ逦ｙ逦＾逡逑！品逦￣￣－一逡逑前逦＾进样系统—离子源——＾数据处理逡逑ｉ邋理逦逦１邋Ｌ—一—＿＿４邋一』」１．—逡逑丨系逡逑统逦；逦—逡逑自动校准逡逑系统逡逑｝＿邋｜邋１逡逑图１．３质谱仪结构图Ｍ逡逑Ｆｉｇ．１．３邋Ｍａｓｓ邋ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ＊１７＇逡逑６逡逑

进样系统一？色谱柱邋逦Ｉ邋工作站逡逑图１．２多组分气体气相色谱分析流程逡逑Ｆｉｇ．１．２邋Ｍｕｌｔｉ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ邋ｇａｓ邋ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑气相色谱分析法具有样品用量少、分离效率高、检测灵敏度高、选择性好等逡逑优点［１５］，在石油工业、环境保护、临床化学、药物学和食品工业等都有着较广泛逡逑的应用。但它也存在不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质的分析的缺点，而逡逑且周期较长，现场维护工作量大且测量过程复杂，从而限制了这种方法的在线分逡逑析应用范围。逡逑１．２．２质谱分析技术逡逑质谱分析法（Ｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ＭＳ）是通过对被测样品离子的质荷比的测逡逑定来进行分析的一种分析方法。先将被分析的样品离子化，然后利用不同离子在逡逑电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比分开而得到质谱，最后通过分析逡逑样品质谱的相关信息得到样品的定性定量结果［１６］。质谱仪结构图如图１．３所示。逡逑＾逦真空系统逡逑：线逦￣￣￣｜—逡逑：样逦ｔ逦ｙ逦＾逡逑！品逦￣￣－一逡逑前逦＾进样系统—离子源——＾数据处理逡逑ｉ邋

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本文编号：2794473