[发明专利]基于拉曼光谱的天然气水含量的检测方法

说明书

本发明公开了一种基于拉曼光谱的天然气水含量的检测方法，采用拉曼气体检测系统进行检测，所述拉曼气体检测系统主要由气路、光路及检测仪组成。

技术领域

本发明涉及一种基于拉曼光谱的天然气水含量的检测方法。

背景技术

天然气中的水含量是天然气产品的一个重要指标。当在一定压力温度条件下，水蒸气会凝结成水或生成天然气水合物，这会增加天然气管道腐蚀和堵塞的风险。传统的天然气水含量检测方法有称量法、电解法、卡尔费休滴定、冷却镜面法、色谱法等。他们均存在一些不足，如冷却镜面法耗时长，且对检测环境的温度要求高；电容法的精度低。由于拉曼光谱无需样品预处理，无损伤检测等优点，本文尝试将拉曼光谱法应用于天然气中水含量检测。

拉曼光谱，是一种散射光谱，指的是当激光照射物质分子后，散射光的频率相较于入射光频率发生偏移的现象，频率之间的差值就是拉曼频移。拉曼频移是物质的固有属性，只与分子的结构有关。当入射光波长和功率一定时，气体的浓度又正比于拉曼的谱峰强度。基于此原理，通过气体的拉曼谱峰特性对天然气中的水含量进行定性和定量的分析。Eichmann等人在2010年使用拉曼光谱法测量了H2和CO混合气体的浓度；K.M.等人利用光谱仪对井内天然气成分进行实时分析测量；高颖等人也对拉曼光谱进行分解和建立相关模型，然后分析了天然气的组分；Froidevaux等人在2013年使用激光拉曼雷达测量大气边界层的水汽。前人大量研究了拉曼光谱在液体、气体等领域的应用，但是关于拉曼光谱检测天然气中水含量的研究仍然很少。

本文在研究拉曼散射机理的基础上，搭建了基于拉曼光谱技术的天然气水含量检测平台，利用光学长程池来增强气体的拉曼信号，通过实验获得了天然气中水汽的拉曼谱图。考虑到应用中存在的压力变化，研究了样品中气体压力对拉曼谱图的影响。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于拉曼光谱的天然气水含量的检测方法。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于拉曼光谱的天然气水含量的检测方法，采用拉曼气体检测系统进行检测，所述拉曼气体检测系统主要由气路、光路及检测仪组成。

进一步优化本技术方案，采用了532nm的二极管泵浦固体激光器作为拉曼激发光源，同时使用Thorlabs公司的双凸透镜L1和L2实现532nm激光光束的聚焦以及有效路径长度的增强。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种基于拉曼光谱的天然气水含量的检测方法，具备以下有益效果：

本发明搭建了基于光学长程池的拉曼检测平台，对天然气样品中的水汽进行初步检测。实验表明在常温常压下，水汽的拉曼谱峰面积与水汽浓度具有线性关系，验证了拉曼光谱检测天然气中水含量的可行性；进一步探讨了压力对拉曼谱峰位置和面积的影响，为将来拉曼光谱技术在天然气水含量检测领域的应用开展了探索性研究。

附图说明

图1为甲烷的拉曼光谱图；

图2为拉曼检测系统的基本结构示意图；

图3为几何光学等效图；

图4为6种样品气的拉曼光谱图；

图5为水含量与特征峰面积的关系图；

图6为不同压力下H2O的拉曼光谱；

图7为压力与谱峰位置和面积的关系。

具体实施方式