(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210972859.3 (22)申请日 2022.08.15 (71)申请人 中国科学院西北生态 环境资源研究 院 地址 730000 甘肃省兰州市东岗西路320号 (72)发明人 邢蓝田　李中平　陶小晚　康婷　 刘艳　魏志福　 (74)专利代理 机构 江苏银创律师事务所 32 242 专利代理师 何震花 (51)Int.Cl. G01N 30/02(2006.01) G01N 30/06(2006.01) G01N 30/72(2006.01) (54)发明名称 一种天然气中硫化氢的氢同位素测定装置 和方法 (57)摘要 本发明涉及一种天然气中硫化氢的氢同位 素测定装置和方法， 包括 混合气分离单元 Ⅰ， 硫化 氢催化裂解单元 Ⅱ， 除硫单元 Ⅲ以及氢同位素质 谱分析单元 Ⅳ； 天然气样品中的H2S气体进入所 述的硫化氢气体催化裂解单元 Ⅱ进行裂解， 裂解 产物中的硫蒸气通过所述的除硫单元 Ⅲ进行除 硫处理， 而裂解产物H2则直接导入质谱仪进行测 试。 整个系统操作简便， 通过催化裂解的方式可 实现硫化氢的完全转化， 避免了硫化氢处理过程 中的氢同位素分馏， 克服了硫化氢氢同位素测试 中的困难。 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 CN 115326962 A 2022.11.11 CN 115326962 A 1.一种天然气中硫化氢的氢同位素测定装置， 其特征在于， 包括混合气分离单元 （ Ⅰ） ， 硫化氢催化裂解单元 （ Ⅱ） ， 除硫单元 （ Ⅲ） 以及氢同位素质谱分析单元 （ Ⅳ） ， 上述四个单元 依次连接， 气体样品经过混合气分离单元 （ Ⅰ） 分离出硫化氢气 体， 硫化氢气体经过硫化氢催 化裂解单元 （ Ⅱ） 催化裂解转化为氢气和硫蒸气， 载气带动氢气和硫蒸气进入所述除硫单元 （Ⅲ） ， 除去硫蒸气得到纯的氢气， 将氢气导入同位素质谱分析单元 Ⅳ来测试氢同位素， 实现 了硫化氢 氢同位素的测定 。 2.如权利要求1所述的天然气中硫化氢的氢同位素测定装置， 其特征在于， 所述混合气 分离单元 （ Ⅰ） 包括可设置温度控制程序的色谱柱箱及其中安装的色谱柱 （1） ， 用于分离天然 气中的硫化氢。 3.如权利要求1所述的天然气中硫化氢的氢同位素测定装置， 其特征在于， 所述硫化氢 催化裂解单元 （ Ⅱ） 包括铬催 化剂 （2） ， 硅碳棒加热炉 （3） 和陶瓷反应管 （4） ， 硫化氢随载气流 经陶瓷反应管 （4） 中， 所述陶瓷反应管 （4） 填充有铬催化剂 （2） ， 所述的陶瓷反应管 （4） 可被 硅碳棒加热炉 （3） 进行加热。 4.如权利要求1所述的天然气中硫化氢的氢同位素测定装置， 其特征在于， 所述除硫单 元 （Ⅲ） 为填充有线状铜 （5） 的石英管 （6） ， 所述石英管 （6） 可被环形加热炉 （7） 进行加热至约 400℃， 载气带动氢气和硫蒸气流经 该单元， 其中的硫被线状铜 （5） 吸 收从而被除去。 5.如权利要求1所述的天然气中硫化氢的氢同位素测定装置， 其特征在于， 所述氢同位 素质谱分析 单元 （Ⅳ） 为同位素比值质谱仪 。 6.如权利要求1所述的天然气中硫化氢的氢同位素测定装置， 其特征在于， 各个单元利 用石墨垫进行密封以保证其密封性。 7.一种采用了权利要求1 ‑6任一项所述的天然气中硫化氢的氢同位素测定装置的测定 方法， 其特 征在于， 该 方法包括以下步骤： 步骤A， 在气体样品取气和进样过程， 先将减压 阀连接于高压钢瓶的取气端， 拧紧减压 阀进气端的螺帽， 后打开高压钢瓶的取气旋钮， 调整减压器手柄将出气压力调整至0.1 ‑ 0.5Mpa， 完成减压后将进样器 针头插入减压器取气端， 抽取0.1 ‑0.5ml天然气样品； 步骤B， 根据混合气中硫化氢含量情况， 抽取0.1 ‑0.5ml气体样品注入进样口， 选择具有 良好分离效果的色谱柱 （1） ， 同时设置合适的色谱柱升温条件和流速、 分流比， 进行硫化氢 的分离； 步骤C， 被色谱柱分离后的硫化氢随载气流经陶瓷反应管 （4） ， 所述的陶瓷反应管 （4） 填 充有铬催化剂 （2） ， 所述陶瓷反应管 （4） 可被硅碳棒加热炉3进 行加热， 以保证硫化氢催化裂 解时所需的高温条件， 硫化氢 经过该催化裂解单 元可转化为氢气和硫蒸气； 步骤D， 所述石英管 （6） 被环形加热炉7进行加热至约400℃， 载气带动步骤C中的氢气和 硫蒸气进入填充有线状铜5的石英管6， 其中的硫被线状铜 （5） 吸收从而被除去， 得到纯的氢 气； 步骤E， 将步骤D中得到的硫化氢催化裂解产物氢气被载气带入同位素比值质谱仪进行 硫化氢氢同位素分析。 8.如权利要求7所述的测定方法， 其特征在于， 该测定方法还可以用于铝箔纸袋采集的 含硫化氢煤层气的氢同位素测定 。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115326962 A 2一种天然气中硫化氢的氢同位素测定装 置和方法 技术领域 [0001]本发明涉及天然气地球化学领域， 尤其涉及一种天然气中硫化氢的氢同位素测定 装置和方法。 背景技术 [0002]硫化氢是一种由两个氢原子和一个硫原子构成的具有 “V”型结构的无机化合物， 是天然气中的重要组成部 分， 我国天然气中硫化氢含量大于1%的气储量占总体储量的四分 之一。 该气体具有比较强的毒性和腐蚀性， 但开展硫化氢气体的地球化学行为研究能为硫 化氢成因判识、 流体来源及与围岩相互作用等研究提供可靠的依据， 同时， 硫化氢气体与碳 酸盐岩油气藏关系密切， 因此， 该气体在天然气成因研究中扮演着重要的角色。 [0003]在实际的地质体中， 硫化氢具有非常复杂的形成过程， 其成因主要包括： （1） 生物 成因， 即通过微生物同化还原作用和植物吸收作用形成含硫化合物， 进而分解产生硫化氢； （2） 热化学成因， 即硫酸盐与有机质或烃类在热力作用下经氧化 ‑还原反应生成硫化氢； 此 外， 还包括火山喷发形成的硫化氢等。 在以往的科学研究中， 人们只关注了以上不同形成过 程中硫化氢的硫同位素， 而忽略了硫化氢氢同位素的研究， 究其原因， 主要为缺乏开展硫化 氢氢同位素分析 的技术基础。 随着对天然气 中硫化氢研究的深入， 单纯从硫同位素 的视角 开展其成因、 类型等研究已无法满足其研究需求， 因为从物质来源来讲， 硫化氢形成过程中 除了硫的来源， 还需要 氢的来源， 才能通过特定的作用形成硫化氢， 其氢的来源 可以是有机 质中的氢， 也可以直接是烃类气体中的氢， 还可以来源于形成过程中环境中水体的氢， 因 此， 亟需开发硫化氢氢同位素 的测定方法， 以期从氢同位素 的视角进行硫化氢形成机理的 研究， 进一 步提高对硫化氢地球化学 特征的认识。 发明内容 [0004]本发明的目的在于针对硫化氢的氢同位素分析， 通过催化裂解的方式将硫化氢完 全转化为H2和硫蒸气， 继而利用同位素比值质谱仪实现其氢同位素的准确 测定。 [0005]本发明为实现上述目的采用的技术方案是： 一种天然气中硫化氢的氢同位素测定 装置和方法， 包括气体样品取气和进样过程， 混合气分离单元 Ⅰ， 硫化氢气体催化裂解单元 Ⅱ， 除硫单元Ⅲ及氢同位素质谱分析系统； 其中， 气 体样品取气和进样过程为气 体样品钢瓶 与减压阀相连接， 利用注射器抽取减压后的气 体； 混合气分离单元 Ⅰ包括可设置温度控制程 序的色谱柱箱及其中安装的色谱柱， 用于分离天然气 中的硫化氢； 硫化氢气体催化裂解单 元Ⅱ包括填充有裂解催化剂的陶瓷管和双螺旋硅碳棒加热炉， 用于硫化氢气 体的催化裂解 转化； 除硫单元 Ⅲ为连接于催 化裂解装置末端的石英管， 内部填充有线装铜， 外部套有环形 加热装置， 用于除去硫化氢裂解产生的硫蒸气； 通过上述方案， 将生成的H2 导入同位素质谱 仪来测试 氢同位素， 以此来实现硫化氢 氢同位素的测定 。 [0006]本发明具有以下技术效果： 混合气体经进样口进样后， 其中的硫化氢被色谱柱分 离并通过填充有催化剂的反应区， 在高温催 化裂解条件下转化为H2和S， 后经除硫 纯化后导说　明　书 1/3 页 3 CN 115326962 A 3