熱催化可燃氣體檢測儀在不同環(huán)境下的性能探究

劉偉，李靜，郭緒強，楊蘭英，陳波，閆振宇

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熱催化可燃氣體檢測儀在不同環(huán)境下的性能探究

劉偉，李靜，郭緒強，楊蘭英，陳波，閆振宇

（中國石油大學（北京）重質(zhì)油國家重點實驗室，北京102249）

針對熱催化式可燃氣體檢測儀的工作準確性及可靠性進行了研究，通過相同測試條件下熱催化可燃氣體檢測儀示數(shù)和色譜分析可燃氣體的濃度對比值，驗證熱催化式可燃氣體檢測儀數(shù)值的準確性。并且通過改變不同的檢測條件，探究熱催化式可燃氣體檢測儀的適用條件。實驗結(jié)果證明熱催化式可燃氣體檢測儀可以用于定性檢測實際過程，并提出其在使用過程中的注意事項。

氣體檢測儀；可燃性氣體；檢測；準確性

隨著工業(yè)化進程的不斷加速發(fā)展，工業(yè)事故也已成為人們不得不面對和處理的問題。1984年12月，印度博帕爾的聯(lián)合碳化公司毒氣泄漏事件更是敲響了人們的警鐘[1]。國際勞工組于1985年6月召開了國際勞工大會并通過了一項有關因使用危險物質(zhì)所帶來風險和事故的預防措施決議，并于1988年和1990年相繼出版了重大危險控制手冊和重大工業(yè)事故預防實用規(guī)程。1993年更是通過了第174號預防重大工業(yè)事故公約，目的是預防重大事故發(fā)生和減輕重大事故后果[2]。進入21世紀，中國進入現(xiàn)代工業(yè)高度發(fā)展的時期，于此同時也面臨著一系列突發(fā)性的工業(yè)事故。2004年重慶天原化工總廠“4·16”特大氯氣泄漏事故[3]和2005年中國石油吉化雙苯廠“11.13”爆炸火災事故[4]都使人們付出了慘痛的代價。這些事故都涉及了易燃、易爆或有毒物質(zhì)的重大泄漏，事故隱患多潛藏在危險物質(zhì)儲存的過程中，特別是在化工廠、煉油廠、加油站等眾多具有可燃性氣體存在泄漏危險的作業(yè)環(huán)境中。在這些特殊的環(huán)境里，若不能及時發(fā)現(xiàn)泄露的可燃性氣體，將導致其濃度不斷增加，甚至可能達到爆炸極限，引發(fā)火災和爆炸等惡性事故，不僅給工廠內(nèi)的員工造成人身傷害，而且也使周邊民眾遭受嚴重威脅[5]。

隨著國家在健康、安全、環(huán)保方面法律法規(guī)的健全，以及人們安全意識的加強，可燃氣體探測器的用量大幅提升。為了盡量減少甚至避免這些惡性事故的發(fā)生，工廠員工除了要加強操作安全防范意識，也需要選用可靠和準確的安全檢測報警儀器，對作業(yè)環(huán)境中可燃性氣體的濃度進行實時監(jiān)控，避免事故的發(fā)生和加劇。目前，熱催化式可燃氣體檢測儀是各種危險作業(yè)場所常用的可燃氣體探測裝置之一。它作為氣體報警系統(tǒng)中獲取基礎數(shù)據(jù)的現(xiàn)場變送器，其運行的可靠性和適用范圍至關重要[6]。

本文將通過對比實驗對常用的熱催化式可燃氣體檢測儀進行數(shù)據(jù)的準確性和可靠性進行驗證，為進一步提高監(jiān)測質(zhì)量提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 熱催化式可燃氣體檢測儀檢測原理

熱催化式可燃氣體檢測儀是通過檢測可燃氣體在催化元件上的無焰燃燒熱值來檢測可燃氣體的含量。當可燃氣體在通過具有催化性能的檢測元件時，迅速產(chǎn)生低溫無焰燃燒并且產(chǎn)生燃燒熱量，燃燒熱使熱敏原件的電阻值增大，使原電橋失去平衡，此時電橋會輸出一個變化的電壓信號，再經(jīng)過電壓電流轉(zhuǎn)換電路，最后將電流信號輸出給數(shù)據(jù)顯示器。這個過程中，濃度與溫度呈現(xiàn)一定的線性關系，并且溫度與電信號也呈現(xiàn)一定的線性關系，所以就可以通過電信號來轉(zhuǎn)化出濃度的數(shù)值，達到測量可燃性氣體濃度的目的[7]。

1.2 實驗設備和樣品

某熱催化式可燃氣體檢測儀、氣相色譜儀（Agilent 7890A GC）、密封探測氣袋（容積40L）、標準甲烷氣體（甲烷濃度2%，氮氣98%）、標準丙烷氣體（丙烷濃度2%，氮氣98%）、標準甲烷氣體（甲烷濃度99.9%）、標準丙烷氣體（丙烷濃度99.9%）、氣筒、氣體注射器、抽氣泵、導氣管若干。

1.3 實驗方法和數(shù)據(jù)處理

通過對比同一檢測條件下，熱催化式可燃氣體檢測儀測定的檢測值與氣相色譜分析得到的氣體組成，驗證熱催化式可燃氣體檢測儀的數(shù)值的準確性。同時通過改變不同的檢測條件，探究熱催化式可燃氣體檢測儀的適用條件。

1.3.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。將檢測氣體通入透明氣袋內(nèi)，模擬氣體檢測實驗環(huán)境，并將檢測儀也放置在透明氣袋內(nèi)。通過透明氣袋可直接讀取檢測儀示數(shù)。閥門4用于控制氣袋內(nèi)存放氣體的量。閥門5和6用于抽真空、氣體排放、氣體采集（供氣相色譜分析濃度使用）。

圖1 氣體檢測實驗裝置

1.3.2 實驗步驟

（1）打開閥門5和6，用真空泵將將氣袋進行吹掃。

（2）關閉閥門5和6，打開閥門4，注入指定的標準氣體。打開閥門5和6，用真空泵將將氣袋進行吹掃。

（3）待檢測器度數(shù)恒定后，記錄數(shù)據(jù)。同時打開閥門6，抽取檢測室中的待測氣體，用氣相色譜分析其組成。

（4）更換氣體，重復步驟（1）-（3）。

（5）數(shù)據(jù)處理并計算相對誤差。

1.3.3 相對誤差的計算公式

式中：1—熱催化檢測儀所測濃度，mL/mL；

2—色譜儀檢測濃度，mL/mL。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

2.1 單一氣體組成的測定結(jié)果

2.1.1 單一甲烷氣檢測

表1中實驗數(shù)據(jù)6-7是在缺氧的條件下測得的，可以發(fā)現(xiàn)，此時檢測儀示數(shù)均顯示超量程，不能準確測得可燃氣含量。該檢測儀是通過催化燃燒反應產(chǎn)生的熱量來計算環(huán)境中可燃氣體的總量，所以當氧氣濃度較低時，催化反應難以正常進行，從而導致檢測儀不能正確表示可燃氣含量，此時檢測儀不能正常工作。從實驗數(shù)據(jù)1可以看出，檢測儀示數(shù)與色譜分析值相對誤差大于1，原因是實驗開始時檢測儀穩(wěn)定時間不夠長，未達到檢測所需的平衡時間。因此在實際檢測過程中，必須將檢測儀在待檢測環(huán)境中穩(wěn)定足夠長的時間，以確保檢測值的準確性。

表1 單一甲烷氣檢測結(jié)果

注：甲烷（VOL）,%、氧氣（VOL）,%、可燃氣（VOL）,%均為色譜分析結(jié)果；“-”為無。

圖2 單一甲烷氣檢測結(jié)果

圖2是根據(jù)表1中檢測儀示數(shù)和色譜分析甲烷濃度做的一個散點圖，從圖中我們可以看到，檢測儀的示數(shù)和檢測環(huán)境中甲烷的濃度正相關，但是檢測儀的示數(shù)小于色譜分析值。隨著甲烷濃度的增加，檢測儀示數(shù)與色譜分析的甲烷濃度值的偏差值逐漸增大。

2.1.2 單一丙烷氣檢測

表2中實驗數(shù)據(jù)8-10是在缺氧的條件下測得的。

表2 單一丙烷氣檢測結(jié)果

注：丙烷（VOL%）、氧氣（VOL%）、可燃氣（VOL%）均為色譜分析結(jié)果；“-”為無。

可以發(fā)現(xiàn)，此時檢測儀示數(shù)同樣顯示超量程，不能準確測得可燃氣含量。進一步證明，在氧氣濃度較低時，檢測儀會因為催化燃燒反應不能正常進行而無法正常工作。此外在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，在可燃氣存在的環(huán)境中將檢測儀關機重啟后，會導致實驗檢測值遠低于實際環(huán)境中可燃氣的含量，以實驗數(shù)據(jù)11為例，實際環(huán)境中丙烷的含量為2.8542,%(VOL)，而檢測儀的示數(shù)僅為0.07,%(VOL)，其相對誤差也遠超實驗數(shù)據(jù)1-7。說明當檢測儀在可燃氣環(huán)境中關機重啟時，其數(shù)值會小于實際含量，如果在現(xiàn)實生活使用過程中沒有注意到這點，會使人放松警惕，甚至發(fā)生重大事故。

圖3中將相同環(huán)境下，檢測儀示數(shù)和色譜分析丙烷濃度做了散點圖，從圖中可以看到，在總體趨勢上，檢測儀示數(shù)與丙烷濃度正相關，在一定程度上能反映可燃氣濃度的變化，但是其偏差值較大。當丙烷濃度增加時，檢測儀顯示數(shù)值與對角線的偏差增大，相對誤差也出現(xiàn)增大趨勢，且其小于色譜分析可燃氣的濃度。

圖3 單一丙烷氣檢測結(jié)果

2.2 混合可燃氣組成的測定結(jié)果

為了進一步驗證熱催化式可燃氣體檢測儀工作的準確度，我們將不同甲烷和丙烷的標氣以任意比例混合得到不同濃度混合可燃氣，來模擬實際生產(chǎn)過程中的待檢測環(huán)境。通過對比色譜分析結(jié)果和檢測儀的結(jié)果，獲得了如表3中的實驗結(jié)果。

表3 甲烷和丙烷混合氣檢測結(jié)果

注：甲烷（VOL）,%; 丙烷（VOL）,%; 氧氣（VOL）,%; 可燃氣（VOL）,%均為色譜分析結(jié)果。

表3中實驗數(shù)據(jù)7-8再次說明，將檢測儀在可燃混合氣存在的環(huán)境中關機重啟，檢測儀示數(shù)會出現(xiàn)極小示數(shù)的情況，證明了在檢測過程中關閉并再開啟檢測儀對顯示示數(shù)影響較大。在實際使用過程中，應該將檢測儀提前打開，且檢測過程中不要重復開機關機。如果在現(xiàn)實生活使用過程中沒有注意到這點，會使人放松警惕，甚至發(fā)生重大事故。

圖4的結(jié)果和圖2、圖3類似，可以看出檢測儀的示數(shù)值會隨著檢測環(huán)境中可燃氣的濃度增加，幾乎呈現(xiàn)正相關關系。但與單一可燃氣的檢測結(jié)果相比較，混合可燃氣檢測儀示數(shù)偏離對角線的程度進一步增大，與色譜分析結(jié)果的偏差值大幅度增大，同時隨著混合可燃氣濃度的增加，相對誤差也同時進一步增加。由此我們可以看出，在精準度要求不高的工作場合中，熱催化式可燃氣體檢測儀可以定性地測量環(huán)境中的可燃氣的含量。但在可燃氣濃度較高的環(huán)境中，熱催化式可燃氣檢測儀并不適用。

圖4 甲烷和丙烷混合氣檢測結(jié)果

3 結(jié)論與分析

熱催化檢測儀的原理是利用可燃氣經(jīng)催化反應后釋放出來的熱量來估算可燃氣的含量，其示數(shù)值受測得熱量影響很大，當檢測儀在缺氧狀態(tài)下時，催化反應缺氧無法發(fā)生或反應不足，會導致熱值變化不正常，此時則無法得到正確的結(jié)果。此外，探頭處于開放環(huán)境中，所測得熱量值變化受環(huán)境影響大，熱量損失不可忽略且不能確定，所以出現(xiàn)數(shù)值不精確的現(xiàn)象也是可以解釋的。結(jié)合本實驗結(jié)果可得出如下結(jié)論。

（1）熱催化檢測儀在測定可燃氣組成時，其顯示值能夠定性地表示待測環(huán)境中可燃氣含量，但是受環(huán)境影響大，而且從原理上來看，熱量變化多少不能直接表示可燃氣含量多少。從實驗數(shù)據(jù)上看，無論檢測單一可燃氣體還是混合可燃氣，其結(jié)果與色譜值相比有很大的誤差，并且其示數(shù)值基本上都小于色譜值，所以該檢測儀測得示數(shù)值不能定量測定可燃氣含量，也不能在實際工作中應用為定量標準設備。

（2）熱催化檢測儀需要在正常流通空氣環(huán)境下使用，無氧條件下無法正常工作。在缺氧條件下的實驗結(jié)果表明，熱催化檢測儀置于缺氧的條件下會顯示超量程而導致無法檢測。這一結(jié)論與熱催化原理是一致的，即檢測可燃氣體濃度，是在氧氣環(huán)境下，被測量的可燃氣體在該儀器測試艙“燃燒”時，獲取的可燃氣體的濃度，由此推斷在貧氧環(huán)境下，該儀器測量氣體濃度也不準確。

（3）熱催化檢測儀在測定可燃氣過程中，關機重啟后，其示數(shù)值會遠小于實際可燃氣含量數(shù)值。這種情況在實際工作中，需要十分注意。如果操作不當，意外出現(xiàn)這種情況，會使工作人員放松警惕，甚至可能造成重大事故。

［1］王立德.直面災難:美國鑒于印度博帕爾毒氣泄漏事件采取的化學品事故應對措施[J].世界環(huán)境，2006(1):24-26.

［2］朱常有.重大工業(yè)事故預防——國際勞工組織第174號公約和歐盟經(jīng)[C]. 海峽兩岸及香港、澳門地區(qū)職業(yè)安全健康學術研討會暨中國職業(yè)安全健康協(xié)會2006年學術年會,2006.

［3］李志堅,任小君,陳山,等.“我們必須再一次做好犧牲的準備”——重慶天原化工總廠“4·16”特大氯氣泄漏事故消防搶險紀實[J].消防與生活，2004(1):27-29.

［4］馮振民.吉化公司爆炸事故中應急預案的經(jīng)驗與教訓[J].勞動保護，2006(2):54-55.

［5］陳蓮生.可燃氣體探測器及其設置安裝要領[J].石油工程建設，1996(1)：1-3．

［6］陸國平.可燃氣體和有毒氣體監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].石油化工自動化，2005，41(6):17-20.

［7］GB 50493-2009.石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

Analysis on the Performance of Combustible Gas Detector Based on Thermal Catalytic Principle Under Different Conditions

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( China University of Petroleum, Beijing102249, China）

The accuracy and reliability of combustible gas detector based on thermal catalytic principle were studied. The concentration of combustible gas under the same condition was respectively detected by thermal catalytic combustible gas detector and gas chromatograph. Then through the contrast of results, the accuracy of the combustible gas detector based on thermal catalytic principle was verified. And applicable conditions of the combustible gas detector based on thermal catalytic principle were investigated by changing detection conditions. The results proved that the combustible gas detector based on thermal catalytic principle can be used to qualitatively detect combustible gas. At last, some precautions in the using process of the combustible gas detector were put forward.

Gas detector; Combustible gas; Detection; Accuracy

TE 648

A

1671-0460（2017）10-2097-04

2017-01-21

劉偉（1991-），男，山西省人，碩士研究生，研究方向：流體相平衡。E-mail：18810557521@163.com。

郭緒強（1963-），男，教授，博士，研究方向：流體相平衡。E-mail：guoxq@cup.edu.cn。