催化甲烷傳感器交叉干擾試驗研究

武曄

天地（常州）自動化股份有限公司 江蘇 常州 213015

引言

煤礦井下環(huán)境惡劣，而在煤礦環(huán)境氣體監(jiān)測中的重中之重就是通過甲烷傳感器來監(jiān)測瓦斯?jié)舛?。甲烷氣體不但很容易就引起爆炸，而且當其含量過高時還會引起窒息，因此甲烷氣體的監(jiān)測是煤礦安全生產的重點。礦用甲烷傳感器按照檢測原理，可分催化、熱導、紅外、激光四種類型甲烷傳感器。熱導甲烷傳感器用于測量高濃度的甲烷氣體，常用于煤礦井下的瓦斯抽放，使用壽命短；紅外式和激光式甲烷傳感器可實現(xiàn)全量程檢測，具有穩(wěn)定性強，可靠性高，精確度高以及壽命長等方面的優(yōu)勢，但其紅外式甲烷傳感器也存在受濕度影響大，激光式甲烷傳感器成本高的缺點。催化式甲烷傳感器主要用于低濃度瓦斯監(jiān)測，成本較低，所以在煤礦場景應用中催化甲烷傳感器用量最多。

催化式甲烷傳感器是煤礦井下最常用的傳感器，但由于其在使用過程中存在壽命短、調校頻繁的弱點，后續(xù)維護工作量很大?，F(xiàn)針對這一狀態(tài)，對礦井下可能存在的氣體環(huán)境進行模擬試驗，對氣體干擾數(shù)據(jù)進行對比分析，為前期設備方案選型和后續(xù)問題分析提供數(shù)據(jù)基礎。

1 試驗設計

氣體交叉干擾試驗作為催化甲烷傳感器穩(wěn)定性研究一部分，為前期傳感器配套方案設計提供數(shù)據(jù)與理論基礎，讓不同干擾性氣體造成的影響提前暴露出來[1]，針對不同煤礦環(huán)境因素選擇合適的甲烷傳感器類型，以便減少后續(xù)產品維護的工作量，降低維護成本。圖1為氣體干擾試驗流程圖，整套氣體干擾試驗都將按照本流程分步操作并進行數(shù)據(jù)分析。

圖1 氣體干擾試驗流程

催化甲烷傳感器氣體干擾試驗前后均以0.50%、1.00%、2.00%為基本誤差測試點，將干擾試驗前中后數(shù)據(jù)從上位機導出后進行比對分析[2]。

針對傳感催化元件特性，調研催化甲烷傳感器在煤礦井下的使用情況以及安裝的位置環(huán)境，需要確認氧氣作為干擾氣樣時探頭的缺氧情況，缺氧會導致甲烷不能充分燃燒，產生的碳粒子會沉積在催化劑表面，或催化層的孔隙中，導致催化層斷裂、脫落，表面積減小，催化活性下降，元件靈敏度下降；由于部分礦井下坑木腐朽，煤層氧化嚴重是高二氧化碳礦，而二氧化碳是一種無色、稍有酸味的氣體，不助燃，也不維持人的呼吸，它比空氣重，常聚集在巷道的下方及通風不良的下山盡頭；易溶于水，生成碳酸，對人的眼、鼻、喉的黏膜有刺激作用，濃度過高使人缺氧窒息，同樣需確認二氧化碳對催化甲烷探頭狀態(tài)的影響；一氧化碳同樣是礦井下常見的氣體，它是一種無色，無臭，無味氣體，吸入過量后人體有十分嚴重傷害。

最常見的一氧化碳中毒癥狀，如頭痛，惡心，嘔吐，頭暈，濃度過高時會引起昏迷死亡，因此也作為干擾試驗的一個測試項；氫氣作為可燃氣體分布在井下充電室，濃度高時引起爆炸，作為可燃氣體影響催化甲烷傳感器工作狀態(tài)，參與催化反應影響傳感器正常工作；另外硫化合物能強烈吸附在催化劑上，與催化劑反應并使其中毒，硫化氫可能存在于舊巷積水中，濃度較高時可引起神經(jīng)麻痹，因此也作為干擾試驗的一個測試項。由此確定干擾氣體種類為氧氣、二氧化碳、一氧化碳、氫氣和硫化氫[3-5]。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定采掘工作面的進風流中，氧氣濃度不低于20%，礦井下二氧化碳規(guī)定其最高容許濃度為0.5%，一氧化碳最高允許濃度24PPM，硫化氫最高允許濃度6.6PPM[6-7]，氫氣正常情況下在礦井下含量較低，結合實際情況故確定干擾氣體種類及濃度如表1所示。

表1 干擾氣體種類

氣體干擾試驗分為短期和長期兩部分，均以甲烷目標氣樣零點、0.50%和1.00%為干擾測試點，干擾氣樣均由兩瓶相應濃度的甲烷氣樣和干擾氣樣在相同壓力和事先計算好的流量下配比而成，通過調整流量計，混合氣體混合出需要測試的濃度氣體，試驗前期用2.00%標準甲烷氣樣對樣機傳感器進行標校，標校之后對傳感器進行測試前幾個氣樣點的基本誤差測試，并記錄基礎數(shù)據(jù)，超出誤差范圍的傳感器進行剔除，重新更換新的傳感器重復上述操作，直至選出合格樣機。短期干擾試驗是甲烷氣樣與干擾氣體氣樣通過靜態(tài)混合器（靜態(tài)混合器為不銹鋼材質，內部為錯位布置的金屬片結構，以強化混合氣體的混合度）直接對接樣機傳感器通氣嘴，濃度以標校過的激光甲烷傳感器濃度為準，短期干擾測試對象為1#2#3#三臺樣機，連續(xù)通氣10分鐘，由上位機記錄實時數(shù)據(jù)。長期干擾試驗是將樣機傳感器放入氣體干擾試驗箱，試驗箱內標配有激光甲烷傳感器和氧氣傳感器以及干擾氣體傳感器，將標準甲烷氣樣與干擾氣體氣樣通過靜態(tài)混合器通入密封試驗箱，長期干擾測試測試對象為4#5#6#三臺樣機，待激光甲烷到達目標值后，關閉進氣與出氣閥門，靜置60min，上位機記錄實時數(shù)據(jù)[6-7]。測試完畢后再次對每臺樣機進行基本誤差測試，記錄基礎數(shù)據(jù)，以便分析數(shù)據(jù)。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

通過表2對甲烷與氫氣混合氣體的干擾測試數(shù)據(jù)分析可知，短期測試三臺傳感器和長期測試三臺傳感器在0.25%左右含量的氫氣中進行零點，0.50%，1.00%進行干擾測試短期和長期測試。測試過程中由于甲烷氣體中混有氫氣，不論長期測試還是短期測試數(shù)值均偏大且超出基本誤差，但由表3可知在氫氣干擾試驗結束后催化甲烷傳感器基本性能可自行恢復。

表2 氫氣干擾試驗數(shù)據(jù)對比分析

表3 氫氣（0.25%）干擾過程數(shù)據(jù)

另催化甲烷傳感器在5ppm左右含量的硫化氫中靈敏度下降，后追加10ppm硫化氫干擾試驗，靈敏度受影響程度更加嚴重。

甲烷與設定濃度的氧氣、二氧化碳、一氧化碳在測試前中后期測試數(shù)據(jù)基本誤差均在誤差范圍內，干擾氣樣的測試結果基本無影響，在此不贅述，只列出分析結果。

通過對甲烷與氧氣、二氧化碳、一氧化碳混合氣體的干擾測試數(shù)據(jù)分析可知，短期測試三臺傳感器和長期測試三臺傳感器在12.5%左右含量的氧氣中、0.75%左右含量的二氧化碳、50ppm左右含量的一氧化碳中進行干擾試驗，試驗后基本性能不受影響。

3 結束語

通過選定不同類型干擾氣體進行干擾試驗，從測試結果可知試驗中已選定類型且確定濃度的干擾氣體在干擾試驗結束后，甲烷氣體與12.5%以上氧氣濃度混合，催化甲烷傳感器性能不受影響；甲烷氣體與0.75%以下濃度二氧化碳混合，催化甲烷傳感器性能不受影響。甲烷氣體與50ppm以下濃度一氧化碳混合，催化甲烷傳感器性能不受影響；甲烷氣體與0.25%以下濃度氫氣混合，在有氫氣存在的環(huán)境下測量甲烷受影響,在原有基礎上甲烷濃度均有增大，在沒有氫氣的環(huán)境下，催化甲烷傳感器可以自行恢復；甲烷氣體與5ppm濃度硫化氫混合，催化甲烷傳感器性能受影響小，靈敏度下降，當硫化氫濃度增大到10ppm，靈敏度下降的更多。

此分析結果為后續(xù)礦井下催化甲烷環(huán)境問題分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)與理論基礎，后續(xù)會根據(jù)實際應用場景的需求進行測試項目和內容延伸。