热催化可燃气体检测仪在不同环境下的性能探究

刘伟，李静，郭绪强，杨兰英，陈波，闫振宇



热催化可燃气体检测仪在不同环境下的性能探究

刘伟，李静，郭绪强，杨兰英，陈波，闫振宇

（中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京102249）

针对热催化式可燃气体检测仪的工作准确性及可靠性进行了研究，通过相同测试条件下热催化可燃气体检测仪示数和色谱分析可燃气体的浓度对比值，验证热催化式可燃气体检测仪数值的准确性。并且通过改变不同的检测条件，探究热催化式可燃气体检测仪的适用条件。实验结果证明热催化式可燃气体检测仪可以用于定性检测实际过程，并提出其在使用过程中的注意事项。

气体检测仪；可燃性气体；检测；准确性

随着工业化进程的不断加速发展，工业事故也已成为人们不得不面对和处理的问题。1984年12月，印度博帕尔的联合碳化公司毒气泄漏事件更是敲响了人们的警钟[1]。国际劳工组于1985年6月召开了国际劳工大会并通过了一项有关因使用危险物质所带来风险和事故的预防措施决议，并于1988年和1990年相继出版了重大危险控制手册和重大工业事故预防实用规程。1993年更是通过了第174号预防重大工业事故公约，目的是预防重大事故发生和减轻重大事故后果[2]。进入21世纪，中国进入现代工业高度发展的时期，于此同时也面临着一系列突发性的工业事故。2004年重庆天原化工总厂“4·16”特大氯气泄漏事故[3]和2005年中国石油吉化双苯厂“11.13”爆炸火灾事故[4]都使人们付出了惨痛的代价。这些事故都涉及了易燃、易爆或有毒物质的重大泄漏，事故隐患多潜藏在危险物质储存的过程中，特别是在化工厂、炼油厂、加油站等众多具有可燃性气体存在泄漏危险的作业环境中。在这些特殊的环境里，若不能及时发现泄露的可燃性气体，将导致其浓度不断增加，甚至可能达到爆炸极限，引发火灾和爆炸等恶性事故，不仅给工厂内的员工造成人身伤害，而且也使周边民众遭受严重威胁[5]。

随着国家在健康、安全、环保方面法律法规的健全，以及人们安全意识的加强，可燃气体探测器的用量大幅提升。为了尽量减少甚至避免这些恶性事故的发生，工厂员工除了要加强操作安全防范意识，也需要选用可靠和准确的安全检测报警仪器，对作业环境中可燃性气体的浓度进行实时监控，避免事故的发生和加剧。目前，热催化式可燃气体检测仪是各种危险作业场所常用的可燃气体探测装置之一。它作为气体报警系统中获取基础数据的现场变送器，其运行的可靠性和适用范围至关重要[6]。

本文将通过对比实验对常用的热催化式可燃气体检测仪进行数据的准确性和可靠性进行验证，为进一步提高监测质量提供依据。

1 实验部分

1.1 热催化式可燃气体检测仪检测原理

热催化式可燃气体检测仪是通过检测可燃气体在催化元件上的无焰燃烧热值来检测可燃气体的含量。当可燃气体在通过具有催化性能的检测元件时，迅速产生低温无焰燃烧并且产生燃烧热量，燃烧热使热敏原件的电阻值增大，使原电桥失去平衡，此时电桥会输出一个变化的电压信号，再经过电压电流转换电路，最后将电流信号输出给数据显示器。这个过程中，浓度与温度呈现一定的线性关系，并且温度与电信号也呈现一定的线性关系，所以就可以通过电信号来转化出浓度的数值，达到测量可燃性气体浓度的目的[7]。

1.2 实验设备和样品

某热催化式可燃气体检测仪、气相色谱仪（Agilent 7890A GC）、密封探测气袋（容积40L）、标准甲烷气体（甲烷浓度2%，氮气98%）、标准丙烷气体（丙烷浓度2%，氮气98%）、标准甲烷气体（甲烷浓度99.9%）、标准丙烷气体（丙烷浓度99.9%）、气筒、气体注射器、抽气泵、导气管若干。

1.3 实验方法和数据处理

通过对比同一检测条件下，热催化式可燃气体检测仪测定的检测值与气相色谱分析得到的气体组成，验证热催化式可燃气体检测仪的数值的准确性。同时通过改变不同的检测条件，探究热催化式可燃气体检测仪的适用条件。

1.3.1 实验装置

实验装置如图1所示。将检测气体通入透明气袋内，模拟气体检测实验环境，并将检测仪也放置在透明气袋内。通过透明气袋可直接读取检测仪示数。阀门4用于控制气袋内存放气体的量。阀门5和6用于抽真空、气体排放、气体采集（供气相色谱分析浓度使用）。

图1 气体检测实验装置

1.3.2 实验步骤

（1）打开阀门5和6，用真空泵将将气袋进行吹扫。

（2）关闭阀门5和6，打开阀门4，注入指定的标准气体。打开阀门5和6，用真空泵将将气袋进行吹扫。

（3）待检测器度数恒定后，记录数据。同时打开阀门6，抽取检测室中的待测气体，用气相色谱分析其组成。

（4）更换气体，重复步骤（1）-（3）。

（5）数据处理并计算相对误差。

1.3.3 相对误差的计算公式

式中：1—热催化检测仪所测浓度，mL/mL；

2—色谱仪检测浓度，mL/mL。

2 数据结果及分析

2.1 单一气体组成的测定结果

2.1.1 单一甲烷气检测

表1中实验数据6-7是在缺氧的条件下测得的，可以发现，此时检测仪示数均显示超量程，不能准确测得可燃气含量。该检测仪是通过催化燃烧反应产生的热量来计算环境中可燃气体的总量，所以当氧气浓度较低时，催化反应难以正常进行，从而导致检测仪不能正确表示可燃气含量，此时检测仪不能正常工作。从实验数据1可以看出，检测仪示数与色谱分析值相对误差大于1，原因是实验开始时检测仪稳定时间不够长，未达到检测所需的平衡时间。因此在实际检测过程中，必须将检测仪在待检测环境中稳定足够长的时间，以确保检测值的准确性。

表1 单一甲烷气检测结果

注：甲烷（VOL）,%、氧气（VOL）,%、可燃气（VOL）,%均为色谱分析结果；“-”为无。

图2 单一甲烷气检测结果

图2是根据表1中检测仪示数和色谱分析甲烷浓度做的一个散点图，从图中我们可以看到，检测仪的示数和检测环境中甲烷的浓度正相关，但是检测仪的示数小于色谱分析值。随着甲烷浓度的增加，检测仪示数与色谱分析的甲烷浓度值的偏差值逐渐增大。

2.1.2 单一丙烷气检测

表2中实验数据8-10是在缺氧的条件下测得的。

表2 单一丙烷气检测结果

注：丙烷（VOL%）、氧气（VOL%）、可燃气（VOL%）均为色谱分析结果；“-”为无。

可以发现，此时检测仪示数同样显示超量程，不能准确测得可燃气含量。进一步证明，在氧气浓度较低时，检测仪会因为催化燃烧反应不能正常进行而无法正常工作。此外在实验过程中发现，在可燃气存在的环境中将检测仪关机重启后，会导致实验检测值远低于实际环境中可燃气的含量，以实验数据11为例，实际环境中丙烷的含量为2.8542,%(VOL)，而检测仪的示数仅为0.07,%(VOL)，其相对误差也远超实验数据1-7。说明当检测仪在可燃气环境中关机重启时，其数值会小于实际含量，如果在现实生活使用过程中没有注意到这点，会使人放松警惕，甚至发生重大事故。

图3中将相同环境下，检测仪示数和色谱分析丙烷浓度做了散点图，从图中可以看到，在总体趋势上，检测仪示数与丙烷浓度正相关，在一定程度上能反映可燃气浓度的变化，但是其偏差值较大。当丙烷浓度增加时，检测仪显示数值与对角线的偏差增大，相对误差也出现增大趋势，且其小于色谱分析可燃气的浓度。

图3 单一丙烷气检测结果

2.2 混合可燃气组成的测定结果

为了进一步验证热催化式可燃气体检测仪工作的准确度，我们将不同甲烷和丙烷的标气以任意比例混合得到不同浓度混合可燃气，来模拟实际生产过程中的待检测环境。通过对比色谱分析结果和检测仪的结果，获得了如表3中的实验结果。

表3 甲烷和丙烷混合气检测结果

注：甲烷（VOL）,%; 丙烷（VOL）,%; 氧气（VOL）,%; 可燃气（VOL）,%均为色谱分析结果。

表3中实验数据7-8再次说明，将检测仪在可燃混合气存在的环境中关机重启，检测仪示数会出现极小示数的情况，证明了在检测过程中关闭并再开启检测仪对显示示数影响较大。在实际使用过程中，应该将检测仪提前打开，且检测过程中不要重复开机关机。如果在现实生活使用过程中没有注意到这点，会使人放松警惕，甚至发生重大事故。

图4的结果和图2、图3类似，可以看出检测仪的示数值会随着检测环境中可燃气的浓度增加，几乎呈现正相关关系。但与单一可燃气的检测结果相比较，混合可燃气检测仪示数偏离对角线的程度进一步增大，与色谱分析结果的偏差值大幅度增大，同时随着混合可燃气浓度的增加，相对误差也同时进一步增加。由此我们可以看出，在精准度要求不高的工作场合中，热催化式可燃气体检测仪可以定性地测量环境中的可燃气的含量。但在可燃气浓度较高的环境中，热催化式可燃气检测仪并不适用。

图4 甲烷和丙烷混合气检测结果

3 结论与分析

热催化检测仪的原理是利用可燃气经催化反应后释放出来的热量来估算可燃气的含量，其示数值受测得热量影响很大，当检测仪在缺氧状态下时，催化反应缺氧无法发生或反应不足，会导致热值变化不正常，此时则无法得到正确的结果。此外，探头处于开放环境中，所测得热量值变化受环境影响大，热量损失不可忽略且不能确定，所以出现数值不精确的现象也是可以解释的。结合本实验结果可得出如下结论。

（1）热催化检测仪在测定可燃气组成时，其显示值能够定性地表示待测环境中可燃气含量，但是受环境影响大，而且从原理上来看，热量变化多少不能直接表示可燃气含量多少。从实验数据上看，无论检测单一可燃气体还是混合可燃气，其结果与色谱值相比有很大的误差，并且其示数值基本上都小于色谱值，所以该检测仪测得示数值不能定量测定可燃气含量，也不能在实际工作中应用为定量标准设备。

（2）热催化检测仪需要在正常流通空气环境下使用，无氧条件下无法正常工作。在缺氧条件下的实验结果表明，热催化检测仪置于缺氧的条件下会显示超量程而导致无法检测。这一结论与热催化原理是一致的，即检测可燃气体浓度，是在氧气环境下，被测量的可燃气体在该仪器测试舱“燃烧”时，获取的可燃气体的浓度，由此推断在贫氧环境下，该仪器测量气体浓度也不准确。

（3）热催化检测仪在测定可燃气过程中，关机重启后，其示数值会远小于实际可燃气含量数值。这种情况在实际工作中，需要十分注意。如果操作不当，意外出现这种情况，会使工作人员放松警惕，甚至可能造成重大事故。

［1］王立德.直面灾难:美国鉴于印度博帕尔毒气泄漏事件采取的化学品事故应对措施[J].世界环境，2006(1):24-26.

［2］朱常有.重大工业事故预防——国际劳工组织第174号公约和欧盟经[C]. 海峡两岸及香港、澳门地区职业安全健康学术研讨会暨中国职业安全健康协会2006年学术年会,2006.

［3］李志坚,任小君,陈山,等.“我们必须再一次做好牺牲的准备”——重庆天原化工总厂“4·16”特大氯气泄漏事故消防抢险纪实[J].消防与生活，2004(1):27-29.

［4］冯振民.吉化公司爆炸事故中应急预案的经验与教训[J].劳动保护，2006(2):54-55.

［5］陈莲生.可燃气体探测器及其设置安装要领[J].石油工程建设，1996(1)：1-3．

［6］陆国平.可燃气体和有毒气体监控系统的发展趋势[J].石油化工自动化，2005，41(6):17-20.

［7］GB 50493-2009.石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].北京：中国计划出版社，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

刘伟（1991-），男，山西省人，硕士研究生，研究方向：流体相平衡。E-mail：18810557521@163.com。

郭绪强（1963-），男，教授，博士，研究方向：流体相平衡。E-mail：guoxq@cup.edu.cn。