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乙炔場所的可燃氣體探測器選型及安裝使用的對策

時間:2019年08月19日信息來源:本站原創 點擊: 【字體:

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分析了乙炔氣體的火災爆炸危險性, 結合國內乙炔可燃氣體探測器使用現狀, 通過乙炔氣體探測的各種常用傳感器優缺點的對比, 提出乙炔場所的可燃氣體探測器選型及安裝使用的對策。
乙炔氣是工業生產的重要原料, 廣泛應用于焊接切割作業上, 同時也廣泛應用于化工行業, 如合成樹脂、合成橡膠、合成纖維和有機溶劑等。但乙炔的化學性質極為活潑, 能與許多物質發生化學反應, 衍生出上千種有機化合物。乙炔的生產、儲存和使用屬于甲類火災危險性類別, 火災危險性大, 因此防火防爆問題十分重要。
目前, 雖然在一些乙炔的生產、充裝和儲存站 (場) 都設置了一些探測乙炔的可燃氣體探測器, 但從近幾年消防檢查情況看, 設備的運行狀況不是很理想。本文全面分析了乙炔氣體探測的火災爆炸危險性、乙炔可燃氣體探測器在使用過程存在的主要問題, 通過對比幾類乙炔氣體探測常用傳感器優缺點, 探討乙炔可燃氣體探測器的選型及安裝使用問題。

1 乙炔的火災爆炸危險性

乙炔又名電石氣, 分子式C2H2, 分子量26.04。純乙炔是無色無味的氣體, 工業用的乙炔因含有硫化氫 (H2S) 和磷化氫 (PH3) 等雜質, 故具有特殊的刺激性臭味和一定毒性。乙炔微溶于水, 能溶于苯、汽油, 易溶于丙酮 (C3H6O) 。由于乙炔具有碳碳叁鍵化學結構, 化學性質非常活潑, 能發生聚合、分解、加成、取代等反應, 所以容易發生火災爆炸。乙炔氣體的火災爆炸危險性:
(1) 爆炸極限范圍寬。乙炔的爆炸極限很寬, 在空氣中的爆炸極限為2.5%~100%, 是各類危險品中爆炸極限最寬的一種。
(2) 點火能量低。乙炔的點火能量在各級危險物品中也是最小的, 在常壓下其濃度為7.73%時, 乙炔與空氣的混合氣體, 最小點火能量是0.02 m J;乙炔與氧氣的混合氣體, 最小點火能量只有0.000 3 m J。
(3) 與空氣混合物的自燃點比較低。乙炔的自燃點隨著濃度和壓力的變化而變化, 乙炔的濃度越高, 壓力越大, 自燃點越低。
(4) 生成危險性金屬炔化物。乙炔與多種金屬接觸能生成危險的金屬炔化物, 如乙炔和固體的銀接觸后, 在銀的表面會生成乙炔銀, 乙炔銀具有炸藥的全部特性, 在金屬炔化物中, 它的爆炸威力最大;乙炔和固體的銅長期接觸也會生成極易爆炸的乙炔銅。

2 乙炔可燃氣體探測器在使用中存在的主要問題

目前在乙炔生產場所、充裝和儲存站 (場) 的氣體探測器主要存在失效快、測量值不穩定和對乙炔氣體無反應等主要問題。
(1) 現場的乙炔可燃氣體探測器失效快。根據現場檢查和用戶反應, 安裝在現場的乙炔可燃氣體探測器失效很快, 一般安裝后一二個月就失效了。
(2) 現場的乙炔可燃氣體探測器測量誤差大。安裝在現場的乙炔可燃氣體探測器對乙炔氣體探測的測量值不穩定、誤差大, 無法正常使用。
(3) 對其他氣體運行正常, 對乙炔氣體沒有反應。現場安裝的乙炔可燃氣體探測器, 使用甲烷氣進行測試時, 運行正常, 使用乙炔氣標準氣進行測試沒有反應。

3 乙炔氣體探測的常用傳感器對比

乙炔氣體濃度探測的傳感器主要有催化燃燒傳感器、半導體傳感器、紅外NDIR傳感器、紅外光聲傳感器、電化學傳感器、氣相色譜傳感技術等, 由于應用場所、精度和成本等因素, 目前乙炔可燃氣體探測器主要選用催化燃燒傳感器、半導體傳感器和紅外NDIR傳感器, 下面對這三類傳感器在乙炔氣體探測中的優缺點進行對比。

3.1 催化燃燒傳感器

催化燃燒傳感器由檢測元件和補償元件構成。檢測元件是由鉑絲繞制成線圈, 在線圈外涂由氧化鋁-氧化硅組成的膏狀涂覆層, 一定溫度下燒結成球狀多孔體, 將燒結后的小球浸漬貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液, 再高溫處理, 使在氧化物載體上形成貴金屬催化層, 最后封裝成元件;補償元件和檢測元件的區別是沒有催化層。
當可燃氣體 (如甲烷、乙炔等) 在檢測元件表面無焰催化燃燒, 燃燒熱使檢測元件的鉑絲溫度升高, 電阻值相應增大, 其發熱量與可燃氣體的濃度成正比。空氣中可燃氣體的濃度越大, 燃燒產生的燃燒熱越多, 鉑絲的溫度增高越大, 其電阻值增加的越多。只要測定檢測元件鉑絲的電阻變化值, 就可檢測空氣中可燃氣體的濃度。
現有技術的催化燃燒型氣體傳感器工作原理如圖1所示:檢測元件和補償元件串聯, 和外圍電路構成惠斯通電橋。
乙炔場所的可燃氣體探測器選型及安裝使用的對策 
圖1 催化燃燒氣體傳感器惠斯通電橋工作原理   下載原圖
根據所用的催化劑等配方不同, 又細分為抗中毒型催化傳感器、普通型催化傳感器, 抗中毒催化傳感器表面有抗中毒的多孔涂層, 在遇到乙炔氣產生的積碳時, 由于多孔涂層不易被積碳所覆蓋, 不會很快失效。普通型催化傳感器沒有抗中毒涂層, 遇到乙炔氣體后, 產生積碳, 很快失效。
由于催化劑和氣體吸附機理不同, 有些催化傳感器對甲烷有反應, 對乙炔氣體沒有任何反應。

3.2 電阻式半導體傳感器

將金屬半導體氧化物材料 (MOS) 做成多孔燒結體或涂層, 在一定條件 (溫度) 下, 被測氣體到達半導體表面, 與吸附在半導體表面的氧, 發生化學反應的過程中伴隨電荷轉移, 引起半導體電阻的變化, 通過測量半導體電阻的變化實現對氣體的檢測。吸附氧在氣敏材料表面被氧化為O2 (ad) , O- (ad) , O2- (ad) 三種吸附態, 如圖2所示。
常見結構有直熱式 (又稱內熱式) 和旁熱式, 傳感器由基體材料 (敏感材料燒結體) , 加熱絲和測量電極組成。這種傳感器探測乙炔時, 線型度很差, 容易休眠, 易受環境溫度、濕度的影響, 測量的準確性很差。
乙炔場所的可燃氣體探測器選型及安裝使用的對策 
圖2 在氣敏材料表面被氧化的三種吸附氧形態   下載原圖

3.3 紅外NDIR傳感器

紅外非色散紅外傳感器 (Non-Dispersive InfraRed, NDIR) , 基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性, 利用氣體濃度與吸收強度關系 (朗伯-比爾Lambert-Beer定律) 鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置, 由紅外光源、光源調制驅動器、充氣濾波氣室 (或者光學濾波窗) 、測量氣室和探測器組成。其原理如圖3所示。
乙炔場所的可燃氣體探測器選型及安裝使用的對策 
圖3 NDIR氣體傳感器原理圖   下載原圖
紅外NDIR乙炔傳感器可以測量乙炔氣體濃度, 而且不會產生積碳中毒, 缺點是成本高, 易受環境溫度、濕度影響。易受灰塵影響, 由于乙炔生產場所、乙炔充裝和存儲場所通常是半開放空間, 這樣, 紅外NDIR乙炔傳感器經常會出現漂移的情況。

4 乙炔可燃氣體探測器的選用和安裝使用

通過上述乙炔探測技術分析, 根據國內一些乙炔充裝儲存站的統計資料, 目前乙炔場所氣體探測器存在的主要問題是由于選用的傳感器不適合造成的, 大部分選用普通催化燃燒傳感器和半導體傳感器。普通催化傳感器有些對乙炔氣體沒有反應, 有些接觸了乙炔氣體后, 傳感器敏感元件上產生積碳, 造成傳感器失效, 從而導致探測器的失效。半導體傳感器探測乙炔氣體的線性度很差, 量程小, 會有休眠情況, 易受溫度和濕度影響, 選用半導體傳感器測量乙炔的氣體探測器在實際應用中主要表現在測量值偏差大、重復性差、溫濕度變化時測量值偏差大, 這些問題導致不能真實反映乙炔氣體的泄露情況, 存在不報或誤報的可能。
綜上所述, 建議在乙炔生產、充裝和存儲等場所選用、測試和使用可燃氣體探測器時, 應把握以下幾點:
(1) 乙炔可燃氣體探測器的設計要滿足GB50493-2013《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》的要求。
(2) 選用抗中毒催化傳感器或紅外NDIR傳感器, 如沿海濕度大的區域, 首選抗中毒催化傳感器。
(3) 測量乙炔的可燃氣體探測器量程為0~100%LEL (乙炔LEL=2.5%VOL) , 主要測量范圍為10%LEL~60%LEL
(4) 測量乙炔的可燃氣體探測器防爆等級應不低于ExdⅡCT2。
(5) 探測器安裝后, 驗收測試標準氣建議選用30%LEL或60%LEL的乙炔標準氣進行測試, 不得使用甲烷等其它可燃氣替代乙炔氣體。
(6) 由于乙炔氣的積碳等影響, 探測器零點易受到影響, 出現零點不穩定等現象, 使用單位需每半年進行標定和校準。

 

 
(作者:索富通 編輯:索富通)
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