在中國(guó)90年代,限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件比較落后,奧氏氣體分析方法曾經(jīng)在我國(guó)的農(nóng)村沼氣技術(shù)服務(wù)中發(fā)揮了重要作用。然而,其暴露的問題也較多,比如:1.需要采集具有代表性的氣體,且不能現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析；2.每年都需要購(gòu)置化學(xué)試劑,耗材費(fèi)用較大；3.人員需要培訓(xùn),分析測(cè)試勞動(dòng)強(qiáng)度較大；4.受人為因素影響較大,不同操作人員或者不同的操作方法,測(cè)試結(jié)果也有可能不同。
此外,在農(nóng)村沼氣服務(wù)體系中,奧氏氣體分析的原理是在假設(shè)[CH4]+[CO2]=的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,如果沼氣中含有CH4，CO2以外的氣體成分,如空氣, N2等,測(cè)量結(jié)果將會(huì)不準(zhǔn)確。目前增加的H2S檢測(cè)功能其他儀器也可以配置,并非其*功能。因此奧氏氣體分析裝置在我國(guó)當(dāng)前的沼氣服務(wù)體系中普及具有很大的難度。
熱導(dǎo)元件甲烷檢測(cè)儀的誕生是我國(guó)針對(duì)煤礦瓦斯抽放系統(tǒng)監(jiān)控要求而開發(fā)的一款儀器。針對(duì)此類儀器,我國(guó)煤炭部門1997年曾經(jīng)制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過修改后成為《AQ 6204 - 2006瓦斯抽放用熱導(dǎo)元件甲烷檢測(cè)儀標(biāo)準(zhǔn)》。煤礦瓦斯抽排氣中除CH4外其他物質(zhì)主要是空氣。因此在標(biāo)定時(shí)往往采用空氣與甲烷進(jìn)行混合得到不同的瓦斯?jié)舛取?/div>
由于煤礦瓦斯?jié)舛雀?與沼氣產(chǎn)生的工況和成份存在較大的差異,將煤礦高濃度瓦斯熱導(dǎo)元件檢測(cè)技術(shù)引入到沼氣檢測(cè)會(huì)面臨如下問題。
沼氣成分中除了CH4以外,主要是CO2 ,也就是假設(shè)[CH4]+[CO2]濃度之和為 ,所以標(biāo)定儀器時(shí)需要采用CH4與CO2的混合氣體；
通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,熱導(dǎo)元件甲烷檢測(cè)儀*通入空氣時(shí),其CH4濃度顯示結(jié)果就達(dá)到15%左右。由于熱導(dǎo)元件甲烷檢測(cè)儀是通過氣體導(dǎo)熱系數(shù)的差異性測(cè)量氣體濃度的,而熱導(dǎo)元件檢測(cè)儀根本無法分辨出被測(cè)氣體的確切成分。因此熱導(dǎo)元件甲烷檢測(cè)儀只有確保儀器通入的是[CH4]+[CO2]=的沼氣時(shí),才能確保CH4數(shù)據(jù)的測(cè)量準(zhǔn)確性,如果沼氣氣體中每混入1%的空氣(或者N2) ,就相當(dāng)于混入了1%的含有[CH4]=15% ,[CO2]=85%的沼氣。由此可見,在測(cè)量未知?dú)怏w時(shí),很難確保CH4，CO2測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
在使用熱導(dǎo)元件甲烷檢測(cè)儀時(shí),一定要將傳感器接觸的空氣*置換成沼氣后才能夠準(zhǔn)確測(cè)試CH4的含量。此外對(duì)于一些才開始啟動(dòng)、或者長(zhǎng)期不產(chǎn)氣的沼氣池,由于沼氣中混有空氣,或者沼氣成分中含有N2，H2(沼氣池酸化)等。由于存在這些造成干擾的背景氣體, CH4測(cè)量的誤差較大。
沼氣與煤礦高濃度瓦斯相比,含有大量的H2S氣體。從原理上看,沼氣與傳感器直接接觸,這樣容易導(dǎo)致傳感器核心部件腐蝕,造成傳感器壽命大大縮短。從熱導(dǎo)元件傳感器原理上講,傳感器是根據(jù)氣體經(jīng)過所帶走的熱量來確定氣體成分的濃度,因此,環(huán)境溫度的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。綜上所言,熱導(dǎo)元件甲烷檢測(cè)儀在沼氣領(lǐng)域應(yīng)用還需要考慮更多的問題,才能更好地服務(wù)于農(nóng)村沼氣服務(wù)體系建設(shè)。
3．3紅外光譜甲烷檢測(cè)適應(yīng)性分析
紅外光譜甲烷檢測(cè)方法是zui近發(fā)展的一種新技術(shù)。以往紅外光譜氣體分析方法是采用復(fù)雜的機(jī)械調(diào)制光源以及微音器技術(shù),儀器龐大、功耗高、價(jià)格十分昂貴。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,上紅外探測(cè)器的價(jià)格成級(jí)數(shù)下跌,為新型紅外氣體分析技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇。通過采用雙元紅外探測(cè)器配合電調(diào)制紅外技術(shù),可以采用兩個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣中的CH4和CO2的同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量。
與其他甲烷檢測(cè)方法相比,紅外測(cè)量方法具有如下特點(diǎn)。
(1)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CH4和CO2的獨(dú)立測(cè)量。由于采用了CH4和CO2的特征波長(zhǎng),因此空氣中的N2，O2以及沼氣中的H2對(duì)CH4和CO2的測(cè)量沒有影響；
(2)紅外光譜檢測(cè)方法采用非接觸測(cè)量,沼氣中的H2S對(duì)紅外傳感器的性能、壽命沒有任何影響。增加一個(gè)H2S傳感器,還能夠同時(shí)測(cè)量沼氣中H2S的濃度；
(3)甲烷的測(cè)量精度能夠達(dá)到2% ,采用高精度的紅外檢測(cè)器,能夠?qū)崿F(xiàn)沼氣成分的準(zhǔn)確測(cè)量；
(4)紅外光譜甲烷檢測(cè)方法能夠測(cè)量沼氣中高濃度甲烷氣體的同時(shí),也具備沼氣泄露的甲烷檢測(cè)功能。甲烷的低爆炸極限LEL是5%,通常當(dāng)空氣中的CH4超過1%時(shí)就要求報(bào)警。傳統(tǒng)的奧氏氣體分析方法精度太低,很難檢測(cè)準(zhǔn)確1%以下的CH4。熱導(dǎo)元件檢測(cè)方法受原理所限,只能用于常量分析,5%以下濃度本身不適合用熱導(dǎo)分析。如本文第3.2節(jié)所述,在空氣中即使沒有甲烷存在時(shí)顯示值也超過15% ,因此都不能用于沼氣的泄露報(bào)警檢測(cè)。
對(duì)于甲烷泄露報(bào)警監(jiān)測(cè),zui早在我國(guó)煤礦安全領(lǐng)域中使用zui為普遍,通常的方法是熱催化方法以及紅外光譜方法,其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為《AQ 6203 - 2006煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器》和《AQ 6211-2008 煤礦用非色散紅外甲烷傳感器》。熱催化傳感器可以準(zhǔn)確地檢測(cè)低濃度的CH4 ,但是無法進(jìn)行高濃度甲烷的測(cè)量(當(dāng)甲烷濃度高于5%時(shí),為保障傳感器不受高溫影響而受損壞,傳感器電源需要關(guān)閉來進(jìn)行保護(hù)) ,而高濃度的沼氣泄露在農(nóng)村沼氣應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生。此外由于沼氣中含有大量的H2S,會(huì)對(duì)熱催化元件造成致命的損壞,大大降低熱催化傳感器的壽命。紅外光譜甲烷檢測(cè)方法分辨率高,能夠同時(shí)滿足高濃度甲烷和低濃度甲烷的檢測(cè)要求,因此在甲烷泄漏報(bào)警領(lǐng)域?qū)⒅饾u取代熱催化方法。
需要注意的是,由于采用光學(xué)測(cè)量,液態(tài)的水分以及粉塵會(huì)對(duì)紅外測(cè)量信號(hào)造成干擾,為保證檢測(cè)儀器正常工作,氣體進(jìn)入檢測(cè)儀之前需要通過一個(gè)特殊的過濾裝置將粉塵以及沼氣中的液態(tài)水過濾。儀器使用完畢,將過濾裝置清洗后可以重復(fù)使用,開啟氣泵抽取空氣可自動(dòng)清洗傳感器管路。
