甲烷检测仪在沼气服务综合体系中的应用.doc

甲烷检测仪在沼气服务体系中应用
摘　要:本文对比总结了沼气成份中甲烷三种关键检测方法:奥氏气体分析法、热导元件检测法、红外光谱检测法,分析了三种方法特点及其在中国农村沼气服务体系中适应性。奥氏气体分析法因为不能实现自动化,极难在农村沼气技术服务体系中推广；热导甲烷检测法原理简单,不过存在精度低、标定困难、寿命短等问题,对于含有空气,N2，H2等成份沼气测量误差很大；红外光谱检测法能够独立监测CH4和CO2,精度高、寿命长,可用于沼气中高浓度甲烷检测,也可用于沼气泄漏中低浓度甲烷报警。
1　 序言
依据全国农村沼气工程建设计划要求,到底,全国用户沼气总数达成4000万户左右。从中国沼气技术发展“三起三落”来看,沼气技术服务体系对于农村沼气事业发展至关关键,各级政府充足认识到了加强沼气服务体系建设关键性和紧迫性。国家发改委和农业部已经将沼气技术服务体系建立纳入政府关键支持领域优先发展,其中沼气检测仪器是各级政府关键支持购置设备。从开始, 甲烷检测仪等设备已经成为中国沼气服务体系能力建设基础配置。然而农村能源部门,尤其是一线沼气技术服务队伍,对甲烷检测仪用途是什么,不一样甲烷检测仪器原理、优缺点、使用方法和怎样选择适宜甲烷检测仪还不是十分了解。本文将从甲烷检测仪工作原理出发,探讨各类仪器在农村沼气服务体系建设中适用性。
2 甲烷检测方法
　　在沼气检测领域,沼气成份中甲烷检测方法关键有:奥氏气体分析方法、热导元件检测方法和红外光谱检测方法,下文将介绍多种检测方法工作原理。
2．1奥氏气体分析方法
传统奥氏气体分析方法工作原理是:取定量气体,通常为100mL,经过气体吸收后体积改变来测出CH4,CO2含量。通常是采取氢氧化钠溶液吸收CO2；以焦性没食子酸碱性溶液吸收O2；爆炸燃烧法后采取吸收法测量CH4。现在传统奥氏气体分析方法在沼气成份检测中极少用。针对农村沼气服务体系特定应用,通常采取检测管法,该方法操作更简便,常见检测管有硫化氢、氧气、二氧化碳、一氧化碳等,但没有直接测试甲烷检测管,甲烷含量是经过计算所得,即100%-[CO2]-[空气][H2S]-[CO]等,所以存在一定误差。
图1为常见奥式气体装置2．2热导元件检测方法

　　如表1所表示,不一样气体导热系数存在差异,热导元件检测方法就是依据气体这一特征,来确定气体体积浓度。沼气关键成份是CH4和CO2 ,被测沼气导热系数由CH4和CO2共同决定。对于相互之间无相互作用多组分气体,其导热系数可近似地认为是各组分导热系数按含量加权平均值。

所以,依据沼气导热系数和各组分导热系数之间关系,就能够实现沼气多组分气体含量分析。热导元件检测方法传感器结构图2所表示。
图2　热导元件检测方法传感器结构

2．3红外光谱检测方法
异种原子组成分子在红外线波长区域含有吸收光谱,其吸收强度遵照郎伯—比尔定律。当对应某一气体特征吸收波长光波经过被测气体时,其强度将显著减弱,强度衰减程度和该气体浓度相关,二者之间关系遵守朗伯—比尔定律。沼气成份中CH4，CO2对红外光吸收光谱图3所表示,其关键吸收峰波长为3.4μm, 4.26μm。
所以经过检测红外光吸收率改变能够得到沼气中CH4，CO2体积浓度。现在,红外光谱检测方法已经成为国际上开展沼气研究和沼气发酵过程检测标准仪器。图4为红外光谱检测传感器结构。

3　 不一样方法甲烷检测仪适应性分析
　　现在,甲烷检测仪已经在中国沼气服务体系中广泛推广,不过不一样部门、单位对甲烷检测仪用途了解不一样。有些部门关键侧重沼气成份检测,判定沼气池发酵状态,确定沼气灶打不着火原因；有些部门用于沼气池、沼气管网泄露检测。从沼气成份检测功效上讲,奥氏气体分析方法、热导元件检测方法,红外光谱检测方法全部能够使用。以下对这三种不一样检测方法在农村沼气成份检测中适应性进行分析。
3．1奥氏方法甲烷检测适应性分析
在中国90年代,限于当初技术条件比较落后,奥氏气体分析方法曾经在中国农村沼气技术服务中发挥了关键作用。然而,其暴露问题也较多,比如:1.需要采集含有代表性气体,且不能现场实时分析；2.每十二个月全部需要购置化学试剂,耗材费用较大；3.人员需要培训,分析测试劳动强度较大；4.受人为原因影响较大,不一样操作人员或不一样操作方法,测试结果也有可能不一样。
另外,在农村沼气服务体系中,奥氏气体分析原理是在假设[CH4]+[CO2]=100%基础上进行,假如沼气中含有CH4，CO2以外气体成份,如空气, N2等,测量结果将会不正确。现在增加H2S检测功效其它仪器也能够配置,并非其特有功效。所以奥氏气体分析装置在中国目前沼气服务体系中普及含有很大难度。
3．2热导元件甲烷检测适应性分析
热导元件甲烷检测仪诞生是中国针对煤矿瓦斯抽放系统监控要求而开发一款专用仪器。针对这类仪器,中国煤炭部门1997年曾经制订了相关技术标准,经过修改后成为《AQ 6204 - 瓦斯抽放用热导元件甲烷检测仪标准》。煤矿瓦斯抽排气中除CH4外其它物质关键是空气。所以在标定时往往采取空气和甲烷进行混合得到不一样瓦斯浓度。
因为煤矿瓦斯浓度高,和沼气产生工况和成份存在较大差异,将煤矿高浓度瓦斯热导元件检测技术引入到沼气检测见面临以下问题。
沼气成份中除了CH4以外,关键是CO2 ,也就是假设[CH4]+[CO2]浓度之和为100% ,所以标定仪器时需要采取CH4和CO2混合气体；
经过试验结果显示,热导元件甲烷检测仪完全通入空气时,其CH4浓度显示结果就达成15%左右。因为热导元件甲烷检测仪是经过气体导热系数差异性测量气体浓度,而热导元件检测仪根本无法分辨出被测气体确实切成份。所以热导元件甲烷检测仪只有确保仪器通入是[CH4]+[CO2]=100%沼气时,才能确保CH4数据测量正确性,假如沼气气体中每混入1%空气(或N2) ,就相当于混入了1%含有[CH4]=15% ,[CO2]=85%沼气。由此可见,在测量未知气体时,极难确保CH4，CO2测量结果正确性。
在使用热导元件甲烷检测仪时,一定要将传感器接触空气完全置换成沼气后才能够正确测试CH4含量。另外对于部分才开始开启、或长久不产气沼气池,因为沼气中混有空气,或沼气成份中含有N2，H2(沼气池酸化)等。因为存在这些造成干扰背景气体, CH4测量误差较大。
沼气和煤矿高浓度瓦斯相比,含有大量H2S气体。从原理上看,沼气和传感器直接接触,这么轻易造成传感器关键部件腐蚀,造成传感器寿命大大缩短。从热导元件传感器原理上讲,传感器是依据气体经过所带走热量来确定气体成份浓度,所以,环境温度改变对测量结果影响较大。综上所言,热导元件甲烷检测仪在沼气领域应用还需要考虑更多问题,才能愈加好地服务于农村沼气服务体系建设。
3．3红外光谱甲烷检测适应性分析
红外光谱甲烷检测方法是最近发展一个新技术。以往红外光谱气体分析方法是采取复杂机械调制光源和微音器技术,仪器庞大、功耗高、价格十分昂贵。伴随半导体技术发展,国际上红外探测器价格成级数下跌,为新型红外气体分析技术发展提供了机遇。经过采取双元红外探测器配合电调制红外技术,能够采取两个传感器实现对沼气中CH4和CO2同时正确测量。
和其它甲烷检测方法相比,红外测量方法含有以下特点。
(1)能够实现对CH4和CO2独立测量。因为采取了CH4和CO2特征波长,所以空气中N2，O2和沼气中H2对CH4和CO2测量没有影响；
(2)红外光谱检测方法采取非接触测量,沼气中H2S对红外传感器性能、寿命没有任何影响。增加一个H2S传感器,还能够同时测量沼气中H2S浓度；
(3)甲烷测量精度能够达成2% ,采取高精度红外检测器,能够实现沼气成份正确测量；
(4)红外光谱甲烷检测方法能够测量沼气中高浓度甲烷气体同时,也含有沼气泄露甲烷检测功效。甲烷低爆炸极限LEL是5%,通常当空气中CH4超出1%时就要求报警。传统奥氏气体分析方法精度太低,极难检测正确1%以下CH4。热导元件检测方法受原理所限,只能用于常量分析,5%以下浓度本身不适适用热导分析。如本文第3.2节所述,在空气中即使没有甲烷存在时显示值也超出15% ,所以全部不能用于沼气泄露报警检测。
对于甲烷泄露报警监测,最早在中国煤矿安全领域中使用最为普遍,通常方法是热催化方法和红外光谱方法,其对应标准为《AQ 6203 - 煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器》和《AQ 6211- 煤矿用非色散红外甲烷传感器》。热催化传感器能够正确地检测低浓度CH4 ,不过无法进行高浓度甲烷测量(当甲烷浓度高于5%时,为保障传感器不受高温影响而受损坏,传感器电源需要关闭来进行保护) ,而高浓度沼气泄露在农村沼气应用中常常发生。另外因为沼气中含有大量H2S,会对热催化元件造成致命损坏,大大降低热催化传感器寿命。红外光谱甲烷检测方法分辨率高,能够同时满足高浓度甲烷和低浓度甲烷检测要求,所以在甲烷泄漏报警领域将逐步替换热催化方法。
需要注意是,因为采取光学测量,液态水分和粉尘会对红外测量信号造成干扰,为确保检测仪器正常工作,气体进入检测仪之前需要经过一个特殊过滤装置将粉尘和沼气中液态水过滤。仪器使用完成,将过滤装置清洗后能够反复使用,开启气泵抽取空气可自动清洗传感器管路。
从原理上讲,红外光谱方法不能分析测试对称结构无极性双原子分子及单原子分子气体,比如测量沼气成份中H2S,O2，需要增加电化学检测装置。
3 对以后规范管理思索
3．1相关管理分工
多年以来,农村沼气建设在国家发展改革委员会和农业部共同领导下,在很多重大问题上取得了一致意见。不过,伴随项目审批权限下放,出现了部分管理分工上矛盾,有些省(区、市)在项目申报、论证和审批过程中,互不通气,不相协商,造成了无须要误解。提议在两部委联合下发相关文件精神基础上,应深入明确:省级农村能源主管部分负责提出项目建设任务,避免现在这种切块下达经费指标所带来种种弊端。依据国家发改委、农业部下达投资计划,由省级发展改革部门联合省级农村能源主管部门分解下达项目投资计划和建设任务,并报农业部、国家发展改革委立案。各级农村能源主管部门要做好项目组织实施工作,加强技术培训、职业技能判定、信息统计和项目验收等行业管理工作。对于大中型沼气工程和沼气服务体系建设项目,由省级农村能源主管部门负责组织项目标技术论证,提出项目计划提议,并最终由两部门会签联合下达项目计划。
3．2相关管理内容
其实,项目标管理只是农村沼气建设管理中一个组成部分,对于连续健康推进农村沼气事业,还有很多管理工作和机制需要建立健全。比如,怎样建立吸引社会资源参与农村沼气服务体系建设激励政策,怎样处理现在沼气发电上网难问题,怎样建立大中型沼气工程设计、施工和监理等方面资质管理制度,怎样建立推进沼气产业健康发展财政和税收优惠政策,怎样建立保障农村沼气安全生产和安全使用制度,怎样建立农村沼气建设项目监督管理和奖惩制度等。和此同时,还要采取有效方法,将这些管理方法、激励政策和规章制度落到实处,尤其是要建立项目标考评机制和奖惩制度对于项目实施好地域给倾斜,对于不好地域给予通报批评、降低项目投入甚至采取更为严厉“处罚”方法。不然很多单位和企业,就只是为了争取更多政府资金,为了更多政绩数字,忽略项目标建设质量、效益和风险,到头来受损失是国家财产和农民利益。这和开展农村沼气建设初衷是背道而驰。
4　 结论
本文对三种不一样甲烷检测方法进行了比较并总结以下:
测量方便性方面:热导元件检测方法和红外光谱监测方法全部能够实现自动测量,但奥氏气体分析方法需要手工操作,难以适应农村沼气服务体系；
测量精度方面: 传统奥氏气体分析方法对CH4测量精度低,检测管法不能直接测试CH4浓度,热导元件测量精度为10%左右,红外光谱甲烷检测仪精度能够达成2%以上；
使用寿命方面:奥氏气体分析需要常常更换化学试剂；热导元件检测方法因为热导元件和H2S直接接触轻易受到腐蚀,通常1～2年就需要更换传感器；而红外光谱检测方法使用过程中没有任何消耗品,使用寿命能够达成以上；
校准方面:奥氏气体分析仪器不需要校准,热导元件检测仪因为不能采取空气进行零点校准,所以在日常使用规程中极难标定。红外光谱检测仪能够使用空气进行零点自动校准,即使出现漂移也很轻易消除；
功效方面:热导元件检测方法不能用于沼气泄露检测；红外光谱检测方法既能够测量高浓度甲烷,也能够测量低浓度甲烷进行沼气泄露报警。所以在沼气服务体系建设中红外光谱甲烷检测方法仍然是优选方法。
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