本文介紹了檢測沼氣成分的五種主要方法:奧氏氣體分析法、熱催化燃燒檢測法、熱導元件檢測法、氣相色譜GC檢測法、紅外氣體分析法,分析了這五種檢測方法的特點及其在我國沼氣服務體系中的適應性,并總結了目前最適宜我國大中型沼氣工程沼氣成分監(jiān)測的分析方法。
1奧氏氣體分析法
奧氏氣體分析法是一種經典的化學式手動分析方法,該方法是利用溶液吸收法來測定CO、CO2和O2濃度,CH4和H2濃度則在爆炸燃燒法后用吸收法測定,剩余氣體為N2。目前傳統(tǒng)的奧氏氣體分析方法在沼氣成分檢測中應用較少。針對農村沼氣服務體系的特定應用,通常采用檢測管法,該方法操作更簡便,常用的檢測管有H2S、O2、CO2、CO等,但沒有直接測量CH4濃度的檢測管,CH4濃度是通過計算所得,即100%-[ CO2 ]-[空氣]-[H2S]-[ CO ]等,因此存在一定誤差。
奧氏氣體分析儀具有結構簡單、價格便宜、維修容易等優(yōu)點,常用于CO2、O2、CO、H2、烴類等氣體濃度的測定,在實驗室里應用廣泛。但該儀器長期運行成本高,僅每年購買試劑和玻璃器皿至少要1萬多元,且必須對氣體進行人工取樣,才可在實驗室內進行分析,其中分析人員的操作技能和“態(tài)度”對分析的精確度也有著較大影響。同時奧氏氣體分析儀只能對單一成分逐個進行檢測分析,不具備多重輸入和信號處理功能,分析費時,操作繁瑣,響應速度慢,效率低,難以實時在線地分析現場工況,現逐漸被全自動分析儀器替代。
2熱催化燃燒檢測方法
熱催化燃燒檢測方法是利用兩只熱催化(黑白)元件——補償元件和橋臂電阻構成惠斯頓電橋加一恒定電壓,將鉑絲加熱到500℃,當遇到空氣中的可燃氣體時,測量元件在催化劑的作用下,在元件表面發(fā)生催化反應,使得溫度升高,阻值增大,電橋輸出不平衡,以此來測定甲烷濃度。該方法是檢測甲烷泄漏最簡單、經濟的方法,在我國煤礦安全檢測領域具有廣泛應用。但載體催化元件只能檢測0~4%的甲烷濃度,當空氣中甲烷濃度超過5%后,元件會發(fā)生“激活”現象,造成永久損壞。同時檢測設備需要頻繁標定,熱催化元件的儀器使用壽命一般在1年內,精度較差(10%),而在高H2S條件下,易造成傳感器中毒甚至報廢,使用壽命大大縮短。
3熱導元件檢測方法
不同氣體的導熱系數存在差別,熱導元件檢測方法就是根據這一特性,來測定氣體的體積濃度。沼氣的主要成分是CH4和CO2,被測沼氣的導熱系數由CH4和CO2共同決定。對于彼此之間無相互作用的多組分氣體,其導熱系數可近似地認為是各組分導熱系數濃度的加權平均值。因此,根據沼氣的導熱系數與各組分導熱系數之間的關系,就可以實現沼氣多組分氣體濃度的測定。
目前該檢測方法已廣泛應用在煤礦瓦斯抽排領域,也可用于沼氣中甲烷濃度的測量。但該類型傳感器使用壽命一般在2年左右,且該傳感器對于低濃度測量,具有較大局限性,如無法測量濃度低于5%的甲烷濃度,如果用于甲烷的泄露報警將會造成較大誤差。
4氣相色譜GC檢測方法
氣相色譜GC分析方法是利用氣體物理吸附能力的差別,將采樣的氣體在色譜中分離然后,熱導檢測器通過熱電阻與被測氣體之間熱交換和熱平衡來實現其CH4、CO2、O2等氣體濃度的檢測,該檢測方法分離效能高,對物理化學性能很接近的復雜混合物質都可以進行定性、定量檢測,靈敏度較高。
由于柱溫與載氣對分離結果的具有較大影響,其中柱溫對分離結果的影響比載氣的大,所以在檢測過程中,除了要經常更換色譜柱外,還需要對色譜柱溫和載氣流速進行適度的調節(jié),以免影響分離結果造成誤差。同時色譜價格相對較貴,需要采樣,不能實現在線分析。
5紅外氣體分析方法
當對應某一氣體特征吸收波長的光波通過被測氣體時,其強度將明顯減弱,強度衰減程度與該氣體濃度有關,兩者之間的關系遵守朗伯一比爾定律,也就是紅外光譜檢測方法的基本原理。紅外光譜檢測方法作為一種快速、準確的氣體分析技術在實際應用中十分普遍。由于該方法是采用物理原理,分析氣體不與傳感器發(fā)生反應,因此傳感器使用壽命很長,該類型傳感器不僅可以用于測量沼氣泄露的低濃度報警,也可以用于高濃度的沼氣成分測量。
由上表可知,紅外氣體分析技術相較于奧氏、熱催化、熱導元件、氣相色譜氣體分析技術,具有響應時間快、靈敏度高、使用壽命長、儀器操作方便等優(yōu)勢。但對國內用戶而言,紅外氣體分析技術普遍存在傳感器價格昂貴、維護困難、產品質量參差不齊等問題。針對這些問題,銳意自控對NDIR傳感器進行了升級,將紅外傳感器進行模塊化設計,一個傳感器對應檢測一個氣體組分,拆卸維護方便,使得儀器在體積、性能、維護、價格上具有以往儀器無法比擬的優(yōu)勢。
如沼氣分析儀Biogas 5000,可實現CO、CO2、CH4等多組分氣體濃度的快速測量。同時其H2S、O2濃度測量可拓展,流速、流量可采集,體積輕量化,APP終端智能化等創(chuàng)新設計,彌補了沼氣成分、流量一臺儀器不可同時測量,長距離、大規(guī)模沼氣項目監(jiān)測設備不易攜帶,監(jiān)測數據獲取流程復雜等的不足,可廣泛用于生物沼氣、污水處理廢氣和垃圾填埋氣體等成分的可靠準確且經濟有效的監(jiān)測。在滿足行業(yè)標準應用的同時,儀器測量組分還可根據用戶需求定制,輕巧便攜,實用性大大提高。
6結論
在沼氣技術服務體系建設中,氣體分析儀發(fā)揮了十分重要的作用,在選擇配置時需要考慮儀器的使用壽命、功能、質量保障體系、實用性、性價比等因素。在奧氏吸收、熱導元件、熱催化、氣相色譜、紅外光譜的氣體分析儀中,從壽命、功能、實用性等方面考慮,優(yōu)先選擇紅外氣體分析方法已成為一種發(fā)展趨勢。
同時隨著沼氣生產和過程控制要求的逐漸提高,不斷實現技術升級的紅外氣體分析技術已逐漸取代奧氏吸收、熱導元件、熱催化、氣相色譜等氣體成分檢測技術,成為我國大中小型沼氣工程沼氣成分監(jiān)測與工藝過程調控必不可少的監(jiān)測設備。
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