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1、甲烷检测仪在沼气服务体系中的应用摘要:本文对比总结了沼气成分中甲烷的三种主要检测方法:奥氏气体分析法、热导元件检测法、红外光谱检测法,分析了三种方法的特点及其在我国农村沼气服务体系中的适应性。奥氏气体分析法由于不能实现自动化,很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,但是存在精度低、标定困难、寿命短等问题,对于含有空气,N2，H2等成分的沼气测量误差很大；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 前言 根据全国农村沼气工程建设规划的要求,到2010年底,全国用户沼气总数达到4000万户左右。从我国
2、沼气技术发展的“三起三落”来看,沼气技术服务体系对于农村沼气事业的发展至关重要,各级政府充分认识到了加强沼气服务体系建设的重要性和紧迫性。国家发改委和农业部已经将沼气技术服务体系的建立纳入政府重点支持的领域优先发展,其中沼气检测仪器是各级政府重点支持购置的设备。从2007年开始, 甲烷检测仪等设备已经成为我国沼气服务体系能力建设的基本配置。然而农村能源部门,尤其是一线的沼气技术服务队伍,对甲烷检测仪的用途是什么,不同甲烷检测仪器的原理、优缺点、使用方法以及如何选择合适的甲烷检测仪还不是十分了解。本文将从甲烷检测仪的工作原理出发,探讨各类仪器在农村沼气服务体系建设中的适用性。2 甲烷检测方法在沼
3、气检测领域,沼气成分中甲烷的检测方法主要有: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,下文将介绍各种检测方法的工作原理。21奥氏气体分析方法 传统的奥氏气体分析方法的工作原理是:取定量的气体,一般为100mL,通过气体吸收后体积变化来测出CH4,CO2的含量。通常是采用氢氧化钠溶液吸收CO2；以焦性没食子酸碱性溶液吸收O2；爆炸燃烧法后采用吸收法测量CH4。目前传统的奥氏气体分析方法在沼气成分检测中很少用。针对农村沼气服务体系的特定应用,通常采用检测管法,该方法操作更简便,常用的检测管有硫化氢、氧气、二氧化碳、一氧化碳等,但没有直接测试甲烷的检测管,甲烷含量是通过计算所得,即100
4、%-CO2-空气-H2S-CO等,因此存在一定误差。 图1为常见的奥式气体装置22热导元件检测方法如表1所示,不同气体的导热系数存在差别,热导元件检测方法就是根据气体的这一特性,来确定气体的体积浓度。沼气的主要成分是CH4和CO2 ,被测沼气的导热系数由CH4和CO2共同决定的。对于彼此之间无相互作用的多组分气体,其导热系数可近似地认为是各组分导热系数按含量的加权平均值。 因此,根据沼气的导热系数与各组分导热系数之间的关系,就可以实现沼气多组分气体的含量分析。热导元件检测方法传感器结构如图2所示。 图2热导元件检测方法传感器结构23红外光谱检测方法 异种原子构成的分子在红外线波长区域具有吸收光
5、谱,其吸收强度遵循郎伯比尔定律。当对应某一气体特征吸收波长的光波通过被测气体时,其强度将明显减弱,强度衰减程度与该气体浓度有关,两者之间的关系遵守朗伯比尔定律。沼气成份中的CH4，CO2对红外光的吸收光谱如图3所示,其主要吸收峰波长为3.4m, 4.26m。 因此通过检测红外光吸收率的变化可以得到沼气中的CH4，CO2体积浓度。目前,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的标准仪器。图4为红外光谱检测传感器结构。 3 不同方法甲烷检测仪适应性分析目前,甲烷检测仪已经在我国沼气服务体系中广泛推广,但是不同部门、单位对甲烷检测仪的用途理解不一样。有些部门主要侧重沼气成分的检测
6、,判断沼气池的发酵状态,确定沼气灶打不着火的原因；有些部门用于沼气池、沼气管网的泄露检测。从沼气成分检测的功能上讲,奥氏气体分析方法、热导元件检测方法,红外光谱检测方法都可以使用。以下对这三种不同的检测方法在农村沼气成分检测中的适应性进行分析。31奥氏方法甲烷检测适应性分析 在中国90年代,限于当时的技术条件比较落后,奥氏气体分析方法曾经在我国的农村沼气技术服务中发挥了重要作用。然而,其暴露的问题也较多,比如:1.需要采集具有代表性的气体,且不能现场实时分析；2.每年都需要购置化学试剂,耗材费用较大；3.人员需要培训,分析测试劳动强度较大；4.受人为因素影响较大,不同操作人员或者不同的操作方法
7、,测试结果也有可能不同。 此外,在农村沼气服务体系中,奥氏气体分析的原理是在假设CH4+CO2=100%的基础上进行的,如果沼气中含有CH4，CO2以外的气体成分,如空气, N2等,测量结果将会不准确。目前增加的H2S检测功能其他仪器也可以配置,并非其特有功能。因此奥氏气体分析装置在我国当前的沼气服务体系中普及具有很大的难度。32热导元件甲烷检测适应性分析 热导元件甲烷检测仪的诞生是我国针对煤矿瓦斯抽放系统监控要求而开发的一款专用仪器。针对此类仪器,我国煤炭部门1997年曾经制定了相关的技术标准,经过修改后成为AQ 6204 - 2006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CH
8、4外其他物质主要是空气。因此在标定时往往采用空气与甲烷进行混合得到不同的瓦斯浓度。 由于煤矿瓦斯浓度高,与沼气产生的工况和成份存在较大的差异,将煤矿高浓度瓦斯热导元件检测技术引入到沼气检测会面临如下问题。 沼气成分中除了CH4以外,主要是CO2 ,也就是假设CH4+CO2浓度之和为100% ,所以标定仪器时需要采用CH4与CO2的混合气体； 通过实验结果显示,热导元件甲烷检测仪完全通入空气时,其CH4浓度显示结果就达到15%左右。由于热导元件甲烷检测仪是通过气体导热系数的差异性测量气体浓度的,而热导元件检测仪根本无法分辨出被测气体的确切成分。因此热导元件甲烷检测仪只有确保仪器通入的是CH4+C
9、O2=100%的沼气时,才能确保CH4数据的测量准确性,如果沼气气体中每混入1%的空气(或者N2) ,就相当于混入了1%的含有CH4=15% ,CO2=85%的沼气。由此可见,在测量未知气体时,很难确保CH4，CO2测量结果的准确性。 在使用热导元件甲烷检测仪时,一定要将传感器接触的空气完全置换成沼气后才能够准确测试CH4的含量。此外对于一些才开始启动、或者长期不产气的沼气池,由于沼气中混有空气,或者沼气成分中含有N2，H2(沼气池酸化)等。由于存在这些造成干扰的背景气体, CH4测量的误差较大。 沼气与煤矿高浓度瓦斯相比,含有大量的H2S气体。从原理上看,沼气与传感器直接接触,这样容易导致传
10、感器核心部件腐蚀,造成传感器寿命大大缩短。从热导元件传感器原理上讲,传感器是根据气体经过所带走的热量来确定气体成分的浓度,因此,环境温度的变化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的问题,才能更好地服务于农村沼气服务体系建设。33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的一种新技术。以往红外光谱气体分析方法是采用复杂的机械调制光源以及微音器技术,仪器庞大、功耗高、价格十分昂贵。随着半导体技术的发展,国际上红外探测器的价格成级数下跌,为新型红外气体分析技术的发展提供了机遇。通过采用双元红外探测器配合电调制红外技术,可以采用两个传感器实现对沼
11、气中的CH4和CO2的同时准确测量。与其他甲烷检测方法相比,红外测量方法具有如下特点。 (1)可以实现对CH4和CO2的独立测量。由于采用了CH4和CO2的特征波长,因此空气中的N2，O2以及沼气中的H2对CH4和CO2的测量没有影响； (2)红外光谱检测方法采用非接触测量,沼气中的H2S对红外传感器的性能、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的浓度； (3)甲烷的测量精度能够达到2% ,采用高精度的红外检测器,能够实现沼气成分的准确测量； (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的同时,也具备沼气泄露的甲烷检测功能。甲烷的低爆炸极限LEL是5%,通
12、常当空气中的CH4超过1%时就要求报警。传统的奥氏气体分析方法精度太低,很难检测准确1%以下的CH4。热导元件检测方法受原理所限,只能用于常量分析,5%以下浓度本身不适合用热导分析。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过15% ,因此都不能用于沼气的泄露报警检测。 对于甲烷泄露报警监测,最早在我国煤矿安全领域中使用最为普遍,通常的方法是热催化方法以及红外光谱方法,其对应的标准为AQ 6203 - 2006煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器和AQ 6211-2008 煤矿用非色散红外甲烷传感器。热催化传感器可以准确地检测低浓度的CH4 ,但是无法进行高浓度甲烷的测量(当甲烷浓
13、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) ,而高浓度的沼气泄露在农村沼气应用中经常发生。此外由于沼气中含有大量的H2S,会对热催化元件造成致命的损坏,大大降低热催化传感器的寿命。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的检测要求,因此在甲烷泄漏报警领域将逐渐取代热催化方法。 需要注意的是,由于采用光学测量,液态的水分以及粉尘会对红外测量信号造成干扰,为保证检测仪器正常工作,气体进入检测仪之前需要通过一个特殊的过滤装置将粉尘以及沼气中的液态水过滤。仪器使用完毕,将过滤装置清洗后可以重复使用,开启气泵抽取空气可自动清洗传感器管路。 从原
14、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的H2S,O2，需要增加电化学的检测装置。3 对今后规范管理的思考31关于管理的分工 多年以来,农村沼气建设在国家发展改革委员会和农业部的共同领导下,在许多重大问题上取得了一致意见。但是,随着项目审批权限的下放,出现了一些管理分工上的矛盾,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,造成了不必要的误解。建议在两部委联合下发的有关文件精神的基础上,应进一步明确:省级农村能源主管部分负责提出项目建设任务,避免目前这种切块下达经费指标所带来的种种弊端。根据国家发改委、农业部下达的投资计划
15、,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、国家发展改革委备案。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、职业技能鉴定、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的技术论证,提出项目计划建议,并最终由两部门会签联合下达项目计划。32关于管理的内容 其实,项目的管理只是农村沼气建设管理中的一个组成部分,对于持续健康推动农村沼气事业,还有许多管理工作和机制需要建立健全。比如,如何建立吸引社会资源参与农村沼气服务体系建设的激励政策,如何解决现在沼气发电上网难的问题,如何建立大中型沼气工程设计、施工和监理等方面的资质管理制度,如何建立推动沼气产业健康发展的财政和税收优惠政策,如何建立保障农村沼气安全生产和安全使用制度,如何建立农村沼气建设项目监督管理和奖惩制度等。与此同时,还要采取有效措施,将这些管理措施、激励政策和规章制度落到实处,特别是要建立项目的考评机制和奖惩制度,对于项目实施好的地区给予倾斜,对于不好的地区予以通报批评、减少项
