影響載體催化元件主要技術性能的因素及防治措施

陳金虎

(義馬煤炭高級技工學校 義馬煤礦職工中等專業學校，河南義馬 472300)

影響載體催化元件主要技術性能的因素及防治措施

陳金虎

(義馬煤炭高級技工學校 義馬煤礦職工中等專業學校，河南義馬 472300)

應用以催化燃燒法作為工作原理的便攜式瓦斯檢測報警儀和甲烷傳感器占據了煤礦瓦斯檢測儀器的主導地位，是煤礦動態監視礦井瓦斯濃度的有效工具。但在惡劣環境下使用壽命短，而且元件表面的催化劑易發生中毒等，本文對影響載體催化元件主要技術性能的各種因素進行了認真分析和研究，并提出了防治措施，為正確使用和維護該類檢測儀器提供指導作用。

甲烷濃度檢測儀;催化元件影響因素;防治措施

引言

目前，檢測甲烷氣體濃度的方法很多，如安全燈法、熱傳導法、紅外光譜吸收法、光干涉法、超聲波法、氣敏半導體法以及催化燃燒法等等。應用以催化燃燒法為工作原理的甲烷催化元件檢測瓦斯濃度的便攜式瓦斯檢測報警儀、安全監控系統中的甲烷傳感器占據了煤礦瓦斯檢測儀器的主導地位，是煤礦動態監視礦井瓦斯濃度的有效工具，對煤礦安全生產起到了至關重要的作用。但由于結構及工作原理的特點，催化元件極易受到H2S，SO2等氣體的影響而發生中毒等，從而影響其檢測精度和靈敏度。通過對影響載體催化元件主要技術性能因素進行分析研究，并提出了防治措施，可有效指導我們正確使用和維護此類儀器。

1.催化燃燒式甲烷傳感器

催化燃燒式甲烷傳感器的檢測原理為：傳感元件(含敏感元件，以下同)表面的甲烷(或可燃性氣體)在催化劑的催化作用下，發生無焰燃燒，放出熱量，使傳感元件溫度上升，進而使傳感元件電阻變大，通過測量傳感元件的電阻變化就可測出甲烷氣體的濃度。催化燃燒式甲烷傳感元件有鉑絲催化元件和載體催化元件兩種。

鉑絲催化元件一般采用高純度(99.99%)的鉑絲制成螺旋線圈，鉑絲既是催化劑，又是加熱器。當鉑絲催化元件通電后，鉑絲電阻將電能轉換成熱能，在鉑絲的催化作用下，吸附在鉑絲表面的甲烷無焰燃燒，放出熱量，進而使鉑絲升溫，電阻變大，通過測量其電阻變化就可測得空氣中甲烷濃度。鉑絲催化元件結構簡單，穩定性好，受硫化物中毒影響小，但鉑絲的催化活性低，必須在900℃以上高溫才能使元件工作，不僅耗電量大，而且在高溫作用下還會導致元件表面蒸發，使鉑絲變細，電阻增大，傳感器零點漂移。另外，鉑絲催化元件機械強度低，由于振動或自重的影響，會改變其幾何形狀，影響傳感器參數和檢測準確性。因此，在礦井安全監控裝置中，測量低濃度的甲烷傳感器主要是載體催化元件。

1.1 栽體催化元件結構

元件結構：載體催化元件一般由一個帶催化劑的傳感元件(俗稱黑元件)和一個不帶催化劑的補償元件(俗稱白元件)組成。白元件與黑元件的結構尺寸完全相同，但是白元件的表面沒有涂催化劑，僅起補償作用，如圖1所示。

圖1 載體催化元件

1.2 工作原理

當一定的工作電流通過檢測元件(黑元件)時，其表面即被加熱到一定的溫度，而這時當含有瓦斯的空氣接觸到檢測元件表面時，便被催化燃燒，燃燒放出的熱量，又反過來進一步使元件的溫度升高，使鉑絲的電阻值明顯增加，于是電橋就失去平衡，輸出一定的電壓。在瓦斯濃度低于4%的情況下，電橋輸出的電壓與瓦斯濃度基本上成正比關系，因此，可以根據測量電橋輸出電壓的大小測算出瓦斯的數值;當瓦斯濃度超過4%時，輸出電壓就不再與瓦斯濃度成正比關系。所以，這種原理做成的瓦斯檢定器只能測低濃度瓦斯。

圖2 催化元件檢電路

2.影響載體催化元件主要技術性能因素及防治措施

2.1 雙值性

空氣中甲烷濃度低于9.5%時，甲烷能夠充分燃燒，甲烷濃度越高，載體催化元件的電阻變化就越大。當空氣中甲烷濃度高于9.5%時，甲烷不能夠充分燃燒，甲烷濃度越高，載體催化元件的電阻變化就越小，如圖3所示，這就是載體催化元件的雙值性。因此，載體催化元件只能用于低濃度的甲烷濃度監測。

由于甲烷燃燒產生的CO2和H2O會阻止甲烷向元件擴散，并且元件溫度增高時，其散熱量也增大，元件溫度很難隨燃燒熱量的增加而成比例增加。因此，實際測量值達不到理論分析值。當甲烷濃度較低時，燃燒產生的CO2和H2O較少，元件溫度也較低，對測量的影響較小，實際測量值與理論分析值比較接近，傳感元件的線性度較好。為補償催化元件的熱輻射，甲烷傳感器將補償元件也制成黑色并封閉，以提高補償元件的熱輻射率。

圖3 載體催化元件雙值性

2.2 激活

在黑元件制造時，是將Al2O3載體浸在PdCI2。溶液中，熱分解后，催化劑以Pd和Pd O形式存在于載體上，元件表面呈黑褐色，對甲烷的催化活性較低。在元件出廠前，為使其具有較高的活性，通常在加熱條件下通入12%CH4。進行活化處理，使PdO還原為Pd，這個過程稱為激活。激活后的元件要經過老化和穩定性處理后才能出廠使用。

當元件被激活后，要及時用新鮮空氣校準零點，用甲烷標準氣樣校準精度。為避免元件被激活，低濃度甲烷傳感器應具有高濃度保護功能。在煤(巖)與瓦斯突出礦井應該使用高低濃度甲烷傳感器。

2.3 催化劑中毒

硫化合物(H2S、SO2)、磷化合物(H2P)以及有機硅蒸氣等能強烈地吸附在催化劑上，與Pd反應生成新的化合物，例如，H2S與Pd反應生成PdS(2H2S+2Pd+O2→PdS+2H2O)，降低催化劑活性，嚴重時會使催化劑完全失去活性，這種現象稱為催化劑中毒。催化劑中毒分為暫時性中毒和永久性中毒。硫化物和氯化物中毒是暫時性中毒，暫時性中毒后可以恢復。Si、Sn等中毒是永久性中毒，是不能恢復的。一些礦井中有H2S和SO2，體，爆破作業也會釋放SO2等氣體，在這些礦井中使用載體催化件，可以選用抗中毒元件，也可以使用堿性物質和活性炭吸收劑附H2S、S02等毒性物質，并定期更換吸收劑，防止失效。

2.4 靈敏度變化

由于高溫燒結，催化劑活性物質的粒子會變大，還會升華為氣態等，這些都會使元件的催化活性下降，使靈敏下降。催化劑升華還會使置于同一氣室的補償元件載體上吸附微量催化劑，使甲烷能夠在補償元件上催化燃燒，從而使電橋輸出靈敏度下降。

催化元件長期工作在高濃度甲烷空氣混合物中，由于缺氧，甲不能充分燃燒，產生的碳粒子會沉積在催化劑表面或催化層的孔中，使催化劑粒子和載體粒子之間的結合力減少，導致催化層斷、脫落，表面積減小，催化活性下降，元件靈敏度下降。

為增大催化層表面積，提高元件催化活性，氧化鋁載體采用多孔結構。但當元件長期處于高溫下，多孔結構的氧化鋁逐漸變成剛融氧化鋁，載體表面積變小，元件靈敏度下降。

影響催化元件的靈敏度除上述因素外，激活、催化劑中毒等均會使元件靈敏度變化。因此，載體催化元件必須每隔7d定期用校準氣樣和空氣氣樣校準。當元件靈敏度降到初始值的50%時，則認為元件報廢。

2.5 響應時間

響應時間是指甲烷濃度發生階躍變化時，電橋輸出信號值達到穩定值的90%時所需要的時間。一般要求連續式響應時間為20s，間斷式響應時間為6s。催化元件的響應時間除與元件尺寸和形狀有關，還與氣室結構及通氣方式有關。響應時間包括甲烷空氣混合氣體通過擴散孔(燒結金屬孔)充滿氣室并到達元件表面的整個擴散過程所需的時間，及甲烷在催化元件表面燃燒產生熱量，使元件升溫并穩定所需的時間。

2.6 氣體流量

進入檢測氣室的氣體流量影響催化元件靈敏度，因此，對于擴散式甲烷傳感器，在校準時，流量應與甲烷傳感器在井下安裝地點的風速相吻合，否則會造成測量誤差。

2.7 線性度

在低濃度范圍內，催化燃燒產生的熱量隨甲烷濃度的增加而增大。但由于元件溫度增加時，其散熱量也增大，從而導致元件溫度不隨催化燃燒熱量而呈線性增大。因此，當甲烷濃度不大于4.0%時，元件的輸出與甲烷濃度基本呈線性關系;當甲烷濃度大于5.0%時，元件的輸出與甲烷濃度很難保持線性關系。

結束語：本文從載體催化元件結構及工作原理入手，認真分析了影響載體催化元件主要技術性能的各種因素，提出了防治措施，為我們正確使用和維護載體催化元件結構的甲烷檢測儀器提供依據和指導作用。

［1］煤礦安全監測監控作業操作資格培訓考核教材［M］.徐州：中國礦業大學出版社

［2］國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程［M］.北京.煤炭工業出版社

［3］張振營.煤礦瓦斯檢查工［M］.徐州：中國礦業大學出版社

The Factors Affecting Catalytic Device Main Technical Performance and Preventive Measures

CHEN Jin－hu

(Yima Coal Senior Technical School，Yima 472300，China)

the application of portable gas detection alarming apparatus taking catalytic combustion method as its working principle and methane sensor dominates the coal mine gas detection，and they are the effective tools in the coal mine gas dynamic monitoring.But in a harsh environment their working life is short，and the catalyst attached to the surface of device is vulnerable to poisoning.This paper analyzes in detail the factors affecting its catalytic device main technical performance and puts forward the control measures，providing guidance function for proper use and maintenance of the detecting instrument.

methane concentrations detector;catalytic device;influential factors;prevention and control measures

TD712+.55 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A

1671－3974(2012)01－0067－03

2011－12－08

陳金虎(1965－)，男，大學，義馬煤炭高級技工學校義馬煤礦職工中等專業學校講師。研究方向：煤礦機電。