气体传感器在工业安全领域的应用.doc

气体传感器在工业安全领域的应用(一)气体传感器在工业安全领域的销量是最大的，产值大约占到60%。工业安全类的传感器的全球出货量约500万只。工业安全的分类比较多，凡是有可能产生气体爆炸、窒息或中毒的场合都会用到，这些场合包括：煤矿、天然气、钢铁厂、石油开采、炼化、空气分离、石油化工、煤化工、氨化工等。最近十年，中国煤矿的产能大增，随着矿难的频发，国家在煤矿安全上颁布了大量的法规和行政命令，因此用在煤矿里的气体传感器数量快速增长。主要需要检测的气体是甲烷、一氧化碳和硫化氢。甲烷传感器的用量每年约100万只，CO传感器约10万只，H2S传感器约1万只。因为雾霾天和燃煤之间关系密切，国家从环保战略考虑，要求减少燃煤。因此，从2013年下半年开始，矿用仪表企业的产品销售量呈现下跌趋势。到目前为止，还看不到缓解的趋势。天然气行业却得益于国家的环保战略。燃煤消减的这部分能源供给，需要天然气、核电、风电、太阳能发电来填充，其中绝大部分需要天然气来填充。天然气行业所需要的检测的气体包括：甲烷、一氧化碳、硫化氢、氧气。天然气行业利润较高，因此可以接受的安全仪表价格也较高，性能要求也较高。天然气管道沿线都会有加压站、每个加压站内几乎都会配红外原理的CH4检测仪表。每个加压站之间的距离少则1、2公里，多则7、8公里，因此计算一下中国天然气管道就知道大概需要多少仪表了。除了管道，沿海的LNG船只的接气站也需要配置大量的气体监测仪表。随着燃气商用车的大量推广，车载的低成本天然气监测仪表的需求也是会有爆发式增长的。气体传感器在工业安全领域的应用(二)在石油开采、除杂质、运输的过程中也会用到大量气体检测仪表和传感器。石油成分很复杂，不仅含有大量液态烃，还含有水、泥沙、甲烷CH4、一氧化碳CO、硫化氢H2S，以及挥发出来的有机物气体VOC。石油工业安全隐患有两点，一是爆炸和燃烧，二是毒气扩散导致人体中毒。所用到的传感器包括:1. 催化燃烧原理和红外原理的CH4传感器，全中国所用到的量大约20万只，用在固定表和便携表中。2. 电化学原理的CO和H2S的用量差不多，各5万只左右。3. 测VOC主要靠光离子化传感器PID。和石油炼化、化工合并在一起，销量约5千只。现如今，石油最主要的用途还是提炼成汽油、煤油、航空煤油、柴油，这个产业叫炼化。在提炼的过程中，石油裂解的成分非常复杂，而且还有加氢H2工艺。因此，所需要测的气体包括CH4、H2、CO、H2S、乙烷C2H6、乙烯C2H4、丙烯C3H6，和很多种VOC。提炼完成的油品需要大型的储油罐储存，为提供漏油预警，在储油罐和管线周边都要安装气体监测仪。油品的挥发性各不相同:汽油挥发性最强、柴油较弱、航空煤油最弱。要侦测到油品的泄露，最理想的还是用能够检测到PPBPPM级别VOC的PID，但价格也是最贵。气体传感器在工业安全领域的应用(三)钢铁冶金是气体传感器应用的大户，所用到的传感器种类不多，但数量较大。钢铁冶金的流程粗分为炼焦、矿石烧结、炼铁、炼钢、连铸、初轧、热轧、冷轧。在绝大多数流程中都要用到气体，或产生气体。钢铁冶金的原料主要是煤和铁矿石，所用到的气体传感器主要是：CO、O2、H2、CO2。从煤矿企业买来的煤是不能进入高炉炼铁的，它需要在焦炉中干馏成焦炭，为的是去除硫、氮等杂质，并提高热值。焦炉会产生大量的CO(10%)和H2(约60%)，每小时的产生量以十万立方米计。焦炉煤气热值较高，每小时的产生量以十万立方米计，一般用来发电。烧结好的铁矿石，一般称为球团矿，它和焦炭一起投入高炉中，在内部产生氧化还原反应，生成铁水、CO2(约10%)、CO(约30%)、H2(约1.5%)等，如果用的是含硫多的矿石，还会产生SO2。高炉煤气热值较低，每小时的产生量以百万立方米计。铁水炼成钢需要经过转炉和精炼的工序，通入纯氧，加生石灰，从而降低C、H、S、N、P的含量。加入合金元素后，就炼成钢了。转炉煤气中CO含量约60% - 70%，热值居中，每小时的产生量以万立方米计。CO传感器在钢铁行业大量使用，年使用量约10万只。另外，H2、O2也有使用，但比CO传感器的量要小很多。钢铁环境比较恶劣，固定仪表需要长期稳定性较好的传感器，而便携表寿命较短，所以所需要的传感器也不需要寿命特别长的。气体传感器在工业安全领域的应用(四)空气分离和燃气领域需要的气体传感器往往是超小量程或大量程，高精度，高价格的传感器和仪表。其需求量很小，主要是微量氧气传感器、红外CO传感器、红外CO2传感器和红外CH4 传感器。空气分离企业的气体产品主要是氧O2、氮N2、氦He、氩Ar。这些气种广泛用于钢铁、石化、医疗、半导体、民用领域。N2、He、Ar气体的纯度测量主要依靠测量气体中的残留O2来推算，O2浓度以PPM计，低的可以到1PPM。每个空分企业所用的微量氧分析仪数量为2-3台。和空分所用传感器和仪表类似的是燃气领域。最常见的燃气生产厂，是用煤和水生产水煤气的煤气厂。在水煤气中，含有高浓度的CO和H2，O2在里面如果浓度过高是有爆炸危险的。因此，需要将水煤气中的O2去除，降到6000PPM以下。在6000PPM的浓度附近，比较合适的技术是顺磁氧气传感器。CO、CO2浓度较高，用红外传感器比较合适。H2浓度也很高，目前为止还没有比较廉价且精准的直接测量方法，主要靠间接的方法来推算。水煤气生产过程中，CO、CO2、H2、O2的测量是在线式的，需要实时监控。气体传感器在半导体工业中的应用。以硅材料为主体的半导体工业中，涉及到种类繁多的气体，实现气相淀积、离子注入、等离子刻蚀、钝化保护等工艺过程。半导体工业中的安全隐患主要是有毒气体和腐蚀性气体。其中，毒性较强的气体包括锗烷（GeH4）、磷烷（PH3）、砷烷（AsH3）、氢化锑（SbH3)、三氟化磷（PH3）等，毒性较弱但具有刺激性的气体包括氨气(NH3)、硅烷（SiH4）、三氟化硼（BF3）、四氟化硫（SF4）等，具有强腐蚀性的气体包括SiF4、HF等。其中，用于硅及其化合物气相淀积最常用的硅烷在室温下浓度超过1%时在空气中会发生自燃，容易引起火灾；而用于外延、掺杂等工艺的磷烷、砷烷，则具有强烈的血溶性毒性，是和硅烷一起作为半导体工业中最主要的检测气体；在III-V族材料刻蚀中常常用到氯基的气体，容易引起眼及上呼吸道刺激症状，一般报警点在8ppm左右；还有一些气体，例如SF6，主要用于硅及其化合物的刻蚀，虽然纯品无毒，但在高温电弧作用下会分解成一系列有毒的气体，包括SF4、S2F2、HF等，因此这些含硫或含氟的有毒气体也是半导体工业中重点监控的对象。由于半导体工业中的危害性气体种类繁多，每个半导体行业的工厂都会需要大量的气体报警仪，目前该领域中应用的气敏元件绝大多数是电化学气体传感器。近年来，国内一些研究所、高校也开始陆续开始建立中小规模的半导体加工线，加上电化学传感器一般的使用寿命在1年左右，使得这类气体传感器的年需求量呈迅猛上升趋势，每年都有15%左右的增长。在半导体工业中所使用的传感器数量随着半导体工业的波动周期而波动。国内尚无一厂家提供专门针对半导体领域的安全仪表，国外的厂家有霍尼韦尔和日本的理研。气体传感器在工业安全领域的应用(五)今天谈一谈煤化工领域所涉及的气种和所需要的传感器。随着石油价格的走高，煤化工的经济价值得到了凸显。我们拿一个简单的数字做例子，1.5亿吨煤可以转化成2800万吨成品油，外加205万吨聚烯烃，效益可想而知。煤化工的技术路线主要是三条：煤干馏、煤气化和煤直接液化。1. 煤干馏产品链煤干馏的产物是焦炭、半焦、煤焦油和煤气。我们这里主要介绍一下焦炉煤气，一般每吨干煤可生产焦炉气300-350立方米。其主要成分为氢气(55% - 60%)和甲烷(23% - 27%)。高温干馏煤气H2量高，可用于生产甲醇、合成氨。甲烷可用于生产人工天然气。在这个领域电化学的H2、CO传感器，催化燃烧和红外的甲烷传感器都会用到。少量高端传感器用于化学分析，大量中低端的传感器用于检漏。2. 煤气化产品链煤气化技术下游产品有氢气、一氧化碳、合成氨和甲醇、。从CO和H2出发，可以制取几乎所有的基础有机化学品，如甲醇、甲醛、甲酸、甲胺、乙酸、乙酸酯、乙二醇、乙二酸、光气和农药除草剂等。而合成氨主要下游是尿素。在这个领域电化学的H2、CO、NH3、环氧乙烷ETO和光气传感器都会用到。红外的HC化合物气体的传感器也会用到，随着成本的不断降低，红外技术会越用越多。3. 煤直接液化煤直接液化的产物有汽油、柴油和航空煤油。其产品和石油化工重合、但成本较石油化工低。测这些低挥发性的烃，主要靠红外传感器和光离子化PID传感器。除此之外，煤化工还可以制以下大宗商品：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、苯和苯酚。这几种产品在单体的阶段，主要靠红外传感器和PID来检漏。气体传感器在工业安全领域的应用(六)石油化工包括以下四大生产过程：基本有机化工生产过程、有机化工生产过程、高分子化工生产过程和精细化工生产过程。基本有机化工生产过程是以石油和天然气为起始原料，经过炼制加工制得三烯(乙烯、丙烯、丁烯)、三苯(苯、甲苯、二甲苯)、乙炔和萘等基本有机原料。有机化工生产过程是在“三烯、三苯、乙炔、萘”的基础上，经过各种合成步骤制得醇、醛、酮、酸、脂、醚、腈等有机原料。高分子化工生产过程是在有机原料的基础上，经过各种聚合、缩合步骤制得合成纤维、合成树脂、合成橡胶(即三大合成材料)等最终产品。石油化工是精细化工的基础，精细化工的原料大部分来自廉价的石油化工。精细化工为石油化工提供高档末端材料，如催化剂、表面活性剂、油品添加剂、三大合成材料用助剂等。精细化工生产多项工业和尖端技术所需要的工程材料和功能性材料，取得高附加值。所以，一般认为精细化成都已成为衡量石化工业水平的尺度。按照生产乙烯的能力，我们对全球的石化“巨头”作一个排名，分别是：陶氏化学、埃克森美孚、壳牌、Sabic、等星、英国石油、雪佛龙菲利普斯、中国石化、阿托菲纳、诺瓦。有机化工原料种类繁多，在这里我按照产能对排名前20位的物种进行排序，并将测量其气体的技术列在旁边，供大家参考：1.乙烯：红外、电化学、催化燃烧；2.乙二醇：红外、电化学、光离子化；3.丙烯：红外、电化学；4.苯：红外、光离子化；5.苯乙烯：红外、光离子化；6.对二甲苯：红外、光离子化；7.环氧乙烷：红外、电化学；8.丁二烯：红外、光离子化；9.醋酸：红外、光离子化；10.苯酚：红外、光离子化；11.丙烯腈：红外；12.环氧丙烷：红外、电化学；13.醋酸乙烯：红外、光离子化；14.丙烯酸：红外；15.Alpha-烯烃：红外；16.邻二甲苯：红外、光离子化；17.甲基丙烯酸甲酯：红外、光离子化；1