影响载体催化元件主要技术性能的因素及防治措施

陈金虎

(义马煤炭高级技工学校 义马煤矿职工中等专业学校，河南义马 472300)

影响载体催化元件主要技术性能的因素及防治措施

陈金虎

(义马煤炭高级技工学校 义马煤矿职工中等专业学校，河南义马 472300)

应用以催化燃烧法作为工作原理的便携式瓦斯检测报警仪和甲烷传感器占据了煤矿瓦斯检测仪器的主导地位，是煤矿动态监视矿井瓦斯浓度的有效工具。但在恶劣环境下使用寿命短，而且元件表面的催化剂易发生中毒等，本文对影响载体催化元件主要技术性能的各种因素进行了认真分析和研究，并提出了防治措施，为正确使用和维护该类检测仪器提供指导作用。

甲烷浓度检测仪;催化元件影响因素;防治措施

引言

目前，检测甲烷气体浓度的方法很多，如安全灯法、热传导法、红外光谱吸收法、光干涉法、超声波法、气敏半导体法以及催化燃烧法等等。应用以催化燃烧法为工作原理的甲烷催化元件检测瓦斯浓度的便携式瓦斯检测报警仪、安全监控系统中的甲烷传感器占据了煤矿瓦斯检测仪器的主导地位，是煤矿动态监视矿井瓦斯浓度的有效工具，对煤矿安全生产起到了至关重要的作用。但由于结构及工作原理的特点，催化元件极易受到H2S，SO2等气体的影响而发生中毒等，从而影响其检测精度和灵敏度。通过对影响载体催化元件主要技术性能因素进行分析研究，并提出了防治措施，可有效指导我们正确使用和维护此类仪器。

1.催化燃烧式甲烷传感器

催化燃烧式甲烷传感器的检测原理为：传感元件(含敏感元件，以下同)表面的甲烷(或可燃性气体)在催化剂的催化作用下，发生无焰燃烧，放出热量，使传感元件温度上升，进而使传感元件电阻变大，通过测量传感元件的电阻变化就可测出甲烷气体的浓度。催化燃烧式甲烷传感元件有铂丝催化元件和载体催化元件两种。

铂丝催化元件一般采用高纯度(99.99%)的铂丝制成螺旋线圈，铂丝既是催化剂，又是加热器。当铂丝催化元件通电后，铂丝电阻将电能转换成热能，在铂丝的催化作用下，吸附在铂丝表面的甲烷无焰燃烧，放出热量，进而使铂丝升温，电阻变大，通过测量其电阻变化就可测得空气中甲烷浓度。铂丝催化元件结构简单，稳定性好，受硫化物中毒影响小，但铂丝的催化活性低，必须在900℃以上高温才能使元件工作，不仅耗电量大，而且在高温作用下还会导致元件表面蒸发，使铂丝变细，电阻增大，传感器零点漂移。另外，铂丝催化元件机械强度低，由于振动或自重的影响，会改变其几何形状，影响传感器参数和检测准确性。因此，在矿井安全监控装置中，测量低浓度的甲烷传感器主要是载体催化元件。

1.1 栽体催化元件结构

元件结构：载体催化元件一般由一个带催化剂的传感元件(俗称黑元件)和一个不带催化剂的补偿元件(俗称白元件)组成。白元件与黑元件的结构尺寸完全相同，但是白元件的表面没有涂催化剂，仅起补偿作用，如图1所示。

图1 载体催化元件

1.2 工作原理

当一定的工作电流通过检测元件(黑元件)时，其表面即被加热到一定的温度，而这时当含有瓦斯的空气接触到检测元件表面时，便被催化燃烧，燃烧放出的热量，又反过来进一步使元件的温度升高，使铂丝的电阻值明显增加，于是电桥就失去平衡，输出一定的电压。在瓦斯浓度低于4%的情况下，电桥输出的电压与瓦斯浓度基本上成正比关系，因此，可以根据测量电桥输出电压的大小测算出瓦斯的数值;当瓦斯浓度超过4%时，输出电压就不再与瓦斯浓度成正比关系。所以，这种原理做成的瓦斯检定器只能测低浓度瓦斯。

图2 催化元件检电路

2.影响载体催化元件主要技术性能因素及防治措施

2.1 双值性

空气中甲烷浓度低于9.5%时，甲烷能够充分燃烧，甲烷浓度越高，载体催化元件的电阻变化就越大。当空气中甲烷浓度高于9.5%时，甲烷不能够充分燃烧，甲烷浓度越高，载体催化元件的电阻变化就越小，如图3所示，这就是载体催化元件的双值性。因此，载体催化元件只能用于低浓度的甲烷浓度监测。

由于甲烷燃烧产生的CO2和H2O会阻止甲烷向元件扩散，并且元件温度增高时，其散热量也增大，元件温度很难随燃烧热量的增加而成比例增加。因此，实际测量值达不到理论分析值。当甲烷浓度较低时，燃烧产生的CO2和H2O较少，元件温度也较低，对测量的影响较小，实际测量值与理论分析值比较接近，传感元件的线性度较好。为补偿催化元件的热辐射，甲烷传感器将补偿元件也制成黑色并封闭，以提高补偿元件的热辐射率。

图3 载体催化元件双值性

2.2 激活

在黑元件制造时，是将Al2O3载体浸在PdCI2。溶液中，热分解后，催化剂以Pd和Pd O形式存在于载体上，元件表面呈黑褐色，对甲烷的催化活性较低。在元件出厂前，为使其具有较高的活性，通常在加热条件下通入12%CH4。进行活化处理，使PdO还原为Pd，这个过程称为激活。激活后的元件要经过老化和稳定性处理后才能出厂使用。

当元件被激活后，要及时用新鲜空气校准零点，用甲烷标准气样校准精度。为避免元件被激活，低浓度甲烷传感器应具有高浓度保护功能。在煤(岩)与瓦斯突出矿井应该使用高低浓度甲烷传感器。

2.3 催化剂中毒

硫化合物(H2S、SO2)、磷化合物(H2P)以及有机硅蒸气等能强烈地吸附在催化剂上，与Pd反应生成新的化合物，例如，H2S与Pd反应生成PdS(2H2S+2Pd+O2→PdS+2H2O)，降低催化剂活性，严重时会使催化剂完全失去活性，这种现象称为催化剂中毒。催化剂中毒分为暂时性中毒和永久性中毒。硫化物和氯化物中毒是暂时性中毒，暂时性中毒后可以恢复。Si、Sn等中毒是永久性中毒，是不能恢复的。一些矿井中有H2S和SO2，体，爆破作业也会释放SO2等气体，在这些矿井中使用载体催化件，可以选用抗中毒元件，也可以使用碱性物质和活性炭吸收剂附H2S、S02等毒性物质，并定期更换吸收剂，防止失效。

2.4 灵敏度变化

由于高温烧结，催化剂活性物质的粒子会变大，还会升华为气态等，这些都会使元件的催化活性下降，使灵敏下降。催化剂升华还会使置于同一气室的补偿元件载体上吸附微量催化剂，使甲烷能够在补偿元件上催化燃烧，从而使电桥输出灵敏度下降。

催化元件长期工作在高浓度甲烷空气混合物中，由于缺氧，甲不能充分燃烧，产生的碳粒子会沉积在催化剂表面或催化层的孔中，使催化剂粒子和载体粒子之间的结合力减少，导致催化层断、脱落，表面积减小，催化活性下降，元件灵敏度下降。

为增大催化层表面积，提高元件催化活性，氧化铝载体采用多孔结构。但当元件长期处于高温下，多孔结构的氧化铝逐渐变成刚融氧化铝，载体表面积变小，元件灵敏度下降。

影响催化元件的灵敏度除上述因素外，激活、催化剂中毒等均会使元件灵敏度变化。因此，载体催化元件必须每隔7d定期用校准气样和空气气样校准。当元件灵敏度降到初始值的50%时，则认为元件报废。

2.5 响应时间

响应时间是指甲烷浓度发生阶跃变化时，电桥输出信号值达到稳定值的90%时所需要的时间。一般要求连续式响应时间为20s，间断式响应时间为6s。催化元件的响应时间除与元件尺寸和形状有关，还与气室结构及通气方式有关。响应时间包括甲烷空气混合气体通过扩散孔(烧结金属孔)充满气室并到达元件表面的整个扩散过程所需的时间，及甲烷在催化元件表面燃烧产生热量，使元件升温并稳定所需的时间。

2.6 气体流量

进入检测气室的气体流量影响催化元件灵敏度，因此，对于扩散式甲烷传感器，在校准时，流量应与甲烷传感器在井下安装地点的风速相吻合，否则会造成测量误差。

2.7 线性度

在低浓度范围内，催化燃烧产生的热量随甲烷浓度的增加而增大。但由于元件温度增加时，其散热量也增大，从而导致元件温度不随催化燃烧热量而呈线性增大。因此，当甲烷浓度不大于4.0%时，元件的输出与甲烷浓度基本呈线性关系;当甲烷浓度大于5.0%时，元件的输出与甲烷浓度很难保持线性关系。

结束语：本文从载体催化元件结构及工作原理入手，认真分析了影响载体催化元件主要技术性能的各种因素，提出了防治措施，为我们正确使用和维护载体催化元件结构的甲烷检测仪器提供依据和指导作用。

［1］煤矿安全监测监控作业操作资格培训考核教材［M］.徐州：中国矿业大学出版社

［2］国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程［M］.北京.煤炭工业出版社

［3］张振营.煤矿瓦斯检查工［M］.徐州：中国矿业大学出版社

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">文献标识码：A

A

1671－3974(2012)01－0067－03

2011－12－08

陈金虎(1965－)，男，大学，义马煤炭高级技工学校义马煤矿职工中等专业学校讲师。研究方向：煤矿机电。