有毒有害气体检测仪在工业中的应用

发布时间:17-02-17 13:45分类:技术文章
标签:气体检测技术,气体检测仪,气体检测技术与气体检测仪的选择
对生产过程中有毒有害气体进行检测,在我国已有相当长的历史。但过去由于经济条件与技术所限,气体的检测大都出于安全考虑,对气体直接造成的危害的考虑大于间接危害的考虑,即主要考虑气体的爆炸与急性中毒事件。但随着经济的发展和人民生活水平的提高,人们不但要求上班后平安的回家,而且还追求退休后能有健康的生活。即人们愈来愈重视工业卫生方面的问题。我国政府也充分意识到了这一点,不但成立了专门的政府机构,而且还从法律的角度提供了保障,相继出台并实施的《安全生产法》与《职业病防治法》体现了这一点。所以对目前条件下气体检测的技术与气体检测仪的选择提出了更高的要求。
一、生产过程中常见的有毒、有害气体介绍
在生产过程中对财产与人的健康、生命造成危害的因素大体上可以分为物理、化学与生物三方面。其中化学因素的影响危害性*大。而有毒有害气体又是化学因素中*普遍、*常见的部分。所以本部分重点介绍有毒有害的气体知识。
根据危害我们将有毒有害气体分为可燃气体与有毒气体两大类。有毒气体又根据他们对人体不同的作用机理分为刺激性气体、窒息性气体和急性中毒的有机气体三大类。
其中刺激性气体包括氯气、光气、双光气、二氧化硫、氮氧化物、甲醛、氨气、臭氧等气体。刺激性气体对机体作用的特点是对皮肤、黏膜有强烈的刺激作用,其中一些同时具有强烈的腐蚀作用。刺激性气体对机体的损伤程度与其在水中的溶解度与作用部位有关。一般来说,水溶性大的化学物,如氯气、氨气、二氧化硫等对眼和上呼吸道迅速产生刺激作用,很快出现眼和上呼吸道的刺激症状;水溶性较小的化学物,如光气、二氧化氮等,对下呼吸道及肺泡的作用较明显。刺激性气体造成的病变的严重程度除化学物本身的性质外,*重要的是与接触化学物的浓度和时间密切相关。短期接触高浓度刺激性气体,可引起严重急性中毒,而长期接触低浓度则可造成慢性损伤。急性刺激性气体中毒通常*出现眼及上呼吸道刺激症状,如眼结膜充血、流泪、流涕、咽干、咳嗽、胸闷等症状,随后这些症状可减轻或消失,经过几小时至3天不等的潜伏期后症状突然重现,很快加重,严重者可发生化学性支气管肺炎、肺水肿,表现为剧烈咳嗽、咯白色或粉红色泡沫痰、呼吸困难、发绀等,可因肺水肿或并发急性呼吸窘迫症等导致残废。
窒息性气体包括一氧化碳、硫化氢、氰氢酸、二氧化碳等气体。这些化合物进入机体后导致的组织细胞缺氧各不相同。一氧化碳进入体内后主要与红细胞的血红蛋白结合,形成碳氧血红蛋白,以致使红细胞失去携氧能力,从而组织细胞得不到足够的氧气。氰化氢进入机体后,氰离子直接作用于细胞色素氧化酶,使其失去传递电子能力,结果导致细胞不能摄取和利用氧,引起细胞内窒息。甲烷本身对机体无明显的毒害,其造成的组织细胞缺氧,实际是由于吸入气中氧浓度降低所致的缺氧性窒息。硫化氢进入机体后的作用是多方面的。硫化氢与氧化型细胞色素氧化酶中的三价铁结合,抑制细胞呼吸酶的活性,导致组织细胞缺氧硫化氢可与谷胱甘肽的巯基结合,使谷胱甘肽失活,加重了组织细胞的缺氧另外,高浓度硫化氢通过对嗅神经、呼吸道黏膜神经及颈动脉窦和主动脉体的化学感受器的强烈刺激,导致呼吸麻痹,甚至猝死。
急性中毒的有机溶剂有正己烷、二氯甲烷等。上述有机挥发性化合物同以上无机有毒气体一样,也会对人体的呼吸系统与神经系统造成危害,有的致癌,比如苯。由于有机化合物大多为可燃的物质,所以对于有机化合物的检测以前大多检测他的爆炸性,但有机化合物的*低爆炸极限远远大于它的MAC(空间*大允许浓度)的值。也*是说,对有机化合物的毒性进行检测是必要的,也是必须的。
可燃性气体的危害主要是气体燃烧引起爆炸,从而对财产与人的生命造成危害。但可燃气体发生爆炸必须具备一定的条件。一定量的可燃气体、足够的氧气与点燃的火源。以上三个条件缺一不可。通常将可燃气体发生爆炸的气体浓度称为*低爆炸极限,一般用LEL表示。不同的可燃气体具有不同的LEL。所以对于可燃气体的检测一般检测它的LEL。
二、有毒有害气体的检测原理与分类
气体检测器的关键的部件为传感器。气体传感器从原理可以分为三大类:
A)利用物理化学性质的气体传感器:如半导体、催化燃烧、固体导热、光离子化等。
B)利用物理性质的气体传感器:如热导、光干涉、红外吸收等。
C)利用电化学性质的气体传感器:电流型、电势型等。
下面将结合有毒有害气体检测常用的几种检测器来介绍他们的原理。
对于常见的可燃气LEL的检测,现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下,传感器的核心为一惠通斯电桥,其中一桥臂上有催化剂,当与可燃气体接触时,可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧,该桥臂的电阻发生变化,其余桥臂的电阻不变化,从而引起整个电路的输出发生变化,而该变化与可燃气体的浓度成比例,从而实现对可燃气体的检测。从以上原理可知,通过该方法检测可燃气,它以催化燃烧为基础,所以它的分辨率较低。该方法的分辨率一般为1%LEL,大约为100PPm左右。所以对于有机气体毒性的检测不能采用该检测方法。
对于常见有毒气体的检测,特别是无机毒气,一般采用专用的传感器进行检测。既定性又定量进行检测。该类传感器大多为电化学传感器。电化学传感器一般为三电极的形式。其中目标气体在工作电极上发生反应,产生的电流通过对电极构成回路,参比电极为工作电极提供合适的偏值。传感器通过参比电极与工作电极的催化剂实现选择性反应,即定性反应。回路产生的电流与气体的浓度成正比,实现定量反应。而一般的氧气传感器为两电极传感器,他的检测原理与三电极大致相似,只是采用三电极的传感器的输出更稳定,寿命更长。
对于有机挥发性气体毒性的检测,以前一般采用检测管的方法,但由于检测管的种类有限,且精度不高,操作麻烦,所以实际的应用受到影响。目前上比较*进的检测方法为光离子化检测方法,它的原理为,通过一紫外灯将目标气体电离,离子通过一传感器收集形成电流,该电流与目标气体的浓度成正比,从而实现对有机挥发性气体的定量检测,由于是离子级别的检测,所以该方法的分辨率高、响应时间快。该方法的分辨率达到0.1PPm,*高达到1PPb.从原理上可以知道,凡能被电离的有机物*能被仪器进行检测,而不能被电离的物质*不能被检测.由于大多书常见的无机气体的IE都很高,所以不会对检测进行干扰.而大多数的有机气体都能被电离,所以该检测器对有机挥发性气体来说,为宽带检测器.精度高、检测范围宽、响应时间短、易操作等特性决定了该仪器特别适于安全与工业卫生领域的应用。
三、如何选择有毒有害气体检测仪
在我国,由于历史和认识上的原因,我们在选用各类检测仪时存在的问题还比较多,具体体现在:
A)对可燃气体的检测重于对有毒气体的检测。
B)对可能引起急性中毒气体的检测重于对可能引起慢性中毒的气体的检测。
对于各类不同的生产场合和检测要求,选择合适的气体检测仪是每一个从事安全和生产工作的人员都必须十分注意的。这里,将*一些具体情况做一介绍,供大家参考。
1、确定所要检测气体种类和浓度范围
每一个部门所遇到的气体种类都是不同的,在选择气体检测仪时*要考虑到所有可能发生的情况。如果甲烷和其它毒性较小的烷烃类居多,选择LEL检测仪无疑是*为合适的。这不仅是因为LEL检测仪原理简单,应用较广,同时它还具有维修、校准方便的特点。如果存在一氧化碳、硫化氢等有毒气体,*要优*选择一个特定气体检测仪才能保证工作人员的安全。如果更多的是有机有毒有害气体,考虑到其可能引起人员中毒的浓度较低,比如芳香烃、卤代烃、氨(胺)、醚、醇、酯等等,*应当选择光离子化检测仪,而*不要使用LEL检测器应付,因为这可能会导致人员伤亡。
如果气体种类覆盖了以上几类气体,选择一个复合式气体检测仪可能会达到事半功倍的效果。
2、确定使用场合 工业环境的不同,选择气体检测仪种类也不同。
①固定式气体检测仪
这是在工业装置上和生产过程中使用较多的检测仪。它可以安装在特定的检测点上对特定的气体泄漏进行检测。固定式检测器一般为两体式,有传感器和变送组成的检测头为一体安装在检测现场,有电路、电源和显示报警装置组成的二次仪表为一体安装在安全场所,便于监视。它同样要根据现场气体的种类和浓度加以选择,同时还要注意将它们安装在特定气体*澳门蒲京赌场手机版,可能泄漏的部位,比如要根据气体的比重选择传感器安装的*有效的高度等等。
②便携式气体检测仪
由于便携式仪器操作方便,体积小巧,可以携带至不同的生产部位,电化学检测仪采用碱性电池供电,可连续使用1000小时;新型LEL检测仪、PID和复合式仪器采用可充电电池(有些已采用无记忆的镍氢或锂离子电池),使得它们一般可以连续工作近12小时,所以,作为这类仪器在各类工厂和卫生部门的应用越来越广。
如果是开放的场合,比如敞开的工作车间使用这类仪器作为安全报警,可以使用随身佩戴的扩散式气体检测仪,因为它可以连续、实时、准确地显示现场的有毒有害气体的浓度。这类的新型仪器有的还配有振动警报附件――以避免在嘈杂环境中听不声音报警,并安装计算机芯片来记录峰值、STEL(15分钟短期暴露水平)和TWA(8小时统计权重平均值)――为工人健康和安全提供具体的指导。
如果是进入密闭空间,比如反应罐、储料罐或容器、下水道或其它地下管道、地下设施、农业密闭粮仓、铁路罐车、船运货舱、隧道等工作场合,在人员进入之前,*必须进行检测,而且要在密闭空间外进行检测。此时,*必须选择带有内置采样泵的多气体检测仪。因为密闭空间中不同部位(上、中、下)的气体分布和气体种类有很大的不同。比如:一般意义上的可燃气体的比重较轻,它们大部分分布于密闭空间的上部;一氧化碳和空气的比重是差不多,一般分布于密闭空间的中部;而硫化氢等较重气体则存在于密闭空间的下部。同时,氧气浓度也是必须要检测的种类之一。另外,如果考虑到罐内可能的有机物质的挥发和泄漏,一个可以检测有机气体的检测仪也是需要的。因此一个完整的密闭空间气体检测仪应当是一个:具有内置泵吸功能――以便可以非接触、分部位检测;具有多气体检测功能――以检测不同空间分布的危险气体,包括无机气体和有机气体;具有氧检测功能――防止缺氧或富氧;体积小巧,不影响人工作的便携式仪器。只有这样才能保证进入密闭空间的工作人员的*安全。
另外,进入密闭空间后,还要对其中的气体成分进行连续不断的检测,以避免由于人员进入、突发泄漏、温度等变化引起挥发性有机物或其它有毒有害气体的浓度变化。
如果用于应急事故、检漏和巡视,应当使用泵吸式、响应时间短、灵敏度和分辨率较高的仪器,这样可以很容易泄漏点的方位。
在进行工业卫生检测和健康调查的情况时,具有数据记录和统计计算以及可以联接计算机等功能的仪器应用起来*非常方便。
目前,随着制造技术的发展,便携式多气体(复合式)检测仪也是我们的一个新的选择。由于这种检测仪可以在一台主机上配备所需的多个气体(无机/有机)检测传感器,所以它具有体积小、重量轻、响应快、同时多气体浓度显示的特点。更重要的是,泵吸式复合式气体检测仪的价格要比多个单一扩散式气体检测仪便宜一些,使用起来也更加方便。需要注意的是在选择这类检测仪时,*好选择具有单*开关各个传感器功能的仪器,以防止由于一个传感器损害影响其它传感器使用。同时,为了避免由于进水等堵塞吸气泵情况发生,选择具有停泵警报的智能泵设计的仪器也要安全一些。
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在本章中我们将着重讨论其它无机有毒有害气体检测仪的原理和应用,但实际上,我们很难将有毒有害气体简单地分为有机、无机两大类。因为在现实情况中,安全和卫生方面的遇到的气体很多都是有机无机气体的混合物。只是由于各种原因,目前我们对于有毒有害气体的认识还更多地集中于可燃气体、可以引起急性中毒的气体、以及某些常见的有毒气体、氧气等检测仪上,因此,本文将首先着重介绍这类检测仪,并综合目前的情况对各类有毒有害气体检测仪的应用提出建议。有毒有害气体检测仪的分类和原理:
气体检测仪的关键部件是气体传感器。气体传感器从原理上可以分为三大类: A)
利用物理化学性质的气体传感器:如半导体式、催化燃烧式、固体热导式等。B)
利用物理性质的气体传感器:如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。C)
利用电化学性质的气体传感器:如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。根据危害,我们将有毒有害气体分为可燃气体和有毒气体两大类。由于它们性质和危害不同,其检测手段也有所不同。可燃气体是石油化工等工业场合遇到最多的危险气体,它主要是烷烃等有机气体和某些无机气体:如一氧化碳等。
可燃气体发生爆炸必须具备一定的条件,那就是:一定浓度的可燃气体,一定量的氧气以及足够热量点燃它们的火源,这就是爆炸三要素,缺一不可,也就是说,缺少其中任何一个条件都不会引起火灾和爆炸。
当可燃气体和氧气混合并达到一定浓度时,遇具有一定温度的火源就会发生爆炸。我们把可燃气体遇火源发生爆炸的浓度称为爆炸浓度极限,简称爆炸极限,一般用%表示。实际上,这种混合物也不是在任何混合比例上都会发生爆炸而要有一个浓度范围。如上右图所示的阴影部分。当可燃气体浓度低于LEL时和其浓度高于UEL时都不会发生爆炸。不同的可燃气体的LEL和UEL都各不相同,这一点在标定仪器时要十分注意。为安全起见,一般我们应当在可燃气体浓度在LEL的10%和20%时发出警报,这里,10%LEL称。作警告警报,而20%LEL称作危险警报。这也就是我们将可燃气体检测仪又称作LEL检测仪的原因。需要说明的是,LEL检测仪上显示的100%不是可燃气体的浓度达到气体体积的100%,而是达到了LEL的100%,即相当于可燃气体的最低爆炸下限,如果是甲烷,100%LEL=4%体积浓度.在工作中,以LEL方式测量这些气体的检测仪是我们常见的催化燃烧式检测仪。它的原理是一个双路电桥检测单元。在这其中的一个铂金丝电桥上涂有催化燃烧物质,不论何种易燃气体,只要它能够被电极引燃,铂金丝电桥的电阻就会由于温度变化发生改变,这种电阻变化同可燃气体的浓度成一定比例,通过仪器的电路系统和微处理机可以计算出可燃气体的浓度。
直接测量可燃气体的体积浓度的热导式VOL检测器也可以在市场上得到,同时,也已经有了LEL/VOL合二为一的检测器。VOL可燃检测器特别适合于在缺氧的环境中测量可燃气体的体积浓度。有毒气体既可以存在于生产原料中,如大多数的有机化学物质,也可能存在于生产过程的各个环节的副产品中,如氨、一氧化碳、硫化氢等等。它们是对工作人员造成危害最大的危险因素。这种危害不仅包括立即的伤害,如身体不适、发病、死亡等等,而且包括对于人体长期的危害,如致残、癌变等等。对于这些有毒有害气体的检测是我们发展中国家应当开始引起充分重视的问题。
表 常见有毒有害气体的TWA、STEL、IDLH和MACmg/m3。 有毒气体 TWA STEL IDLH
MAC 氨气 (NH3) 25 35 500 30 一氧化碳(CO) 25 — 1500 30 氯气 (Cl2) 0.5 1
30 1 氰化氢 (HCN) 10 4.7 50 0.3 硫化氢(H2S) 10 15 300 10 一氧化氮 (NO)
25 — 100 — 二氧化硫(SO2) 2 5 100 15 VOC* 50 100 — —
随气体种类不同,其TWA、STEL、IDLH、MAC等值会有一定的不同
目前,对于特定的有毒气体的检测,我们使用最多的是专用气体传感器。它可以包括上面。所列的所有气体传感器,也包括前两章所介绍的光离子化检测仪。其中,检测无机气体最为普遍、技术相对成熟、综合指标最好的方法是定电位电解式方法,也就是我们常说的电化学传感器。电化学传感器的构成是:将两个反应电极–工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中,然后在反应电极之间加上足够的电压,使透过涂有重金属催化剂薄膜的待测气体进行氧化还原反应,再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流,然后由其中的微处理器计算出气体的浓度。目前,可以检测到特定气体的电化学传感器包括:一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、氯气、氰氢酸、环氧乙烷、氯化氢等等。
检测VOC检测
器可以使用前章介绍的光离子化检测器。氧气也是在工业环境中,尤其是密闭环境中需要十分注意因素。一般我们将氧气含量超过23.5%称为氧气过量(富氧),此时很容易发生爆炸的危险;而氧气含量低于19.5%为氧气不足,此时很容易发生工人窒息、昏迷以至死亡的危险。正常的氧气含量应当在20.9%左右。氧气检测仪也是电化学传感器的一种。目前在选择有毒有害气体检测仪时的问题:
在我国,由于历史和认识上的原因,我们在选用各类检测仪时存在的问题还比较多,具体体现在:1)
对可燃气体的检测重于对有毒气体的检测。2)
对可能引起急性中毒气体的检测重于对可能引起慢性中毒的气体的检测。由于众多可燃气体泄漏所引起的爆炸事故的血的教训,使人们对于可燃气体检测十分重视,可以讲,任何一个石化、化工厂,绝大多数的危险气体检测仪都是LEL检测仪。但仅配备LEL检测仪对于真正保护工人的安全和健康还是远远不够的。
不可否认的是,大多数的挥发性危险气体都是可燃气体,但是,催化燃烧式的可燃气体检测仪并不是对所有的可燃气体检测都是最佳选择。它是专门为检测甲烷设计的,而对其它物质的检测性能比较差。所以,它们可以检测出的除甲烷以外的可燃气体的下限浓度要远远高于它们的允许浓度。比如:对于苯、氨气等危险有毒气体,单纯使用可燃气体检测仪就是一个十分危险的做法。比如,苯的爆炸下限是1.2%,它在LEL检测仪上的校正系数是2.51,也就是说,苯在一个用甲烷标定的LEL检测仪上的显示的浓度只是其实际浓度的40%!!这样,用LEL可以检测到的苯的最低警报浓度是10%LEL=10%*1.2%*2.51=3.0*10-3,这个浓度同苯的允许浓度5*10-6相比要高近600倍!!。同样,氨在LEL检测仪上得到的警报浓度1.5*10-2也要比其允许浓度2.5*10-5高大约600倍。因此根据所检测气体的不同,选择特定有毒气体检测仪要比单纯选择LEL检测仪更加安全可靠得多。另外,目前我们对于可以引起急性中毒的气体,比如硫化氢、氰氢酸等的检测较为重视,但对于可以引起慢性中毒的气体,比如芳香烃、醇类等的检测重视不够,其实后者对于工人健康和安全的危害丝毫不逊于可以引起急性中毒的气体!它们可能引起癌变和其它的隐形病症,影响工人的寿命和健康。这种现象的出现,除了认识上的原因以外,以前市场上缺乏合适的、可以检测较低浓度的有机气体检测仪也是一个重要的原因。
随着科学技术水平的发展和人们健康认识的提高,人们已经不满足于仅仅”高高兴兴上班来,平平安安回家去”,而是追求着更高的生活质量和生活条件。人们不仅关心着今日的工作,更关心着明天—-退休以后的生活。因此在工业卫生和工业安全工作中要不断地引入新观念、新思路才能不仅要避免眼前的危险发生,而更要注意避免日后悲剧的发生,所有这些,都需要通过法规制定和人们素质的提高得到不断地改善和提高。我们将在下节内容中探讨如何选择和维护各类有毒有害气体传感器。