气体传感器在石油化工行业的应用

（中国石化化工股份有限公司安庆分公司 炼油一部，安徽  安庆  246001）

摘  要：石油化工企业伴生众多有毒有害和易燃易爆气体，这些气体泄漏会造成严重的安全事故和环境破坏。气体传感器能够快速实时监测这些气体，因此气体传感器在石油化工企业的应用日益广泛。本文简要阐述了气体传感器的分类、气体泄漏的危害，以及主要气体常感器的在石油化工行业中的应用和气体传感器的发展。

关键词：泄漏；气体传感器；石油化工行业; 应用

随着现代化进程的不断加快，石油化工企业蓬勃发展。石油化工企业伴随许多有毒有害和易燃易爆气体，例如H2、H2S、SOx、NOx、NH3和VOC等气体。近些年，气体泄漏导致生产安全事故频发，这些事故造成不同程度的财产和人员损失，因此对这些有害易燃气体的监测就显得很重要。气体检测常用气相色谱质谱法、化学法和气体传感器检测法三种。气相色谱法必须先现场采样，再进行室内分析，测定时间长，不能满足现场监测需求，不易及时监测气体的泄漏。化学法应用范围比较窄，检测灵活性比较差。气体传感器是一种将某种气体的种类和浓度转化成对应电信号的转换器，类似人类的鼻子，能够实时、快速、准确、重复使用。随着石油化工企业重点对其伴随的各类气体进行监测，因此气体传感器将被大规模的投入使用。

1 气体传感器

气体传感器是以气敏元件为核心部件构建出的一种传感器件。气敏元件感知环境中某种气体及其浓度，再将气体的种类和浓度转化成电信号，电信号再被收集处理，进行检测、监控、分析和警报。气体传感器的种类众多，可以按照待测气体的种类、气体传感的构造、传感输出的方式、传感元件的材料以及工作原理进行分类。

气体传感器从检测气体的种类大致可以分成四类，可燃易爆气体传感器主要检测氢气、一氧化碳、甲烷、汽油气等；有毒气体传感器主要检测硫化氢和氯气等；工业过程气体传感器主要检测氧气和二氧化碳气体；污染类气体传感器甲醛、臭氧和VOC气体等。根据作用原理大致可以分成四大类，分别为电学类气体传感器、光学类气体传感器、高分子气敏材料传感器和电化学类气体传感器。根据气敏材料及作用效应可分为半导体气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器、光学气体传感器、催化燃烧式气体传感器等。

2  气体泄漏的危害

氨气应用领域广，被广泛应用于化工、化肥、制药、合成纤维等领域^[6]。2012年7月28日，贵州某化工厂发生氨气泄漏，造成一人死亡；2013年6月3日，吉林省德惠市液氨设备和管道发生爆炸，事故造成121中毒死亡；2013年8月31日，上海市翁牌冷藏实业公司液氨泄露，造成15人死，25人中毒。2014年9月7日，宁夏捷美丰友化工公司发生氨气喷发，41人急性氨中毒；2015年11月28日19时56分，邯郸市龙港化工公司发生液氨泄漏，造成3中毒人死亡、8人中毒住院；2020年6月17日，马鞍山市马钢化工能源科技有限公司发生氨气泄漏，当场有3人中毒，后造成2人死亡。

硫化氢气体有臭鸡蛋气味，常常是工业生产中气体中毒的罪魁祸首。2007年5月14日，乌鲁木齐石油化工总厂炼油厂的加氢精制车间发生了一起硫化氢泄漏事件，5人硫化氢中毒；2008年6月12日，昆明安宁齐天化肥公司发生硫化氢中毒事故，造成6人死亡、29人中毒；2014年4月25日，中国化工沈阳石蜡化工有限公司气分装置检修施工过程中发生硫化氢中毒事故，造成3人死亡。2019年12 月 15 日，湖北阳新县驰顺化工有限公司发生硫化氢气体泄漏，造成2名工人死亡；2021年2月28日，吉林化纤硫化氢中毒事故，5死8伤；2021年5月24日，四川长宁县双河镇福荣笋类食品厂废水处理间在检维修作业时发生硫化氢中毒事故，造成7人死亡，1人受伤。硫化氢气体泄漏事故不仅仅这些，但是发生泄漏，就可能造成重大安全事故。

可燃气体能燃烧而放出热量，供居民和企业使用，遇到高温或者电火化都会产生爆。2010年1月7日，兰州石化公司石油化工厂316罐区轻烃泄漏发生爆炸起火事故，事故造成5人死亡，1人重伤；2010年7月28日，南京第四塑料厂拆迁工地丙烯泄漏爆燃，13人死亡，120人住院治疗；2011年01月17日，常德海厂区发生甲烷泄露，导致30多人名身体感觉不适的群众被送往医院；2012年6月29日，中国石化加氢裂变氢气泄漏，厂区发生爆炸，造成严重经济损失；2015年6月28日，内蒙古伊东九鼎化工公司发生氢气泄露爆炸事故，造成施工的3名工人死亡，6人受伤；2019年3月30日，山东青州一车间液化天然气泄露爆炸，致5死3伤；

VOC气体即挥发性有机化合物，主要包括:芳烃类、卤烃类、烷类、烯类、醋类、醛类、酮类以及其他等。VOC气体一般具有刺激气味，长时间吸入会严重危害人体神经和内脏。氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）两者是石油化工和煤化工的产物，是形成酸雨的主要物质，对于环境和人类的危害极大。

3  主要气体传感器的应用

氢气作为一种清洁能源，人们对氢气的需求量不断加大。炼化企业减压渣油加氢脱金属、加氢脱硫、加氢裂化、加氢裂解等工艺需要消耗大量的氢气，同时炼化企业柴油裂解制乙烯工业、催化干气水蒸气、乙烷裂解制乙烯等工艺副产氢气。炼化企业装备大量的氢气传感器装置，利用气体传感器全过程监测这些工艺生产中氢气是否发生泄漏。目前监测可燃性气体传感器的类型有电化学式、半导体式、接触燃烧式等，但催化/接触燃烧式气体传感器是现阶段主流监测氢气的传感器，也是监测液化石油气等可燃性气体的气体传感器。

原油中含有大量硫元素，加氢脱硫（HDS）和液化气脱硫工艺中会产生大量的硫化氢气体，催化剂硫化工艺则需要添加硫化氢来保持催化剂活性^[9]。大量的硫化氢气体循环在管道中，含硫废水中也夹杂着大量硫化氢气体。存在硫化氢的装置和场所都会安装硫化氢传感报警器。硫化氢气体传感器因此成了石油化工企业中不可缺少的重要部件

土地贫瘠化加剧，人类需对的粮食增加。化肥作为植物的养分，可以提升粮食产量，加剧对化肥的需求。化肥的生产需要氨气，合成氨工艺装置合成大量氨气^[10]，氨气的储存运输和加工过程可能会发生氨气泄漏。长时间接触低浓度的氨气会难以察觉，引起慢性中毒，高浓度的氨气会直接致人死亡。化工、轻工、化肥、制药、合成纤维等领域都需要氨气传感器来检测氨气的浓度和泄漏状况。

4  气体传感器规模

气体传感器主要探测H2S、NOX、NH3、HCN、H2、COX、CXHY、SOX及VOC等，这些气体需要用的各式各样的气体传感器来监测。其中触媒燃烧式类传感器用量最多，半导体式用量第二，电化学式用量第三，光学式用量第四位^[11]。携带式化学传感器的使用以半导体式的传感器的用量最多，电化学式第二位，触媒式排第三位，即工厂仍以固定监控式为主，移动式监控为辅。其中携带式化学传感器以半导体式最多，主要可能是半导体式结构简单，体积缩小后便于携带。

从全球来看，2018年全球传感器行业市场规模突破2000亿美元，2019年达2256亿美元，同比增长10%，预计到2025年，全球传感器规模将达到3200亿美元左右。2016年到2020年我国传感器产业市场规模保持增长态势，从1419.3亿元增长至2510.36亿元。预计截至2021年末我国传感器产业市场规模将达到2951.8亿元。

5  结束语

化工企业排放和生产的气体种类很多，大多都是有毒和易燃气体。随着石油化工企业对人生安全和环境保护愈加重视，对这些气体的检测也更加密集和频繁，各类气体传感器被大规模的应用。各国研究人员不断开发新型气体传感器，以及优化之前开发出的气体常感器，以便于更加有效的运用在化工企业生产。

参考文献

[1] Vesely P , Lusk L , Ba Sarova G , et al. Analysis of aldehydes in beer using solid-phase microextraction with on-fiber derivatization and gas chromatography/mass spectrometry[J]. J Agric Food Chem, 2003, 51(24):6941-6944.

[2]赵羽, 汪正范. 化学危险品的检测[J], 现代仪器. 2011,17(04)：93-95

[3] Ca Ssella R J , Santelli R E , Teixeira L , et al. Determination of sulfide in waters by flow-injection solid phase spectrophotometry[J]. Analyst, 2000, 125(10):1835-1838.

[4]祝艳涛, 方正, 罗建波,等. 甲醛气体传感器研究进展[J]. 中国测试技术, 2008, 34(1):5.

[5]潘小青, 刘庆成. 气体传感器及其发展[J]. 东华理工学院学报, 2004, 27(1):89-93.

[6] Yu Z Y, Wang B, Li Y, et al. The effect of rigid phenoxyl substituenton the NH3 sensing properties of tetra-a-(4-tert-butylphenoxyl)-metallophthalocyanine/reduced graphene oxide hybrids[J]. Advances, 2017, 7(36): 22599-22609.

[7]黎焕珍. 关于工业VOC的危害分析及治理技术探讨[J]. 环境与发展, 2019, 31(2): 65-66.

[8]高飞. 浅议炼油企业中的氢气需求及制氢技术的发展[C] 中国石油炼制技术大会. 中国石油学会, 2009.

[9]李太银. 炼化企业加氢装置硫化氢的产生及安全防护[J]. 中国化工贸易, 2015.

[10]薛俊红. 浅谈环境空气中氨的来源及污染现状[J]. 山西科技, 2017, 32(1):3.

[11]吴蓬兴. 浅议化学传感器在化工气体检测中的应用[J]. 科技信息.2008, 34:308.

来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第11期  在线投稿  >>