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有毒有害氣體檢測安全技術 （一） 可燃性氣體檢測 1、 可燃氣體的爆炸范圍和爆炸極限 可燃性氣體在空氣中可能會發生燃燒（即在點燃后， 火焰會從燃點開始擴散） 和爆炸時的周圍環境必須符合四個條件， 即適量的氧氣、 適量的可燃性氣體、 點火源以及足夠的分子能量，這樣才能維持燃燒的鏈式反應。如果這四個條件中的任何一個沒有或不足， 燃燒或爆炸就不可能發生。 我們將空氣混合物中可燃性氣體可以發生燃燒時的最低體積濃度%VOL 稱為燃燒下限 LFL%。將空氣混合物中可燃性氣體可能被點燃后發生爆炸時的最低體積濃度%VOL 稱為爆炸下限LEL%。 從定義上可以看出， 燃燒下限 LFL%和爆炸下限 LEL%兩者的含義是不同的。 但在實際應用上的方便， 可以不加區分， 互相替代使用。不同的可燃性氣體有不同的 LFL / LEL。低 于 LFL / LEL的可燃性氣體或蒸氣， 由于對氧氣的比例太低， 不可能發生燃燒或爆炸。 大多數的（不是全部） 可燃性氣體或蒸氣還具有一個高限體積濃度， 在此濃度值之上， 可燃性氣體也不會發生燃燒或爆炸。燃燒上限 UFL%是可燃性氣體的蒸氣和氣體在空氣中支持燃燒的最大體積濃度。

相對應的還有一個爆炸上限 UFL%。 同樣在使用上也不加區分。 高于 UFL / UEL 時， 因為可燃性氣體的蒸氣和氣體同氧氣的濃度比例太大， 或者說由于氧氣不足， 以至于無法反應而是燃燒擴散， 也就不會發生燃燒或爆炸。 2、 可燃性氣體的定義在實際工作中， 可燃性氣體泛指具有燃燒能力的氣體。 在國際上一般采用列舉 （特指） 和概括兩種方式來規定那些氣體是可燃性氣體（簡稱可燃氣體）。 （1） 國際上特指以下 32 種氣體為可燃氣體。 序 可燃性氣體 爆炸范圍， % 序 可燃性氣體 爆炸范圍， % 1 丙烯腈 3~7 2 丙烯醛 2.8~31 3 乙炔 2.5~81 4 乙醛 4.1~55 5 氨 16~25 6 一氧化碳 12.5~74.5 7 乙烷 3~12.5 8 乙胺 3~14 9 乙苯 1~6.7 10 乙烯 3.1~32 11 氯乙烷 3.8~15.4 12 氯乙烯 4~22 13 氯甲烷 10.7~17.4 14 環氧乙烷 3~100 15 環氧丙烷 2.1~21.5 16 氰化氫 6~14 備注： 爆炸范圍是指 LEL 和 UEL 的體積濃度。 17 環丙烷 18 二甲胺 19 氫氣 20 三甲胺 21 二硫化碳 22 丁二烯 23 丁烷 24 丁烯 25 丙烷 26 丙烯 27 溴甲烷 28 苯 29 甲烷 30 甲胺 31 二甲醚 32 硫化氫 2.4~10.4 2.8~14.4 4~75 2~11.6 1.3~44 2~11.5 1.9~8.5 1.6~9.3 2.2~9.5 2.4~10.3 13.5~14.5 1.3~7.1 5.3~14 4.9~20.7 3.4~27 4.3~45 （2） 其他氣體符合下列條件之一者， 也屬于可燃氣體范疇。

①爆炸下限在 10%VOL 以下者。 ②爆炸范圍的上限與下限之差在 20%VOL 以上者。 3、 常用的濃度單位工程換算（1） %LEL 與%VOL 的換算 當可燃氣體達到了爆炸下限 LEL 以上就有爆炸的危險。 為了計算和說明的方便，一般將爆炸下限 LEL分成 100份有害氣體檢測， 即 1LEL = 100%LEL； 例如， 甲烷單獨存在 100%LEL = 5.3%VOL， 也就是說， 一般的報警單位 10%LEL = 0.53%VOL； 即當環境中甲烷 濃度 0.53%體積時， 就應該意識到危險狀況的存在。 （2） %VOL 與 ppm、 ppb 的換算 1ppm = 1000ppb =1/1000000VOL 或者 10-6 100%VOL = 106ppm = 109ppb 以甲烷為例，10%LEL = 0.53%VOL = 53000ppm 如果是苯乙醇報警器， 則 10%LEL = 0.13%VOL = 13000ppm（注意，苯的立即致死量 IDHL 是 500ppm！！） （3） ppm 與 mg/m3的換算 V（ppm） = W（mg/m3） ×24.46 / M 式中： V 為 ppm 為單位的體積濃度值。

W 為 mg/m3為單位的絕對重量的濃度值。 M 為待測物質的分子量。 （4） 混合可燃氣體的爆炸極限的計算 用 Vn 表示一種可燃氣體在混合物中的體積分數有害氣體檢測， LELn 和UELn 分別為此種可燃氣體的爆炸下限和爆炸上限， 則混合氣體的爆炸下限為： LEL = 100 /（V1/LEL1 + V2/LEL2 + … +Vn/LELn）（%VOL） 同理， 混合氣體的爆炸上限為： UEL = 100 / （V1/UEL1 + V2/UEL2 + … +Vn/UELn）（%VOL） 例如， 一天然氣的組成為甲烷 80%VOL（LEL 甲烷=5.3）， 乙烷 15%VOL（LEL 乙烷=3.0）、 丙 烷 4%VOL（LEL 丙烷=2.2）、 丁 烷1%VOL（LEL 丁烷=1.9）， 則此天然氣的爆炸下限為： LEL 天然氣= 100 / （805.3 + 15/3.0 + 4/2.2 + 1/1.9） = 4.46%VOL 從以上計算可以看出， 盡管甲烷占了大多數， 但由于乙烷、丙烷和丁烷的存在， 使得天然氣的爆炸下限相對于甲烷降低了很多。 4、 可燃氣體爆炸場所的劃分 世界各國對危險場所區域劃分不同， 但大致分為兩大派系： 中國和大多數歐洲國家采用國際電工委員會 （IEC） 的劃分方法，而以美國和加拿大為主要代表的其他國家采用北美劃分方法。

中國標準 GB3836.14--2000《爆炸性其他環境用電氣設備，第 14 部分： 危險場所分類》 的規定如下： 0 區 爆炸性氣體環境連續出現或長時間存在的場所。 1 區 在正常運行時可能出現爆炸性氣體環境的場所。 2 區 在正常運行時不可能出現爆炸性氣體環境， 如果出現也是偶爾發生， 并且僅是短時間存在的場所。 0 區， 一般只存在于密閉的容器、 儲罐等內部氣體空間； 在實際防爆設計過程中 1 區也很少涉及； 大多數情況屬于 2 區。 美國、 加拿大等北美國家危險區域的劃分依據 NEC（美國國家電氣規程） 的定義， 對爆炸性氣體環境劃分為 1 區、 2 區 （沒有 0 區）。 兩者之間的對應關系大致如下： 氣體 IEC 0 區、 1 區——NEC 1 區 IEC 2 區——NEC 2 區 具體的比較見下表。 爆炸性 物質 在正常情況下， 爆炸性氣體混合物連續或長時間存在的場所。 在正常情況下， 爆炸性氣體混合物有可能出現的場所。 在正常情況下， 爆炸性氣體混合物不可能出現， 僅僅在不正常情況下偶爾或短時間出現的場所。 在正常情況下， 爆炸性粉塵或可燃性纖維與空氣的混合物可能連續出現、 短時間頻繁地出現或長時間存在的場所。

在正常情況下， 爆炸性粉塵或可燃性纖維與空氣的混合物不可能出現， 僅僅在不區 域 定 義 IEC 標準 NEC 標準 氣體 CLASS Ⅰ 0 區 Div. 1 1 區 2 區 Div. 2 可燃性粉塵或纖維 CLASS Ⅱ /Ⅲ 10 區 Div. 1 2 區 Div. 2正常情況下偶爾或短時間出現的場所。 備注： IEC 中的“區” 的英文定義為 Zone， 而在 NEC 中的“區” 的英文定義為 Division。 4、 本質安全型電氣設備的安全特點 （1） 本質安全型電氣設備防爆特點 本質安全型電氣設備又稱安全火花型電氣設備。 它的特點時電氣設備在正常狀態下和故障狀態下， 電路、 系統產生的火花和達到的溫度都不會引燃爆炸性混合物。它的防爆主要有以下措施來實現。 ①采用新型集成電路元件等組成儀表電路， 在較低的工作電壓和較小的工作電流下工作。 ②用安全柵把危險場所和非危險場所的電路分隔開， 限制由非危險場所傳遞到危險場所去的能量。 ③儀表的連接導線不會形成過大的分布電感和分布電容，以減少電路中的儲能。 （2） 本質安全型電氣設備應用特點 由于本質安全型電氣設備的防爆性能不需要采用通風、 充氣、 充油、 隔爆等外部措施實現， 而是通過其電路設計本身實現，因而是本質安全。

這類電氣設備可適用于一切危險場所和一切爆炸性氣體、蒸氣混合物， 并可以在通電的情況下進行維修和調整。但是， 對于本安型固定式儀表， 由于必須使用控制器（或系統）。所以不能單獨使用， 必須和本安關聯設備（安全柵）、 外部配線一起組成本安系統， 才能發揮防爆功能。 （3） 本安型 ia 和 ib 兩種的區別 ia 等級： 在正常工作狀態下， 以及電路中存在一個故障或兩個故障時， 均不能點燃爆炸性氣體混合物。 在 ia 型電路中，工作電流被限制在 100mA 以下。 ib 等級： 在正常工作狀態下， 以及電路中存在一個故障時， 不能點燃爆炸性氣體混合物。 在 ib 型電路中， 工作電流被限制在 150mA 以下。 從本質安全角度講， ia 型適用于 0 區和 1 區， 以及工廠；而 ib 型僅適用于 1 區和煤礦井下。 5、 防爆方法對危險場所的適用性 序號 防爆型式 代號 國家標準 防爆措施 適用區域 1 隔爆型 d GB3836.2 隔 離 存 在 的點火源 GB3836.3 設 法 防 止 產生點火源 GB3836.4 限 制 點 火 源的能量 GB3836.4 Zone1， Zone2 2 增安型 e Zone1， Zone2 3 本安型 ia ib Zone0~2 4 正壓型 p GB3836.5 危 險 物 質 與點火源隔開 Zone1， Zone2 5 充油型 o GB3836.6 Zone1， Zone2 6 充砂型 q GB3836.7 Zone1， Zone2 7 無火花型 n GB3836.8 設 法 防 止 產生點火源 Zone2 8 澆封型 m GB3836.9 Zone1， Zone2 9 氣密型 h GB3836.10 Zone1， Zone2 6、 爆炸性危險氣體的分類 按照爆炸性危險氣體的形態存在的場所， 防爆等級分為三大類， 見下表。

工況類別 氣體分類 代表性氣體 礦井下 Ⅰ 甲烷 Ⅱ A 丙烷 Ⅱ B 乙烯 Ⅱ C 氫氣 粉塵纖維類 Ⅲ爆炸性危險氣體的分類、 分級、 分組舉例見電氣安全技術問答部分。 最小引爆火花能量， mJ 0.280 0.180 0.060 0.019 礦 井 外 的 工廠7、 防爆標志格式說明 （1） 工廠或礦區中常用防爆電氣設備要求的防爆形式 ①Ex（ia） Ⅱ CT6 標志內容 符號 防爆聲明 Ex 符合某種防爆標準， 如我國的國家標準。 防爆方式 ia 采用 ia 級本質安全防爆方法， 可安裝在 0 區。 氣體類別 Ⅱ C 被允許涉及Ⅱ C 類爆炸性氣體。 溫度組別 T6 儀表表面溫度不超過 85℃。②Ex（ia） Ⅱ C 標志內容 符號 防爆聲明 Ex 符合某種防爆標準， 如我國的國家標準。 防爆方式 ia 采用 ia 級本質安全防爆方法， 可安裝在 0 區。 氣體類別 Ⅱ C 被允許涉及Ⅱ C 類爆炸性氣體。 （2） 煤礦中常用防爆電氣設備要求的防爆形式 煤礦用隔爆型電氣設備為 ExdⅠ ， 本質安全型為 ExibⅠ 或ExiaⅠ ， 隔爆兼本質安全型為 Exd（ib） Ⅰ或 Exd（ia） Ⅰ， 增安型為 ExeⅠ ， 增安兼本質安全型為 Exe（ib） Ⅰ。

含義 含義 氧氣濃度與深度之間的關系美國 NIOSH 測出氧氣濃度隨深度變化的數據見下表。 由表面開始的深度， m 1.5 20.5 2.0 20.0 3.0 14.0 氧氣濃度， % 由表面開始的深度， m 4.0 5.0 氧氣濃度， % 6.5 4.0 從上表中可以看出， 如果僅僅從有限空間的進入點檢測氧氣濃度， 可能就無法發現在有限空間底部的煙氣不足。 因此， 所有的有限空間的垂直分布都要進行氧氣濃度的檢測。 工業中常見的幾種耗氧行為 在工業生產過程中， 常見的耗氧行為有：（1） 微生物行為。 微生物（包括植物微生物和動物微生物）通過新陳代謝的方式消耗氧氣。 如苔蘚、 綠藻的生長， 動物身體的腐敗等都要消耗氧氣。 曾有報道， 在一個 2.23m3干燥的空間，因底部有一只老鼠的粉狀尸體， 因尸體分解導致其空間底部的氧氣濃度只有 5%。 （2） 氧化。 有機物的氧化、 鋼鐵的生銹就是一種消耗氧氣的氧化過程。 在像水罐、 船艙等有濕度的情況下， 金屬的銹蝕可以引起強烈的氧氣不足。 （3） 燃燒。 可燃物的燃燒可以不僅僅消耗氧氣， 同時還會產生大量的有毒物質， 包括氮、 碳、 硫的氧化物。

（4） 吸收或吸附。 有些物質（如活性炭） 可以在空氣中直接吸收或吸附氧氣， 造成缺氧。 各類傳感器的使用壽命 各類傳感器都具有一定的使用壽命（或稱為使用年限）。 一般將來， LEL 傳感器的使用壽命較長， 可以使用 3 年。 紅外和光離子化檢測儀的使用壽命為 3 年或更長一些。電化學特定氣體傳感器的使用壽命相對短一些，一般在 1~2 年。 氧氣傳感器的使用壽命最短甲醇報警器， 一般只有 1 年左右的時間。 電化學傳感器的使用壽命取決于其中電解液的干涸， 所以如果長時間不用， 將其密封放在較低溫度的環境中可以延長一些使用壽命。 對于固定式儀器由于體積相對較大， 傳感器的使用壽命也較長一些。 常見氣體傳感器的檢測范圍、 分辨率和最高承受濃度 常見氣體傳感器的檢測范圍、 分辨率和最高承受濃度見下表。傳感器 一氧化碳 硫化氫 二氧化硫 一氧化氮 氨氣 氰化氫 氯氣 VOC 檢測范圍， ppm 0~500 0~100 0~20 0~250 0~50 0~100 0~10 0~5000 分辨率 1 1 0.1 1 1 1 0.1 0.1 最高濃度， ppm 1500 500 150 1000 200 100 30 -- 備注： VOC 是有機有毒有害氣體的統稱。

各類有毒有害氣體檢測器都有其固定的檢測范圍， 即線性范圍， 只有在線性范圍內進行檢測， 才能保證檢測的準確性。 在線性范圍之外的檢測， 其準確性是不能被保證的。 此外， 長時間在線性范圍之外進行檢測， 將使傳感器遭到永久性的破壞。 例如， LEL 傳感器， 如果不慎在超過 100%LEL 的環境中使用， 就有可能徹底燒毀傳感器。 而對于有毒有害氣體傳感器長時間工作在較高濃度下， 就會造成電解液飽和， 使傳感器遭到永久性的破壞。 所以， 對于便攜式或固定式檢測器在使用時發出超限信號時， 要立即離開現場， 以保證人員和檢測儀器的安全。 使用氣體檢測儀器時應注意的問題 在選擇和使用氣體檢測儀器時應注意的以下問題： （1） 對有毒有害氣體的檢測與可燃氣體的檢測同等重要。 （2） 對可能引起慢性中毒的氣體檢測與可能引起急性中毒的氣體檢測同等重要。 （3） 檢測可燃氣體時應同時檢測有毒有害氣體的濃度。 （4） 檢測可燃氣體濃度時應考慮標定氣體影響。 使用催化燃燒式的可燃氣體檢測儀器（LEL） 并不是對所有的可燃氣體都有效， 因為可燃氣體檢測儀器是使用甲烷進行標定的， 當檢測甲烷以外的可燃氣體的下限濃度時， 要遠遠高于他們 的允許安全濃度。

對于苯、 氨氣等具有可燃性和有毒性的氣體，單純檢測其可燃性時是十分危險的。 例如， 苯的爆炸下限是1.3%， 它在 LEL 檢測儀上的校正系數是 2.8， 也就是說， 苯在一個用甲烷標定的 LEL 檢測儀上的顯示的濃度只是其實際濃度的30%； 這樣， 用 LEL 可以 檢測 道德苯的 最低警報濃度是10%LEL=10%×1.3%×2.8=36400ppm， 這個濃度同苯的立即致死濃度（IDHL） 的 500pmm 相比要高近 70 倍。 或者說， 在 LEL檢測報警儀對苯的 10l%LEL 報警時， 現場工作人員的生命已經受到了極大的威脅。 可燃及有毒有害氣體檢測儀的選用技術要求 可燃及有毒有害氣體檢測儀的安裝技術要求 （1） 可燃及有毒有害氣體檢測儀的安裝技術要求 ①檢測器宜布置在可燃氣體或有毒氣體釋放源的最小頻率風向的上風側。 ②可燃氣體檢測器的有效覆蓋水平平面半徑， 室內宜為7.5m； 室外宜為 15m。 在有效覆蓋面積內， 可設一臺檢測器。 有毒氣體檢測器與釋放源的距離， 室外不宜大于 2m， 室內不宜大于 1m。 ③應設置可燃氣體或有毒氣體檢測報警儀的場所， 宜采用固定式； 當不具備設置固定式的條件時， 應配置便攜式檢測報警儀。

④可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統宜為相對獨立的儀表系統。 ⑤在露天或半露天布置的設備區內， 當檢測點位于釋放源的最小頻率風向的上風側時， 可燃氣體檢測點與釋放源的距離不宜大于 15m， 有毒氣體檢測點與釋放源的距離不宜大于 2m； 當 檢測點位于釋放源的最小頻率風向的下風側時， 可燃氣體檢測點與釋放源的距離不宜大于 5m， 有毒氣體檢測點與釋放源的距離宜小于 lm。 ⑥可燃氣體釋放源處于封閉或半封閉廠房內， 每隔 15m 可設一臺檢測器， 且檢測器距任一釋放源不宜大于 7.5m。 有毒氣體檢測器距釋放源不宜大于 1m。 ⑦比空氣輕的可燃氣體釋放源處于封閉或半封閉廠房內，應在釋放源上方設置檢測器， 還應在廠房內最高點易于積聚可燃氣體處設置檢測器。 ⑧不在檢測器有效覆蓋面積內的下列場所， 宜設檢測器： a 使用或產生液化烴和／ 或有毒氣體的工藝裝置、儲運設施等可能積聚可燃氣體、 有毒氣體的地坑及排污溝最低處的地面上。 b 易于積聚甲類氣體、 有毒氣體的“死角”。 ⑨檢測比空氣重的可燃氣體或有毒氣體的檢測器， 其安裝高度應距地坪（或樓地板） 0.3-0.6m。 注： 氣體密度大于 0.97kg/m3（標準狀態下） 的即認為比空氣重； 氣體密度小于 0.97kg/m3（標準狀態下） 的即認為比空氣輕。

⑩檢測比空氣輕的可燃氣體或有毒氣體的檢測器， 其安裝高度宜高出釋放源 0.5--2m。 （2） 可燃及有毒有害氣體檢測儀控制器的安裝技術要求 ①可燃氣體控制器應安裝在儀表室等非防爆場所， 嚴禁安裝在防爆場所。 ②控制器無論何種安裝方式，應確保固定牢靠有害氣體檢測， 避免震動、灰塵和水， 環境應符合儀器說明要求。 ③控制器應采用相對清潔的電源， 避免與大型電機設備使用同路電源。 ④控制器應外殼接地或電源插頭的地線接地。

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