气体传感器在各大工业安全领域的应用

气体传感器在各大工业安全领域的应用

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。

（一）在煤矿和天然气工业安全领域的应用

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CH4、CO和H2S。CH4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：CH4、CO、H2S、O2。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。

（二）在石油开采和炼化工业安全领域的应用

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、CH4、CO、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，而且还有加氢工艺。因此，所需要测的气体包括CH4、H2、CO、H2S、C2H6、C2H4、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ppb-ppm级别VOC 的PID，但价格也是最贵。

（三）在钢铁冶金工业安全领域的应用

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。

（四）在空气分离和燃气工业安全领域的应用

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O2、N2、He、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。

（五）在半导体工业安全领域的应用

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。