有机气体检测仪原理

作为仪器仪表的一个重要分支，气体检测仪器仪表(也称“气体探测器”)应用领域广泛，覆盖了工业、农业、交通、科技、环保、国防、航天航空及日常生活等各方面。通常，工业过程气体监控分析仪器划归分析仪器领域，常见的气体检测仪器仪表通常小型化、便携或固定式、独立工作或联成网络，广泛适用于石油、化工、冶金、采矿、制药、半导体加工、喷涂包装等工业现场和家庭、商场、液化气站、煤气站、加油站等民用/商用需防火防爆、预防中毒、空气污染的场所，以及农业温室气体检测、沼气分析和沼气安全监控和环保应急事故、恐怖袭击、危险品储运等方面。 　　近年来，随着中国经济的高速发展，仪器仪表产业也得到了快速发展，自2004年产销首次突破千亿元大关，行业发展进入了快车道，2006年行业总产值突破两千亿元 2007年仪器仪表行业总产值达3078亿元，增长率高达28.5% 据仪器仪表行业协会统计，08年上半年仪器仪表行业总产值实现 1755.9亿元，同比增长23.8%，其中分析仪器、环境监测仪器仪表增长率高达32%。 　　科学技术的进步为气体检测仪器仪表行业的发展提供了条件，市场和政府政策的推动、人们安全意识的提高、相关法规法律的完善是气体检测行业发展的核心动力，这些推动使气体检测仪器仪表行业处于产业高速增长期。 　　从技术发展的角度看，根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流。 　　未来一段时间，使用半导体和催化原理的气体检测仪器仪表依靠着价格优势仍会占据部分低端市场。电化学传感器及检测仪器，在精度要求高的低浓度毒性气体、有机蒸汽、酒精气体、氧气监测领域综合优势突出。红外气体传感器及仪器适用于监测各种易燃易爆、二氧化碳气体，具有精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰因素较小、寿命长等显著优点。这些优点将导致电化学、红外原理的气体检测仪器占领更广泛的行业高端市场，并在未来逐步成为市场主流。据不完全预测统计，未来几年国内每年各行业使用红外原理气体检测仪器仪表的需求量将达到170万台(套)，市场容量约为68亿元 使用电化学原理的气体检测仪器仪表的需求量将达400万台(套)，市场容量约为56亿元，前景广阔、增长迅速。 　　当前我国经济正处于高速增长期，国家对安全及环保的高度重视、相关政策和法规陆续出台，极大地刺激了气体仪器仪表行业市场容量的迅速扩大。 　　1)燃气行业 　　我国已建成了包括西气东输、陕京二线、忠武线、涩宁兰线以及冀宁联络线等在内的天然气输气干线。十一五期间，还要逐步完善全国油气管线网络，适时建设第二条西气东输管道及陆路进口油气管道。另外，中国还计划2010年使天然气在能源消费组合中的比重提高一倍，以减少对煤炭的依赖。据国家发改委公布的计划显示，2005年天然气在中国能源消费总量中所占比重为2.8%，2010年天然气在中国能源消费总量中所占比重应达到5.3%的目标水平。因此国家加大了对气田的开采和探寻力度，随之而来的是越来越多的国内气田投入生产。根据国家发改委网站公布的《能源发展“十一五”规划》，2010年天然气产量的目标将达920亿立方米，较07年产量增加逾50%。大量的天然气田开发和管道建设必将大大增加对天然气气体检测设备的需求，高性能的红外气体检测仪器仪表得到了难得的发展机遇。在气体的开采、处理、输送、使用环节，可燃气体检测仪器的需求将达到数十万台。 　　2)石油石化 　　从我国产业发展看，“十一五”期间，我国石油、化工业将遵照基地化、大型化、一体化的方向，优化发展基础化工原料，积极发展精细化工，淘汰高污染化工企业。据了解国家将在资源丰富和市场需求旺盛的地区建设若干个千万吨级炼油企业和百万吨级乙烯的炼化一体化基地，形成环渤海湾、环杭州湾、珠江三角洲等具有国际竞争力的炼化企业群。首批将建设四个国家级石油储备基地：宁波镇海、浙江舟山、山东青岛和辽宁大连 ，四个石油储备基地的总容量将达到1600万立方米。3年内，还将逐步形成20个左右的千万吨级原油加工基地。 　　在2008中国将会先期开始建设三大炼油工程，即：中国石油广西大炼油，总投资超百亿元，年加工原油1000万吨 中国石化青岛大炼油，总投资约125亿元，年炼油能力1000万吨 中国海油惠州大炼油 基建投资约人民币193亿元，年加工能力为1200万吨。国家还将采取园区化模式发展乙烯工业。近期即将上马七大乙烯工程， 2010年乙烯产能预计达到583万吨。这些近期开建或者规划的大型石油石化项目会大量使用相关的气体检测仪器仪表，尤其是高性能的、更具优势的红外光学类气体检测仪器。 　　国内石油石化产品需求保持稳步增长的同时，对石油石化产品的质量、品种等也将提出更多和更高的要求。组成原油的主要元素是碳、氢、硫、氮、氧，并且含硫、 氧、氮的化合物对石油产品有害， 在石油加工中需尽量除去。这就使生产加工过程中一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等毒性气体和苯、醛、酮等有机蒸气大量产生，对生产安全、环境保护造成威胁。目前普遍采用气体检测分析的方法予以控制，在石油生产中对可燃气体的泄漏检测、对氢、氧等环境气体的监控也需要使用气体检测仪表。据估计平均每万吨成品油生产去需用气体检测仪器仪表约 40台(套)，其中可燃气体20台(套)，以目前成品油2.2亿吨的年产量计算，气体检测仪器仪表年需求量约在88万台(套)左右，其中可燃气体检测仪器约44万台(套)、毒性气体检测仪器约22万台(套)、其它有机蒸汽及气体分析设备等22万台(套)。而各类油气站，对可燃气体、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等毒性气体和苯、醛、酮等有机蒸气检测的气体检测器需求量也很大，主要用于安全防护，防止中毒与爆炸事故，平均每各油气站需用气体检测仪器仪表约 7.2台(套)。2007年国内加油站总数量已超过10万座，则此方面对可燃气体检测仪器仪表年需求量约在72万台(套)左右。综合以上数据按每套气体检测仪器仪表按2500元计算分析目前在整个石油石化行业气体检测仪器仪表的市场容量约为40亿左右。 　　3) 化工 　　随着石油资源的日益紧张，煤化工作为我国中长期能源发展战略的重点，必将在今后的长期发展中占据重要的地位。我国规划投资逾1万亿元大力发展煤化工产业，计划在全国打造七大煤化工产业区，分别是黄河中下游、蒙东、黑东、苏鲁豫皖、中原、云贵和新疆。与此同时化工企业向煤化工转型已成趋势，相继有双环科技、泸天化、云天化、柳化股份、湖北宜化纷纷涉足煤炭企业，向煤化工转移做准备。 　　在工业路线中无论是炼焦工业、煤气化-合成氨、煤基甲醇、煤制合成油、煤化工联产都对气体报警产品有广泛的需求，尤其是对二氧化硫、硫化氢、一氧化碳、氯气、氨气等气体传感器需求量非常大，初步计算,平均每万吨焦炭生产需用气体传感器约 22台(套)，其中可燃气体10台(套)、毒性气体12台(套) 以目前焦炭2.6亿吨的年产量计算，需用可燃气体检测仪器26万台(套)，毒性气体检测仪器超过31.2万台(套)，合计年需求量约在57.2万台(套)左右，按每套气体检测仪器仪表2000元计算，目前在整个煤化工行业气体检测仪器仪表的市场容量将达11.44亿元。 　　精细化工、生物化工、专用化工、农用化工等大型化学制造工业园区对气体检测器也有广泛需求。在最新颁布的《危险化学品建设项目安全设施目录》明确规定须安装“压力、温度、液位、流量、组份等报警设施，可燃气体、有毒有害气体、氧气等检测和报警设施。 ”目前我国已在建的化工园区达60多家。依托长江水系的长江经济带和长江三角洲地区，形成了四川西部化工城、苏州工业园、上海化学工业区等化工园 依托珠江水系的珠江经济带和泛珠江三角洲地区，形成了茂名、惠州、珠海等化学工业园区。仅上述化学工业园区内，进驻的化工企业总计就超过7300家，生产领域覆盖了基础化学原料及合成材料、化学原料及化学制品制造、农药、专用化学品和橡胶制品等门类，对气体检测产品的需求是全方位的，几乎涵盖了所有气体种类，其中以有机蒸汽、可燃其它、含硫含氮毒气检测产品最多。随着国家安检总局对化工、危化品加工安全要求的不断严格，化工、危化品加工领域气体检测仪器仪表的用量也逐年增加，现在年市场容量约30万台(套)，其中可燃气体约22.7万台(套)，有机蒸汽和毒性气体约7.3万台(套)。按每套产品2000元计算将有6亿元以上的市场规模。 　　4)冶金行业 　　冶金行业对气体检测使用最多最广泛的主要集中在钢铁和铝生产方面。我国是全球第一大钢铁生产国。2006-2010年期间，我国钢铁产能将增长2.4亿吨，基本与“十五”期间增长的 2.6亿吨产能相当，企业产能规模增长迅速。2007年国内百万吨级产能规模的企业122家，千万吨级的企业有十三家，分别是鞍本集团、宝钢、新唐钢、武钢、马钢、沙钢、首钢、济钢、莱钢、华菱集团、包钢、太钢、安阳钢铁，其中鞍本集团产能2800万吨，宝钢集团达到2750万吨(不包括八一500万吨)，新唐钢2600万吨，武钢1800万吨(不包括柳钢600万吨)。 　　按目前国内企业在建项目和兼并重组趋势，到2010 年，2000万吨以上规模企业将达到6家，其中鞍本集团和宝钢集团产能都将超过4000万吨，新唐钢集团规模将超过3000万吨，而首钢集团、山东钢铁集团、武钢集团规模也将在2500万吨以上。同时，未来还将有新的千万吨级企业出现。总之，2010年前我国钢铁工业仍处在规模扩张时期，而到2010年以后，我国钢铁工业发展方向将由数量级扩张向质量级提升方向发展。钢铁企业的快速发展和扩张，特别是新建钢铁生产项目对气体检测产品存在巨大的需求。 　　除了钢铁以外，铝业行业的不断发展导致相关企业对气体传感器的需求也不断增加。目前，我国已经形成了山东淄博、河南郑州、山西河津、河南中州、贵州贵阳、广西平果六大氧化铝基地，最近又批准了广西华银和晋北两个氧化铝基地，加上拟批准的两个氧化铝项目，全国最终将形成十大氧化铝基地。 　　在钢铁、炼铝行业广泛应用的是一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氮氧化物等气体传感器，主要是监测燃料燃烧状况，提高燃料利用率，节能降耗 监测废气状况，降低污染 同时也检测工业场所气体泄漏，保障生产安全、预防职业病。百万吨级产能规模的企业，平均每年需用气体检测仪器仪表约1100台(套)，千万吨级钢铁企业年需求量约为4000台。 若以百万吨规模钢铁企业116家，千万吨级企业10家计算，冶金行业中仅钢铁企业毒性气体检测仪器年需求量就在16万台(套)以上。加上铝冶炼等冶金行业，由此推之，冶金行业年需求量应在26万台(套)以上。 　　综合以上数据按每套气体检测仪器仪表按2000元计算分析目前在整个冶金行业气体检测仪器仪表的市场容量约为5.2亿左右。 　　5)煤炭行业 　　支撑我国经济快速发展的能源产业重点之一的煤炭产业，对各种瓦斯传感器装备数量更为庞大。我国是世界最大煤矿安全仪器装备国，也是重要的煤矿安全仪器生产国之一。目前我国重点煤矿各种瓦斯传感器装备数量以百万计，但是安全问题仍然严峻，伤亡人数和财产损失空前巨大。因此国家对煤矿安全要求也愈加重视。根据国家发改委公布的《煤炭工业“十一五”发展规划》，2006年全国煤炭产量初步统计为23.25亿吨，其中国有重点煤矿11.25亿吨、地方国有煤矿 3.08亿吨、乡镇煤矿8.92亿吨。在煤矿行业中，年产百万吨的矿井的安全监控系统最少需要安装瓦斯传感器20个，且每年有30%的更换率。由此计算每年气体传感器的总需求量为116万个，有18亿元以上的市场规模。其中30%可能需要使用红外测量原理的气体检测设备，这不仅提高了煤矿瓦斯检测水平，而且对气体检测行业的升级也是一个极大的拉动。 　　6)环保保护 　　随着国家环保控制力度的不断加大，环保领域气体检测仪器仪表的用量也逐年增加，在锅炉烟气检测、大气质量检测等方面应用越来越多，环保领域气体传感器的用量逐年增加。环保领域主要使用的是毒性气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体。应用最多的是定电位电解式电化学气体传感器，对CO、H2S、 NH3、SO2、NOX、Cl2及其它化合物蒸气，如HCl、HCN等有毒气体的检测。其具体应用包括锅炉烟气检测、大气质量检测等方面应用，随着环境保护要求的提高，其需求量将迅速增加。在锅炉烟气检测方面，我国运行中的锅炉约有15000台，每台锅炉至少有两个烟道，烟气分析传感器至少需配备两台，仅此一项需求就在3万台以上。环境气体监测涉及的方面更为广泛，从环境大气监测到工业气体排放检查，都要使用气体传感器与分析检测仪器仪表。根据《环境空气质量检测规范》的规定，国家环境空气质量评价点的设置数量应按每25-30km2建成区面积设1个监测站，并且不少于8个点。由此计算环保检测领域每年的气体检测器需求大于10万台。年市场容量约10万台(套)。按每套产品5000元计算将有5亿元以上的市场规模。 　　7)航空航天、现代军事、防化反恐等需求量 　　我国航天事业发展迅猛，现代化强大海军的建设，潜艇与水面舰只，甚至航母都在发展计划之列 所有这些领域，都涉及串舱等密闭、半密闭空间毒性、爆炸性气体检测技术。国际局势的动荡，恐怖活动和生化战争时有可能发生，对于各种杀伤性毒气的监测在警用安全防护、防化反恐方面的需求也日益迫切。这些高精尖技术领域的气体传检测方面应用需要大量的气体检测仪器仪表，估计每年总需求量超过3万台(套)，主要为毒性气体检测需求，会形成3亿元以上的市场规模。 　　8)室内空气质量控制 　　随着安全健康意识的增强，人们越来越迫切地对地下商城、地下车库、商务大厦、轨道交通等空间内的空气质量或中央空调自动换气进行控制。该领域主要是对二氧化碳气体浓度进行检测。由于二氧化碳气体化学性质极为稳定，一般的化学检测方法无法对它进行测量，但红外气体传感器却能很方便的对二氧化碳进行检测。 　　在农业大棚或孵化室中，动植物生长过程与二氧化碳气体浓度密切相关。二氧化碳气体浓度的多少直接影响着该农产品的产值，并且不同植物、动物生长过程中对二氧化碳浓度需求各不同，所以在种植、养殖过程中对二氧化碳定期的检测是必要的。该领域二氧化碳气体的检测，红外方法是最好的选择。 　　来自国家蔬菜工程技术研究中心的数据表明，我国设施园艺总面积已占世界的80%，其中设施蔬菜面积近3000万亩。大棚总数量近2000万个，其中我国大型连栋温室制造已形成产业，数量达150万个。大型连栋温室对气体检测的要求主要集中在检测二氧化碳气体。 　　据测算，上述领域先进的红外气体检测器需求量将达到30万台。按每台2000元计算可形成6亿元的产业规模。 　　9)其它用户需求 　　在制药、食品、农村沼气测量、市政管网、污水处理、城市管网、通讯电力、半导体制造等领域，气体检测仪器也有广泛的市场空间。 　　制冷、食品行业需要检测氨气的浓度，市政方面用于自来水处理和下水道污水处理的氯气、硫化氢气体需要检测，医疗卫生需要检测氧气。相关传感器的总计需求量每年约在10万台(套)以上。加上其它行业特殊气体检测(如半导体、电力等)，综合来看，该领域毒性气体检测仪器仪表具有较大的市场规模。 　　地下城市管网是每个城市建设的重大项目之一，也是人们和谐生活的基础设施保障。在我国，地下管道、通讯电力管网常因沼气、燃气含量过高，引发爆炸事件，导致人员伤害、设施损毁。要实现安定和谐的城市生活，城市地下管网安全问题必须彻底解决。目前，我国只有少数城市由国外进口红外气体检测仪对城市地下管网进行检测。通常一个地级城市的市政管网(燃气、电信、电力)仅维护竖井会达到数百个，中心城市更是达到数千之多，均迫切需要成本适中、工作可靠的危险气体监测装置。可见地下水管道、市政管线维护领域是推广红外气体传感器的重要市场，前景广阔，可望达到数十万台套。 　　随着国家经济发展和能源短缺，迫使我国不得不从新能源和可再生能源上解决我国能源紧张的矛盾。2007年5月农业部颁布了《农业生物质能产业发展规划》，明确指出了沼气、生物液体燃料、秸秆能源是“十一五”期间的生物质能的重点发展对象。计划到2015年，农村户用沼气总数达到6000万户左右，年生产沼气233亿立方米左右，并逐步推进沼气产业化发展。到2015年，建成规模化养殖场、养殖小区沼气工程8000处，年产沼气6.7亿立方米。” 而在《全国农村沼气服务体系建设方案》中明确要求各级政府重点支持配备各种服务设备，包括沼气检测设备(甲烷检测仪)。按照“以项目村为依托建立乡村沼气服务网点，每个网点具备为 300-500个沼气农户服务的能力”的要求计算，2015年，农村6000万沼气用户需建成服务网点12-20万个，配用沼气检测仪器数量也达12万台以上，主要以红外气体检测仪器为主。 　　10)国家“十一五” 规划中还明确提出要振兴我国装备制造业，积极发展大型石油化工、煤化工设备、百万吨级大型乙烯、大型PTA装置 　　大力发展汽车、火车、船舶、飞机等运输设备和海洋石油工程装备、大型矿石和原油运输船、集装箱船、液化天然气船、高附加值船舶及配套设备。这些大型装备在制造和使用过程中大都需要对可能产生的易燃易爆、有毒有害气体进行监控检测。通常这些大型成套设备对红外气体检测仪器具有更迫切的需求，相关市场容量可达数万台套。 　　11)道路交通安全检测领域 　　来自公安部交管局的最新信息显示：截至2008年6月底，我国汽车保有量达6122万辆，且增速迅猛，给道路交通安全执法带来压力，导致道路交通事故发生率居高不下。在所有导致死亡的交通事故原因中，酒后驾驶排在超速行驶，不按规定让行和违法占道行驶之后居第四位，占事故发生总量的10%~15%。酒后交通事故导致的死亡人数平均每年以惊人的的速度上升。 　　判断一个人是否酒后驾驶，最简单可行的方法是现场检测驾驶人员的呼气中的酒精含量。该方法也是发达国家警察系统主要采用的检测方式。根据2008年12月20日，公安部发布了修订后的《道路交通安全违法行为处理程序规定》中明确提到，调整抽血检验程序，提高执法效率。规定对经呼吸测试达到或者超过醉酒临界值，当事人对测试结果有异议的才进行抽血检验，从而减少了执法环节，提高了执法效率，也为呼出气体酒精含量的检测有效性提供了法律依据。当前，采用电化学传感器的呼出气体酒精含量检测器是能够满足法规要求而又经济的唯一解决方案。 　　目前，全国各交警队正在普及推广呼出气体酒精含量检测器，使用量增长迅速。近5年来，机动车和驾驶员的数量每年分别以10%、15%以上的速度递增，交警的执法力度不断增加.2007年全国交警总人数在20万人以上，而相关报道表明，目前警用酒精检测仪装备配备率低于10%，国家计划在未来3年内在主要交警队普及呼出气体酒精含量检测器配备，以配备率达到60%计算，未来3年电化学呼出气体酒精含量检测器需求量也有 10万台以上。 　　12)民用燃气泄漏及一氧化碳检测 　　随着我国大气田的不断发现和西气东输工程的投入使用，燃气使用普及率大幅度提高。家庭燃气安全事故时有发生，燃气的安全使用却来越被重视，安装可燃气体报警器已成为多个城市的强制性要求。全国约9000万天然气及液化石油气用户，如果十分之一使用可燃气体报警器，总量即达900万台，按每台100元计算，则有9亿元的市场容量。 　　家庭、商业场所使用非电能烹饪、取暖，均可能不完全燃烧产生一氧化碳气体。一氧化碳是无色无味的气体，不易觉察，极易产生危险。全球范围历年因一氧化碳中毒事件造成大量人员伤亡。因此各国政府对民用一氧化碳检测极为重视。如：在2006年我国卫生部，中宣部、教育部、公安部、民政部、建设部、信息产业部、国家环境保护总局、中国气象局、国务院新闻办公室就联合制定了《非职业性一氧化碳中毒事件应急预案》 同年12月建设部联合十部委向各地下发了《关于加强非职业性一氧化碳中毒防范工作的通知》，要求，各地区、各有关部门要认真做好非职业性一氧化碳中毒防范工作。2007年教育部也根据自身教育系统内的特点下发了《教育部关于做好2007年秋冬季中小学幼儿园安全工作的预警通知》，要求有条件的学校要在学生宿舍安装一氧化碳报警装置。 　　另一个需要安装气体报警器的是使用燃气热水器特别是直排式燃气热水器的场所。由于燃气热水器使用不当或质量缺陷导致发生不完全燃烧，造成一氧化碳中毒现象时有发生。国家统计局中国行业企业信息发布中心发布的《2006年消费品市场重点调查报告》显示，仅2006年我国共生产燃气热水器即达到836.96万台。截止2006年底，我国颁发燃气热水器生产许可证企业153家，燃气热水器社会拥有量已在3,000万台以上，其中 50%以上是直排式。为了安全，国家技术监督局已发布强制性标准(GB6932-94)，要求燃气热水器必须有防止不安全燃烧的保护装置，要求上述热水器 5年内安装完一氧化碳报警(控制)器，仅此每年就需要600万台。 　　从另一个角度看，我国家庭或公共场合使用燃气能源烹饪、取暖、洗浴非常普及并快速发展，全国超过13亿人口，按3亿个家庭计算，如果有百分之一的家庭使用也有300万的市场容量，加上公共场合的使用每年也有不小于350万的市场容量。 　　欧美等发达国家，由于冬季取暖大量使用壁挂炉，各国对一氧化碳检测也都极为重视。目前美国、英国和加拿大一些国家立法规定新建房屋和现有住宅必须安装一氧化碳报警器。目前，国外一氧化碳报警器已进入超市大量销售，年用量超百万台。 　　综合以上市场信息，可以预见，各种气体检测仪表伴随我国经济的快速发展也将迎来高速增长的时期。相对于近几年仪器仪表行业20%以上的市场增长速度。气体检测仪器仪表行业的速度更是达到惊人的30%。据测算，未来5年，上述领域对家庭商业应用的气体检测仪器需求量可达1000万台以上 工业可燃气体检测仪器的需求超过500万台，其中红外气体检测仪器的需求量将达到170万台(套)、市场容量约为68亿元 测量毒性气体的电化学仪器仪表需求量将达到 400万台(套)、市场容量约为56亿元，市场前景广阔,增长迅速。 　　广阔的市场需求极大的刺激了国内气体检测仪器仪表生产企业的创新和成长。国内民用气体检测器总产量从2000年的190万台增加到2008年310万台，工业用气体检测器总产量从2000年的17 万台增长至 2008年的96万台。据统计目前国内气体检测仪器仪表企业已有三百余家，其中年营业额超过2000万的气体检测仪器仪表企业不足二十

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