煤矿井下环境对甲烷催化元件性能影响的探讨

论文摘要

目前,瓦斯爆炸是煤矿安全生产中最严重的灾害之一。因为甲烷（CH4）是瓦斯的主要成分,所以当前煤矿都用对甲烷气体浓度的检测作为瓦斯含量的参考指标。依据煤矿安全工作的要求,对矿井瓦斯含量进行连续准确及时监测是必须的,同时也是煤矿安全生产的重要保证措施之一。检测甲烷气体浓度的方法很多,如安全灯法、热传导法、红外光谱吸收法、光干涉法、超声波法、气敏半导体法以及催化燃烧法等等。应用以催化燃烧法为工作原理的甲烷催化元件检测瓦斯浓度的甲烷报警矿灯、便携式瓦斯检测报警仪以及安全监控系统中的甲烷传感器占据了煤矿瓦斯检测仪器的主导地位,是煤矿动态监视矿井瓦斯浓度的有效工具,对煤矿安全生产起到了至关重要的作用。甲烷催化元件检测瓦斯浓度的原理:向甲烷催化元件通以恒定的工作电流,将其加热到约500℃左右,利用敏感元件对瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上发生无焰燃烧,放出热量使元件温度上升,增加了敏感元件铂丝的电阻值,然后通过测量电路测量敏感元件电阻值的变化量,从而得到相应的瓦斯浓度。目前,绝大部分的测量电路都以惠斯通电桥为其核心。本文的主要工作如下:（1）探讨甲烷催化元件检测甲烷气体的化学反应机理;（2）依据甲烷催化元件热平衡理论、微结构传热理论分析煤矿井下环境因素对其性能的影响;（3）依据影响甲烷催化元件的各煤矿井下环境因素,研制甲烷催化元件自动检测系统及相应的煤矿井下环境模拟试验装置;（4）依据理论分析、自动检测系统以及试验模拟装置探讨煤矿井下各环境因素影响甲烷催化元件性能的规律。本文围绕“煤矿井下环境对甲烷催化元件性能影响的探讨”,依据甲烷催化元件检测甲烷气体的化学反应机理、热平衡原理以及微结构传热理论,得出了以下结论:（1）煤矿井下长期高温、高湿环境易于使甲烷催化元件产生“积碳”现象,同时易于增加其传质过程的阻力,从而导致其灵敏度下降;（2）减小甲烷催化元件催化剂颗粒直径可以提高其灵敏度;（3）甲烷催化元件的零点漂移、灵敏度变化及基本误差在短时间内受煤矿井下温度、湿度、风速影响较小;（4）粉尘对甲烷催化元件灵敏度影响较大,尤其当粉尘浓度为10mg/m3、连续运行3d后,其灵敏度＜12mV/%CH4;（5） H2S气体的混入会使甲烷催化元件的灵敏度在很短的时间内下降到一个远小于12mV/%CH4,造成催化剂中毒;（6）瓦斯流量为（160～220）mL/min时甲烷催化元件灵敏度最稳定;（7）当甲烷催化元件从氧化环境到还原环境,再从还原环境到氧化环境的变化检测过程中,灵敏度会发生很大变化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景、研究目的及意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 内部影响因素研究现状
• 1.2.1.1 敏感材料
• 1.2.1.2 配对工艺
• 1.2.1.3 制造工艺
• 1.2.1.4 抗毒性能
• 1.2.2 检测电路研究现状
• 1.2.2.1 定压检测
• 1.2.2.2 变流检测
• 1.2.2.3 恒温检测
• 1.2.2.4 使用环境影响研究现状
• 1.3 本文研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 煤矿井下环境影响甲烷催化元件化学反应机理的分析
• 2.1 概述
• 2.2 甲烷催化元件的化学反应机理
• 2.2.1 元件结构
• 2.2.1.1 载体
• 2.2.1.2 催化剂
• 2.2.2 化学反应机理
• 2.2.2.1 分级反应
• 2.2.2.2 次级反应
• 2.2.2.3 铂表面上的反应
• 2.3 煤矿井下环境对化学反应机理的影响
• 2.4 本章小结
• 3 煤矿井下环境影响甲烷催化元件性能的理论分析
• 3.1 概述
• 3.2 甲烷催化元件的工作原理
• 3.3 甲烷催化元件的热平衡方程分析
• 3.4 微结构传热理论分析
• 3.4.1 热传导分析
• 3.4.2 自然对流传热分析
• 3.4.3 热辐射分析
• 3.4.4 微构造的热特性分析
• 3.5 本章小结
• 4 甲烷催化元件的使用环境
• 4.1 概述
• 4.2 矿井空气物理学
• 4.2.1 矿井空气
• 4.2.2 空气的物理性质
• 4.3 矿井气候条件
• 4.3.1 井下空气温度
• 4.3.2 井下空气湿度
• 4.3.3 井巷中的风速
• 4.4 矿井压力
• 4.5 甲烷催化元件的使用环境
• 4.6 本章小结
• 5 矿井气候环境模拟
• 5.1 概述
• 5.2 测试系统的设计
• 5.2.1 甲烷催化元件专用气室
• 5.2.2 专用试验箱体
• 5.2.3 惠斯通电桥电路
• 5.2.4 数据采集集成电路
• 5.2.5 系统软件
• 5.2.6 其它
• 5.3 温度湿度影响试验装置
• 5.3.1 主要技术参数
• 5.3.2 工作原理
• 5.4 风速影响试验装置
• 5.4.1 主要技术参数
• 5.4.2 工作原理
• 5.4.3 结构简图
• 5.5 粉尘影响试验装置
• 5.5.1 主要技术参数
• 5.5.2 工作原理
• 5.5.3 结构框图
• 5.6 本章小结
• 6 煤矿井下环境影响甲烷催化元件性能的规律分析
• 6.1 概述
• 6.2 温度、湿度、风速对零点及灵敏度的影响规律
• 6.2.1 温度变化的影响规律
• 6.2.2 湿度变化的影响规律
• 6.2.3 风速变化的影响规律
• 6.3 粉尘的影响规律
• 6.4 硫化氢气体的影响规律
• 6.5 温度、湿度、风速对基本误差的影响规律
• 6.5.1 温度变化的影响规律
• 6.5.2 湿度变化的影响规律
• 6.5.3 风速变化的影响规律
• 6.6 其他两个问题的探讨
• 6.6.1 灵敏度与气样流量的关系
• 6.6.2 灵敏度的波动性
• 6.7 本章小结
• 7 结论
• 参考文献
• 致谢