基于不同測量原理的煙氣含濕量方法比對

姜帆 王瑩

（1 武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000；2 長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 長沙 410004）

一、研究背景

煙氣含濕量（以下簡稱“含濕量”）是指煙氣中水分含量的體積百分?jǐn)?shù)（單位，%），其準(zhǔn)確性直接影響環(huán)保領(lǐng)域的排放總量計(jì)算與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的過程控制效率。在環(huán)保領(lǐng)域中，煙氣污染物排放濃度和排放量，是使用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干氣采樣體積中的含量計(jì)算，需要準(zhǔn)確測量含濕量用于換算干氣采樣體積。而在能源領(lǐng)域中，冷凝式燃?xì)忮仩t的熱工性能測試也需要對其進(jìn)行準(zhǔn)確測量。因此含濕量測量的準(zhǔn)確性直接影響排放總量計(jì)算和國家環(huán)保指標(biāo)考核，以及工業(yè)生過程控制效率。

隨著我國科技的不斷發(fā)展，含濕量測量方法除了常見的干濕球法、阻容法和重量法，還出現(xiàn)了激光法和基于自伴熱抽氣式煙氣濕度測量方法（以下簡稱“伴熱抽取法”）。基于不同測量原理的儀器，有著不同的環(huán)境適應(yīng)性和測量準(zhǔn)確性。為了能夠準(zhǔn)確分析各類儀器的差異，本研究選取典型的工況環(huán)境進(jìn)行比對測試，包括水泥廠排氣筒、玻璃廠排氣筒、垃圾焚燒廠排氣筒、燒結(jié)廠區(qū)脫硫脫硝塔、實(shí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼廠排氣筒、食品設(shè)備制造公司冷凝式燃?xì)忮仩t等。

本研究的目的在于可結(jié)合現(xiàn)場的歷史工況數(shù)據(jù)，比對研究結(jié)論，選取更加適合應(yīng)用現(xiàn)場的煙氣含濕量測量方法，保證測量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，為環(huán)保監(jiān)測和工業(yè)過程控制提供有效的數(shù)據(jù)支撐，從而最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

二、測試原理、方案及儀器選擇

文獻(xiàn)[1]給出的試驗(yàn)結(jié)論中提到：“干濕球法能較準(zhǔn)確測定煙溫在100℃以下煙氣的含濕量，但測量煙溫較高煙氣的含濕量準(zhǔn)確度較差，且不適合測量正壓煙氣”，本次試驗(yàn)不選擇干濕球法的儀器進(jìn)行測試。

文獻(xiàn)[2]中提出“重量法是在所有濕度測量方法中可以達(dá)到最高準(zhǔn)確度的絕對濕度測量方法”，故而將重量法原理的儀器測量值作為標(biāo)準(zhǔn)值。本次試驗(yàn)最終選取阻容法、激光法和伴熱抽取法三種測量原理的儀器與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對。

（一）重量法原理及測試儀器

按照文獻(xiàn)[3]給出的標(biāo)準(zhǔn)測量方法改造煙氣采樣器，以該儀器作為恒流采樣裝置，由煙道中抽取一定量的煙氣，并準(zhǔn)確測量采樣體積，煙氣通過裝有吸濕劑的吸濕管（吸濕管置于冰水混合物中），吸濕劑的增重即為已知體積煙氣中含有的水分量。計(jì)算公式見文獻(xiàn)[3]。

（二）阻容法原理及測試儀器

文獻(xiàn)[2]中給出該儀器的原理：“利用濕敏元件的電阻值、電容值隨環(huán)境濕度的變化而按一定規(guī)律變化的特性進(jìn)行濕度測量”，本次測試選用TH-230 煙氣參數(shù)測試儀（武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司），該儀器煙槍前端的不銹鋼過濾燒結(jié)頭內(nèi)安裝有高精度電容式溫濕度傳感器。

（三）激光法原理及測試儀器

選用國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《面向復(fù)雜工況的激光高溫濕度傳感器研制與產(chǎn)業(yè)化》（任務(wù)編號2017YFF0105104）項(xiàng)目組研制，基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技術(shù)的含濕量測量裝置，配合濕度大動(dòng)態(tài)范圍自適應(yīng)算法、激光器溫度電流控制技術(shù)等，該裝置可在20℃-350℃的工況條件下使用。

（四）伴熱抽取法

選用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的GD-600C 煙氣組份分析儀作為測試裝置，該儀器主要用于冷凝式燃?xì)忮仩t采用逆向抽氣裝置將濕煙氣與冷凝液滴分離，在同點(diǎn)煙氣伴熱條件下先測量煙溫，而后將濕煙氣加熱后，使用濕敏電容測量加熱后的溫濕度，并計(jì)算含濕量，具體原理詳見文獻(xiàn)[4]的附錄B。

三、測試方案設(shè)計(jì)

本次測試主要比對四種既定方法在不同工況條件（如煙氣溫度、水分飽和程度）下測量的準(zhǔn)確度。在現(xiàn)場測試之前，為保證測試結(jié)果的有效性，首先將待測試設(shè)備同時(shí)置于恒溫恒濕箱內(nèi)，分別在不同溫度和相對濕度下進(jìn)行測試，相對偏差較大時(shí)對其重新校準(zhǔn)，保證不同測量方法的數(shù)據(jù)平行性優(yōu)于1%。

為了得到更加直觀的比對測試結(jié)果，現(xiàn)場煙道同一截面上至少有兩個(gè)采樣孔，且直徑不小于80mm，可同時(shí)將激光法溫濕度測量儀和阻容法溫濕度測量儀放置于同一采樣孔內(nèi)，將重量法采樣裝置煙槍探入同一截面上的另一個(gè)采樣孔同時(shí)測試。

伴熱抽取法是冷凝式燃?xì)忮仩t熱工性能測試的國標(biāo)方法[4]，儀器在顆粒物濃度較高的現(xiàn)場使用會將采樣口堵塞，故而只在實(shí)行超低排放的不銹鋼廠和冷凝燃?xì)忮仩t的現(xiàn)場比對測試中采用伴熱抽取法,測試目的是判斷同樣使用阻容式溫濕度傳感器作為測量元件的裝置，在采用阻容法和伴熱抽取法時(shí)的差異性。

所有現(xiàn)場的測試時(shí)長均為50 至60 分鐘，每隔1 分鐘分別記錄測試儀器的顯示值，重量法儀器采樣時(shí)長與測試時(shí)長相同，并根據(jù)現(xiàn)場含濕量經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置采樣流量，即當(dāng)現(xiàn)場含濕量高于10%時(shí)將采樣流量設(shè)置為500mL/min，否則將其設(shè)置為1000mL/min。

測試數(shù)據(jù)分析方法采用以下兩種：各儀器測試結(jié)果取算術(shù)平均值，與重量法測試結(jié)果做比對，得到相對誤差；將相對誤差較大的測試結(jié)果中的溫度和含濕量以趨勢圖的形式呈現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)曲線的變化和現(xiàn)場工況，分析造成測量誤差增大的影響因素。

四、測試數(shù)據(jù)與分析

（一）測試數(shù)據(jù)相對誤差計(jì)算與分析

通過對表1的計(jì)算與分析，可以看出激光法在所有現(xiàn)場均有較好的測量準(zhǔn)確性，伴熱抽取法的兩組測試數(shù)據(jù)相對誤差也能夠滿足測量準(zhǔn)確度要求，阻容法在水泥廠排氣筒、燒結(jié)廠脫硫脫硝塔和冷凝式燃?xì)忮仩t的測試數(shù)據(jù)相對誤差較大，但在其余現(xiàn)場均能較為準(zhǔn)確地測量，故而將三個(gè)相對誤差較大的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)趨勢圖進(jìn)一步分析。

表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)平均值及相對誤差

（二）測試數(shù)據(jù)趨勢圖分析

1.水泥廠排氣筒

水泥廠排氣筒屬于高溫低濕現(xiàn)場，排氣筒的溫濕度會由于生產(chǎn)工藝過程控制，發(fā)生較大幅度的變化。

通過圖1 可以看出，激光法的含濕量數(shù)據(jù)曲線總體趨勢是隨著煙溫的增加而下降的，但下降過程中有大幅度的上下波動(dòng)，經(jīng)過對現(xiàn)場的了解，曲線波動(dòng)趨勢與當(dāng)時(shí)生產(chǎn)過程控制相符。阻容法的含濕量測量數(shù)據(jù)偏低，通過查閱傳感器資料，發(fā)現(xiàn)阻容式溫濕度傳感器的測量溫度不得高于150℃，測試現(xiàn)場煙溫超過180℃，已無法進(jìn)行正常測量。

2.燒結(jié)廠脫硫脫硝塔

燒結(jié)廠脫硫脫硝塔煙溫偏低，含濕量偏低，溫濕度較為穩(wěn)定。

通過圖2 可以看出，激光法與阻容法的含濕量測量數(shù)據(jù)曲線趨勢一致，但阻容法曲線在Y 軸方向整體上移，這是由于阻容法儀器測量值比激光法高出0.2，而阻容法曲線在X 軸方向整體右移，這是由于現(xiàn)場顆粒物濃度較高，煙溫較低，儀器前端不銹鋼燒結(jié)頭被輕微堵塞，使得阻容法儀器測量整體遲滯2-3 分鐘，最終導(dǎo)致相對誤差超過5%。

3.冷凝式燃?xì)忮仩t

冷凝式燃?xì)忮仩t煙溫偏低，含濕量很高，極易出現(xiàn)冷凝的情況。

通過圖3 可以看出，伴熱抽取法和激光法測量數(shù)據(jù)保持一致，而在測試前期阻容法測試數(shù)據(jù)也與其他方法向吻合，隨后突然升高，測試結(jié)束后，通過觀察阻容法儀器的傳感器發(fā)現(xiàn)其表面出現(xiàn)了結(jié)露的現(xiàn)象，直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，而激光法煙槍前端有加熱元件，伴熱抽取法煙槍全程伴熱，均避免了冷凝結(jié)露造成的測量異常。

五、結(jié)論

四種原理的儀器均能夠在不同工況現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)對含濕量的手工采樣測試，區(qū)別在于：重量法儀器不便攜帶且無法在現(xiàn)場得到測量數(shù)據(jù)，只適合用于比對試驗(yàn)或仲裁；激光法儀器價(jià)格偏高，更適合在復(fù)雜工況條件下(如高溫、腐蝕性強(qiáng)、顆粒物濃度較高、水分飽和度較高等)使用；阻容法儀器使用現(xiàn)場的煙溫不得高于其測量上限，且工況條件如顆粒物濃度、水分飽和度等也會影響其測量準(zhǔn)確性；伴熱抽取法目前只適用于冷凝式燃?xì)忮仩t或其他工況條件非常好的現(xiàn)場使用。

在線監(jiān)測方案可以考慮激光法和阻容法兩種原理的儀器，兩種儀器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，能夠快速反應(yīng)當(dāng)前測量對象的含濕量情況，可以根據(jù)現(xiàn)場煙溫等環(huán)境因素和經(jīng)濟(jì)條件對兩種原理儀器進(jìn)行選擇。

在今后的含濕量儀器研發(fā)過程中可以將阻容法和伴熱抽取法的原理結(jié)合，從而擴(kuò)大儀器的適用范圍，為含濕量測試工作提供更多、更加有效的技術(shù)手段。由于本次測試條件有限，參與測試的儀器種類與數(shù)量較少，往后的測試也將找到更多不同類型的國內(nèi)外含濕量測量儀，讓測試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠，也有著更廣的覆蓋面。