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任公司，湖北 武漢 430000；2 長沙環境保護職業技術學院，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數（單位，%），其準確性直接影響環保領域的排放總量計算與工業生產領域的過程控制效率。在環保領域中，煙氣污染物排放濃度和排放量，是使用標準狀態下干氣采樣體積中的含量計算，需要準確測量含濕量用于換算干氣采樣體積。而在能源領域中，冷凝式燃氣鍋爐的熱工性能測試也需要對其進行準確測量。因此含濕量測量的準確性直接影響排放總量計算和國家環保指標考核，以及工業生過程控制效率。

隨著我國科技的不斷發展，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，有著不同的環境適應性和測量準確性。為了能夠準確分析各類儀器的差異，本研究選取典型的工況環境進行比對測試，包括水泥廠排氣筒、玻璃廠排氣筒、垃圾焚燒廠排氣筒、燒結廠區脫硫脫硝塔、實行超低排放標準的不銹鋼廠排氣筒、食品設備制造公司冷凝式燃氣鍋爐等。

本研究的目的在于可結合現場的歷史工況數據，比對研究結論，選取更加適合應用現場的煙氣含濕量測量方法，保證測量的實時性和準確性，為環保監測和工業過程控制提供有效的數據支撐，從而最終實現節能減排的目標。

二、測試原理、方案及儀器選擇

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

文獻[2]中提出“重量法是在所有濕度測量方法中可以達到最高準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準值。本次試驗最終選取阻容法、激光法和伴熱抽取法三種測量原理的儀器與標準值進行比對。

（一）重量法原理及測試儀器

按照文獻[3]給出的標準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。計算公式見文獻[3]。

（二）阻容法原理及測試儀器

文獻[2]中給出該儀器的原理：“利用濕敏元件的電阻值、電容值隨環境濕度的變化而按一定規律變化的特性進行濕度測量”，本次測試選用TH-230 煙氣參數測試儀（武漢市天虹儀表有限責任公司），該儀器煙槍前端的不銹鋼過濾燒結頭內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

選用國家重點研發計劃《面向復雜工況的激光高溫濕度傳感器研制與產業化》（任務編號2017YFF0105104）項目組研制，基于可調諧半導體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技術的含濕量測量裝置，配合濕度大動態范圍自適應算法、激光器溫度電流控制技術等，該裝置可在20℃-350℃的工況條件下使用。

（四）伴熱抽取法

選用哈爾濱工業大學研制的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氣鍋爐采用逆向抽氣裝置將濕煙氣與冷凝液滴分離，在同點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，并計算含濕量，具體原理詳見文獻[4]的附錄B。

三、測試方案設計

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）下測量的準確度。在現場測試之前，為保證測試結果的有效性，首先將待測試設備同時置于恒溫恒濕箱內，分別在不同溫度和相對濕度下進行測試，相對偏差較大時對其重新校準，保證不同測量方法的數據平行性優于1%。

為了得到更加直觀的比對測試結果，現場煙道同一截面上至少有兩個采樣孔，且直徑不小于80mm，可同時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，將重量法采樣裝置煙槍探入同一截面上的另一個采樣孔同時測試。

伴熱抽取法是冷凝式燃氣鍋爐熱工性能測試的國標方法[4]，儀器在顆粒物濃度較高的現場使用會將采樣口堵塞，故而只在實行超低排放的不銹鋼廠和冷凝燃氣鍋爐的現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的差異性。

所有現場的測試時長均為50 至60 分鐘，每隔1 分鐘分別記錄測試儀器的顯示值，重量法儀器采樣時長與測試時長相同，并根據現場含濕量經驗值設置采樣流量，即當現場含濕量高于10%時將采樣流量設置為500mL/min，否則將其設置為1000mL/min。

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

四、測試數據與分析

（一）測試數據相對誤差計算與分析

通過對表1的計算與分析，可以看出激光法在所有現場均有較好的測量準確性，伴熱抽取法的兩組測試數據相對誤差也能夠滿足測量準確度要求，阻容法在水泥廠排氣筒、燒結廠脫硫脫硝塔和冷凝式燃氣鍋爐的測試數據相對誤差較大，但在其余現場均能較為準確地測量，故而將三個相對誤差較大的現場測試數據，通過數據趨勢圖進一步分析。

表1 現場測試數據平均值及相對誤差

（二）測試數據趨勢圖分析

1.水泥廠排氣筒

水泥廠排氣筒屬于高溫低濕現場，排氣筒的溫濕度會由于生產工藝過程控制，發生較大幅度的變化。

通過圖1 可以看出，激光法的含濕量數據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，經過對現場的了解，曲線波動趨勢與當時生產過程控制相符。阻容法的含濕量測量數據偏低，通過查閱傳感器資料，發現阻容式溫濕度傳感器的測量溫度不得高于150℃，測試現場煙溫超過180℃，已無法進行正常測量。

2.燒結廠脫硫脫硝塔

燒結廠脫硫脫硝塔煙溫偏低，含濕量偏低，溫濕度較為穩定。

通過圖2 可以看出，激光法與阻容法的含濕量測量數據曲線趨勢一致，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，這是由于現場顆粒物濃度較高，煙溫較低，儀器前端不銹鋼燒結頭被輕微堵塞，使得阻容法儀器測量整體遲滯2-3 分鐘，最終導致相對誤差超過5%。

3.冷凝式燃氣鍋爐

冷凝式燃氣鍋爐煙溫偏低，含濕量很高，極易出現冷凝的情況。

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

五、結論

四種原理的儀器均能夠在不同工況現場實現對含濕量的手工采樣測試，區別在于：重量法儀器不便攜帶且無法在現場得到測量數據，只適合用于比對試驗或仲裁；激光法儀器價格偏高，更適合在復雜工況條件下(如高溫、腐蝕性強、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確性；伴熱抽取法目前只適用于冷凝式燃氣鍋爐或其他工況條件非常好的現場使用。

在線監測方案可以考慮激光法和阻容法兩種原理的儀器，兩種儀器的數據實時性較強，能夠快速反應當前測量對象的含濕量情況，可以根據現場煙溫等環境因素和經濟條件對兩種原理儀器進行選擇。

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