基于不同测量原理的烟气含湿量方法比对

姜帆 王莹

（1 武汉市天虹仪表有限责任公司，湖北 武汉 430000；2 长沙环境保护职业技术学院，湖北 长沙 410004）

一、研究背景

烟气含湿量（以下简称“含湿量”）是指烟气中水分含量的体积百分数（单位，%），其准确性直接影响环保领域的排放总量计算与工业生产领域的过程控制效率。在环保领域中，烟气污染物排放浓度和排放量，是使用标准状态下干气采样体积中的含量计算，需要准确测量含湿量用于换算干气采样体积。而在能源领域中，冷凝式燃气锅炉的热工性能测试也需要对其进行准确测量。因此含湿量测量的准确性直接影响排放总量计算和国家环保指标考核，以及工业生过程控制效率。

随着我国科技的不断发展，含湿量测量方法除了常见的干湿球法、阻容法和重量法，还出现了激光法和基于自伴热抽气式烟气湿度测量方法（以下简称“伴热抽取法”）。基于不同测量原理的仪器，有着不同的环境适应性和测量准确性。为了能够准确分析各类仪器的差异，本研究选取典型的工况环境进行比对测试，包括水泥厂排气筒、玻璃厂排气筒、垃圾焚烧厂排气筒、烧结厂区脱硫脱硝塔、实行超低排放标准的不锈钢厂排气筒、食品设备制造公司冷凝式燃气锅炉等。

本研究的目的在于可结合现场的历史工况数据，比对研究结论，选取更加适合应用现场的烟气含湿量测量方法，保证测量的实时性和准确性，为环保监测和工业过程控制提供有效的数据支撑，从而最终实现节能减排的目标。

二、测试原理、方案及仪器选择

文献[1]给出的试验结论中提到：“干湿球法能较准确测定烟温在100℃以下烟气的含湿量，但测量烟温较高烟气的含湿量准确度较差，且不适合测量正压烟气”，本次试验不选择干湿球法的仪器进行测试。

文献[2]中提出“重量法是在所有湿度测量方法中可以达到最高准确度的绝对湿度测量方法”，故而将重量法原理的仪器测量值作为标准值。本次试验最终选取阻容法、激光法和伴热抽取法三种测量原理的仪器与标准值进行比对。

（一）重量法原理及测试仪器

按照文献[3]给出的标准测量方法改造烟气采样器，以该仪器作为恒流采样装置，由烟道中抽取一定量的烟气，并准确测量采样体积，烟气通过装有吸湿剂的吸湿管（吸湿管置于冰水混合物中），吸湿剂的增重即为已知体积烟气中含有的水分量。计算公式见文献[3]。

（二）阻容法原理及测试仪器

文献[2]中给出该仪器的原理：“利用湿敏元件的电阻值、电容值随环境湿度的变化而按一定规律变化的特性进行湿度测量”，本次测试选用TH-230 烟气参数测试仪（武汉市天虹仪表有限责任公司），该仪器烟枪前端的不锈钢过滤烧结头内安装有高精度电容式温湿度传感器。

（三）激光法原理及测试仪器

选用国家重点研发计划《面向复杂工况的激光高温湿度传感器研制与产业化》（任务编号2017YFF0105104）项目组研制，基于可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技术的含湿量测量装置，配合湿度大动态范围自适应算法、激光器温度电流控制技术等，该装置可在20℃-350℃的工况条件下使用。

（四）伴热抽取法

选用哈尔滨工业大学研制的GD-600C 烟气组份分析仪作为测试装置，该仪器主要用于冷凝式燃气锅炉采用逆向抽气装置将湿烟气与冷凝液滴分离，在同点烟气伴热条件下先测量烟温，而后将湿烟气加热后，使用湿敏电容测量加热后的温湿度，并计算含湿量，具体原理详见文献[4]的附录B。

三、测试方案设计

本次测试主要比对四种既定方法在不同工况条件（如烟气温度、水分饱和程度）下测量的准确度。在现场测试之前，为保证测试结果的有效性，首先将待测试设备同时置于恒温恒湿箱内，分别在不同温度和相对湿度下进行测试，相对偏差较大时对其重新校准，保证不同测量方法的数据平行性优于1%。

为了得到更加直观的比对测试结果，现场烟道同一截面上至少有两个采样孔，且直径不小于80mm，可同时将激光法温湿度测量仪和阻容法温湿度测量仪放置于同一采样孔内，将重量法采样装置烟枪探入同一截面上的另一个采样孔同时测试。

伴热抽取法是冷凝式燃气锅炉热工性能测试的国标方法[4]，仪器在颗粒物浓度较高的现场使用会将采样口堵塞，故而只在实行超低排放的不锈钢厂和冷凝燃气锅炉的现场比对测试中采用伴热抽取法,测试目的是判断同样使用阻容式温湿度传感器作为测量元件的装置，在采用阻容法和伴热抽取法时的差异性。

所有现场的测试时长均为50 至60 分钟，每隔1 分钟分别记录测试仪器的显示值，重量法仪器采样时长与测试时长相同，并根据现场含湿量经验值设置采样流量，即当现场含湿量高于10%时将采样流量设置为500mL/min，否则将其设置为1000mL/min。

测试数据分析方法采用以下两种：各仪器测试结果取算术平均值，与重量法测试结果做比对，得到相对误差；将相对误差较大的测试结果中的温度和含湿量以趋势图的形式呈现，通过数据曲线的变化和现场工况，分析造成测量误差增大的影响因素。

四、测试数据与分析

（一）测试数据相对误差计算与分析

通过对表1的计算与分析，可以看出激光法在所有现场均有较好的测量准确性，伴热抽取法的两组测试数据相对误差也能够满足测量准确度要求，阻容法在水泥厂排气筒、烧结厂脱硫脱硝塔和冷凝式燃气锅炉的测试数据相对误差较大，但在其余现场均能较为准确地测量，故而将三个相对误差较大的现场测试数据，通过数据趋势图进一步分析。

表1 现场测试数据平均值及相对误差

（二）测试数据趋势图分析

1.水泥厂排气筒

水泥厂排气筒属于高温低湿现场，排气筒的温湿度会由于生产工艺过程控制，发生较大幅度的变化。

通过图1 可以看出，激光法的含湿量数据曲线总体趋势是随着烟温的增加而下降的，但下降过程中有大幅度的上下波动，经过对现场的了解，曲线波动趋势与当时生产过程控制相符。阻容法的含湿量测量数据偏低，通过查阅传感器资料，发现阻容式温湿度传感器的测量温度不得高于150℃，测试现场烟温超过180℃，已无法进行正常测量。

2.烧结厂脱硫脱硝塔

烧结厂脱硫脱硝塔烟温偏低，含湿量偏低，温湿度较为稳定。

通过图2 可以看出，激光法与阻容法的含湿量测量数据曲线趋势一致，但阻容法曲线在Y 轴方向整体上移，这是由于阻容法仪器测量值比激光法高出0.2，而阻容法曲线在X 轴方向整体右移，这是由于现场颗粒物浓度较高，烟温较低，仪器前端不锈钢烧结头被轻微堵塞，使得阻容法仪器测量整体迟滞2-3 分钟，最终导致相对误差超过5%。

3.冷凝式燃气锅炉

冷凝式燃气锅炉烟温偏低，含湿量很高，极易出现冷凝的情况。

通过图3 可以看出，伴热抽取法和激光法测量数据保持一致，而在测试前期阻容法测试数据也与其他方法向吻合，随后突然升高，测试结束后，通过观察阻容法仪器的传感器发现其表面出现了结露的现象，直接导致数据异常，而激光法烟枪前端有加热元件，伴热抽取法烟枪全程伴热，均避免了冷凝结露造成的测量异常。

五、结论

四种原理的仪器均能够在不同工况现场实现对含湿量的手工采样测试，区别在于：重量法仪器不便携带且无法在现场得到测量数据，只适合用于比对试验或仲裁；激光法仪器价格偏高，更适合在复杂工况条件下(如高温、腐蚀性强、颗粒物浓度较高、水分饱和度较高等)使用；阻容法仪器使用现场的烟温不得高于其测量上限，且工况条件如颗粒物浓度、水分饱和度等也会影响其测量准确性；伴热抽取法目前只适用于冷凝式燃气锅炉或其他工况条件非常好的现场使用。

在线监测方案可以考虑激光法和阻容法两种原理的仪器，两种仪器的数据实时性较强，能够快速反应当前测量对象的含湿量情况，可以根据现场烟温等环境因素和经济条件对两种原理仪器进行选择。

在今后的含湿量仪器研发过程中可以将阻容法和伴热抽取法的原理结合，从而扩大仪器的适用范围，为含湿量测试工作提供更多、更加有效的技术手段。由于本次测试条件有限，参与测试的仪器种类与数量较少，往后的测试也将找到更多不同类型的国内外含湿量测量仪，让测试数据更加准确、可靠，也有着更广的覆盖面。