熱式氣體流量計在濕法脫硫工藝上的優化應用

趙 揚，張 珂

(上海應用技術大學機械工程學院，上海 200030)

0 引言

目前，環境污染問題日益嚴重。SO2的大量排放影響了生存環境[1]。因此，減少SO2的排放至關重要。燃料在鍋爐中燃燒后會產生大量的有害氣體，包括NOX、SO2及其他有毒有害氣體。這些氣體必須經過除塵工藝、脫硝工藝、脫硫工藝處理后達到排放標準，才可排放到空氣中[1-2]。為了保證煙氣符合國家排放標準，不僅對氣體測量裝置的精度和穩定性要求較高，而且對測量裝置的抗腐蝕性能要求也非常高。

1 測量原理

熱式氣體流量計分為恒溫差技術與恒功率技術兩種。傳感器原理示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器原理示意圖

熱式氣體流量計具有兩個傳感器探頭，采用鉑電阻作為敏感元件。鉑電阻作為一種新型的感溫元件,具有尺寸小、響應快、受溫度影響小等特點[5-6]。其中：一個傳感器探頭為速度傳感器探頭,也叫加熱傳感器探頭，采用Pt32電阻；另一個為參比傳感器探頭，采用Pt9電阻。根據熱力學可知，熱傳遞有熱傳導、熱對流、熱輻射三種方式[5]。氣體流動時造成了溫度的變化，通過對流換熱的方式從傳感器表面帶走熱量，可表示為：

Q=hA(T2-T1)

(1)

式中：Q為電流對Pt32電阻產生的熱量；h為散熱系數;A為探頭表面積;T2為速度傳感器表面的溫度;T1為參比傳感器測得的環境溫度。

電流和溫差的關系可表示為：

I2R=hA(T2-T1)

(2)

式中：I為通過速度傳感器表面的電流;R為速度傳感器探頭的電阻。

根據強迫對流換熱公式[1]，有：

(3)

由式(3)、式(4)可知，hA可表示為：

(4)

式中:q為通過傳感器探頭的質量流量;C、B為常數。

式(3)和式(4)聯立可得：

(5)

式中：K1、K2為經驗常數；ΔT為速度傳感器與參比傳感器的溫差。

由式(5)可知，氣體流量q與電流I和溫度差存在對應關系[1]。恒功率技術可保持電流I恒定，由溫差的變化來反映流量的大小。在流量很小的情況下，參比傳感器溫度T1與速度傳感器T2的溫差ΔT較大。速度傳感器產生的熱量會影響環境溫度。而探頭的散熱條件與環境溫度有極大的關系，會導致流量計的精度下降。這也說明了小流量應用中，恒功率技術測量精度受環境溫度影響較大。同理，恒溫差測量技術用于保持溫差恒定，通過電流的變化來反映流量的大小，相對于恒功率技術受環境溫度影響較小。

2 方案設計

2.1 技術參數

熱式氣體流量計性能優異、維護量小，常用于各種氣體監測領域。技術參數規格如表1所示。

表1 技術參數規格表

2.2 應用案例分析

流量計安裝于脫硫煙氣出口處。煙氣經過除塵、脫硝、脫硫，通過流量計，再進行除塵，最后排放到空氣中。傳感器材質為316 L不銹鋼。在Cl-濃度較高的條件下，316 L的耐腐蝕能力有限。濕法脫硫后煙氣中攜帶的液滴在傳感器表面發生沉積[7-8]，造成流量計傳感器的腐蝕。流量計安裝點流程如圖2所示。

圖2 流量計安裝點流程圖

2.3 傾斜45°測量法

傳統的安裝方式采用水平安裝，將傳感器探頭插入管道中心點。從腐蝕原理可知，酸性溶液會隨著時間的流逝，大量吸附在傳感器上，在適宜的溫度下與環境介質發生化學的電比學反應[8-9]。針對脫硫工藝的特殊性，本文采用斜向上45°的方式安裝。熱式質量流量計安裝示意圖如圖3所示。

圖3 熱式質量流量計安裝示意圖

由圖5可知，由于重力的作用，附著在傳感器探頭上的酸性溶液部分會從探頭流出，從而緩解傳感器探頭的腐蝕，延長了流量計的使用壽命。另外，由于酸性氣體冷凝后形成水珠附著在傳感器探頭上，會使傳感器探頭的表面散熱系數發生變化。而根據熱式氣體質量流量計的原理可知，氣體流過探頭表面時，加快了傳感器探頭的散熱速度，相同的風量會從傳感器探頭上帶走更多的熱量，造成測量值偏離實際值。所以采用45°斜向上的安裝方式，既緩解了酸性氣體對傳感器的腐蝕，也間接提高了熱式氣體流量計在濕法脫硫工藝應用上的測量精度。

2.4 表面處理技術

特氟龍是一種高性能的涂料，具有耐腐蝕、耐磨損、化學性能穩定和優良的不粘性等特點，主要有PTFE、PFA、FEP、ETFE等幾種基本類型[10]。特氟龍技術規格如表2所示。脫硫煙氣的溫度一般小于100 ℃，壓力為101.325 kPa，氣體流速20 Nm/s。結合表2，選擇ETFE對熱式質量流量計的傳感器進行加工噴涂處理。

表2 特氟龍技術規格表

噴涂的工藝流程為噴涂底漆、面漆和表面處理[10]。底漆和面漆選擇953G-506和953G-401，底漆覆膜厚度選擇0.008 mm，烘干溫度200 ℃。面漆覆膜厚度選擇0.05 mm，烘干溫度200 ℃，分兩次進行處理。需要注意的是，溫度不可超過200 ℃，以避免對傳感器內部造成損壞。噴涂厚度選擇十分重要。如果底漆過厚，容易使傳感器表面涂層發生裂紋，從而達不到抗腐蝕的效果，且影響傳感器的散熱性能和精度。如果底漆過薄，由于底漆的主要成分為粘結劑，雖然避免了針孔和裂紋的產生，但是會導致附著力下降，涂層容易脫落[10]。

2.5 標定校準

特氟龍噴涂在傳感器探頭的表面，會降低其表面的散熱性能，風量經過探頭帶走的熱量會減小。由熱式氣體質量流量計的原理可知，特氟龍涂層相當于一層保溫層。在相同風量情況下，經過特氟龍噴涂的熱式氣體質量流量計的測量值會偏小。為了保證測量精度，噴涂后對流量計進行了校準處理。校準裝置系統包括鼓風機、自動閥門、標準表、被校準表、儲氣罐以及控制系統，如圖4所示。校準環境溫度為0 ℃，壓力為標準大氣壓101.325 kPa。氣體由鼓風機經過閥門、壓力計、標準表、流量計，最后至儲氣罐。

圖4 校準裝置系統圖

熱式氣體流量計在脫硫工藝應用時，量程設置值為0～20 Nm/s。本文分別對滿量程的100%、50%、20%、10%進行校準，如表3所示。對每個校準點采集3個有效數據求取平均值和誤差，平均值公式為：

(6)

式中：X1，X2，…，Xn為采集的n個有效數據；XP為n個有效數據的平均值。

誤差公式可表示為：

(7)

式中:σ為絕對誤差，u為標準值，y為實際值。

由表3試驗數據可看出：在滿量程的10%時，平均精度可達到-2.208 5%；在滿量程的20%時，平均精度為-1.180 9%；在滿量程的50%時，平均精度為-1.557 9%；在滿量程的100%時，平均精度可達到-0.964 7%。數據表明，儀表在進行耐腐噴涂處理后，測量值偏小。在滿量程的10%處，特氟龍涂層對儀表的測量結果影響最大；在滿量程處，特氟龍涂層對儀表的測量結果影響最小；隨著流速的增加，特氟龍涂層帶來的影響會減小。

表3 校準數據表

儀表重復性可表示為：

(8)

式中:m為儀表的重復性;Xmax為最大誤差;Xmin為最小誤差;X為平均誤差。

在量程10%處，儀表的重復性小于0.1%；在量程20%處，儀表的重復性小于0.1%；在量程50%處，儀表的重復性小于0.25%；在量程100%處，儀表的重復性小于0.25%。從以上數據可知，雖然儀表的精確度未達到1%,但是具有很高的重復性，可通過內部系數對儀表進行修正，從而達到測量要求。評定儀表性能的指標主要有重復性和精確度。如果重復性差，同一個工況測量的結果差別很大，對現場的測量來說沒有很大的意義。只要儀表的重復性好，測量值可通過現場經驗系數加以修正，依然有很高的指導意義。

3 現場驗證

在淮南某電廠脫硫工藝上安裝了KURZ公司的2臺熱式氣體質量流量計。其中1臺經過特氟龍噴涂處理，另外1臺未經過特氟龍噴涂處理。經過不同負荷運行一段時間后，從現場采集到的功率-流速曲線如圖5所示。在相同功率條件下,低流速時經過特氟龍處理的儀表測量值略微偏高，高流速時經過特氟龍處理的儀表測量值略微偏小，但是曲線趨勢與未作處理的流量計的曲線趨勢相同。這說明經過特氟龍處理后流量計的測量性能未受到影響。

圖5 功率-流速曲線

為了使數據更加可靠，結合現場工藝特點，對流量計進行內部修正。修正公式如下所示：

Vs=Vf×F×S×Vt

(9)

式中：Vs為現場標準流速值；Vf為現場實際流速值；F為現場經驗系數；S為現場管道影響因子；Vt為溫度修正系數。

不同類型表面腐蝕率對比如表4所示。

表4 腐蝕率對比表

經過一年使用后，特氟龍處理后的流量計支撐桿出現輕微的腐蝕，而傳感器基本未出現腐蝕現象，測量值穩定，4～20 mA信號輸出正常。未經過特氟龍處理的儀表，使用4個月后開始出現輕微腐蝕，使用8個月后腐蝕現象明顯，而使用一年后支撐桿腐蝕率超過了40%，傳感器出現腐蝕損壞現象，4～20 mA信號輸出異常。通過對熱式氣體流量計表面耐腐性能進行研究，達到預期的效果，滿足測量精度的情況下，提高流量計的耐腐性能，延長了流量計的使用壽命。

4 結論

經過表面處理和現場安裝調整后，熱式氣體流量計在脫硫工藝應用上取得了很好的效果。與傳統的熱式流量計相比，該方法強化了傳感器的耐腐蝕性能，提高了儀表的使用壽命。對流量計進行標定校準處理后，儀表的重復性可達到0.25%，精度可達到滿量程的1%。