污染源煙氣中濕度現場標定技術現狀及應用綜述

摘 要 介紹污染源在線煙氣用濕度發生標定裝置的技術原理及現狀，提出了適用于現場應用的便攜式濕度發生裝置的要求：發濕響應速度快、大流量、高精度、可量值溯源、便于攜帶等。對國內外不同機理的便攜式濕度發生標定裝置進行了比較，并提出了未來發展的建議。

關鍵詞 濕度發生標定 污染源煙氣 現場應用 技術原理 發展現狀

中圖分類號 TH83 " 文獻標志碼 A " 文章編號 1000-3932（2024）05-0749-07

隨著經濟的發展，我國大氣環境污染和霧霾情況越發嚴重，國家對此高度重視，控制環境污染已提升至國家戰略層面。在大氣污染源中，工業污染占絕大部分，而控制工業大氣污染的重點是治理鍋爐、窯爐及垃圾焚燒爐等固定污染源的煙氣排放。煙氣處理系統主要包括脫硫、脫硝、除塵等系統，這些設備的運行狀況與煙氣工況密切相關。煙氣濕度（又稱含濕量）是煙氣工況的重要表征參數，而且近來研究發現煙氣含濕量是造成環境霧霾的重要因素。因此，煙氣濕度成為了煙氣工況的必測參數之一。

目前，對濕度測量儀器進行檢定和校準已經標準化、規范化，尤其在計量、氣象等領域［1～3］。但是，在污染源在線煙氣自動監控系統（Continuous Emission Monitoring System，CEMS）中，除濕度外每個參數均有標準物質進行標定和量值溯源，而且目前對污染源煙氣濕度儀濕度標準物質發生和標定裝置的研究仍處于空白狀態，也沒有相關標準依據，因此亟需對其加強監管。

煙氣在線監測已成為我國環境監管執法的重要依據，確保在線監測數據準確是科學執法和正確執法的基礎。HJ 76—2017《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續監測系統技術要求及檢測方法》中明確要求污染物排放濃度和煙氣排放流量必須以干基折算（煙氣露點不大于4 ℃），濕度監測的準確性決定了煙氣污染物、流量監測結果的準確性，是核算真實煙氣中污染源排放量的依據。目前，針對CEMS中沒有濕度標準物質，沒有滿足污染源煙氣現場適用性的高濕度發生裝置，進而影響濕度在線測量儀的量值溯源和質控的現狀，唯一可用的在線濕度參數質控方法是在季度比對時，采用便攜式濕度儀對在線濕度儀進行準確性的比對校驗。另外，目前煙氣監測普遍采用的傅里葉紅外分析儀且每年都要進行濕度標定，以消除水分對紅外光譜的連續吸收干擾。

《“十四五”生態環境監測規劃》要求：建立量值溯源體系，采取有效措施保證數據準確，確保數據質量更加可靠。因此，快速發濕、高精度的便攜式濕度標定裝置的應用開發和濕度標準體系的建立，對保證監測數據的準確性，全面推進生態環境監測從數量規模型向質量效能型跨越，提高生態環境監測現代化水平，持續改善生態環境和實現生態文明建設新進步有著重大的現實作用。

“碳達峰碳中和”整體部署對污染源碳排放在線監測量值溯源體系的要求非常高，其中影響污染源CO2排放量測量的關鍵量值即為煙氣濕度。煙氣濕度的量值溯源體系是：煙氣濕度→煙氣參數現場計量標準裝置→煙氣濕度計量標準裝置→一級精密露點儀。其中，一級精密露點儀是在實驗室工作的，現場使用的濕度發生裝置和計量裝置將一級精密露點儀的量值溯源傳遞到現場煙氣濕度測試，從而獲得準確的、可以量值溯源的煙氣濕度監測值，保障污染源CO2監測結果的“真、準、全”。從這個意義上來說，開發并應用適用于污染源煙氣監測系統現場工況的濕度發生、標定裝置，對濕度CEMS進行標定是非常重要和必要的。

1 濕度發生的原理與煙氣濕度儀現場標定的難點

1.1 濕度發生的原理

目前，工程技術人員通常通過建立精密露點儀標準裝置，將精密露點儀作為標準器，結合溫濕度標準箱或濕度發生器，建立一套濕度標準裝置，從而開展露點儀、濕度傳感器、溫濕度計等的檢定和校準工作。標準濕度發生器在整個濕度量傳體系中自上而下貫穿，各個等級均有濕度發生器的存在，未來也將以濕度發生器為標準器，為濕度量提供量值溯源。

濕度發生器是一個在一定溫度、壓力下利用氣液、氣固兩相平衡產生恒定濕氣的裝置。制備濕度氣體的方法有很多，從原理上來說，可劃分為5類［4，5］：

a. 改變兩相壓力（即雙壓法）、改變溫度（即雙溫法）以及同時改變壓力和溫度的方法。

b. 混合法，又可以分為混流法和分流法；前者是將飽和濕氣或過熱蒸汽同干氣混合，后者是將一股干氣精確地按比例分為兩股，其中一股用水氣飽和，另一股仍保持干燥，而后進行混合。

c. 膜滲透法，膜的一側是水，由于膜兩側的水氣分壓不同，于是水氣通過膜向另一側滲透，基于這一原理通常使用的方法是滲透管配氣技術。

d. 溫度固定點法，即平衡水氣壓法，這種方法是利用某些鹽類或其他化合物的水溶液在一定條件下使氣相中的水氣分壓保持恒定的原理。

e. 化學方法——庫侖法，根據定比定律，氫和氧在催化劑存在的情況下能按比例化合生成定量的水［6］。

上述方法都是從基本的物理和化學原理出發，均可作為標準使用。其中，應用較為廣泛、準確度較高的是基于雙壓法/雙溫法和混合法原理建立的發生器。該類濕度發生器在結構上包括氣源、干燥器、恒溫設備（內部設有飽和器、測量室）及控制系統（包含溫度、壓力、流量控制系統）等。各濕度發生器在原理和結構上的設計各具優點，在提高飽和效率方面也有著各自的方法與手段，可實現的露點溫度范圍也比較寬泛，可達到的最高露點溫度為60～95 ℃。但是它們都具有一個共性：適用于實驗室或研究所內的濕度標定，不方便移動，不具備現場野外操作能力，因而不適用于現場污染源煙氣濕度的發生和標定。

1.2 煙氣濕度儀現場標定的難點

1.2.1 標準和規范缺失

自HJ 76—2017要求在線實測濕度后，在線濕度儀被廣泛應用，包括電化學、阻容法、氧化鋯等在線濕度儀。污染源煙氣濕度方面，通常依據GB/T 16157—1996或HJ 836—2017中的手工方法對在線濕度進行準確性比對，同時也對調試、驗收進行了要求，包括季度自行監測和比對監測。HJ 75—2017要求：煙氣濕度大于5%時，相對誤差不超過±25%；煙氣濕度不大于5%時，絕對誤差不超過±1.5%，因此，絕對誤差必須不大于±1.5%。由于濕度誤差對干基折算值結果的影響很大，因此在技術允許的情況下，建議無論濕度高低，絕對誤差均應不大于1.0%±0.5%，否則會帶來較大的干基折算值誤差。表1為污染物濕基濃度為10 mg/m3時濕度絕對誤差對干基折算值誤差的影響。

相比于其他污染源煙氣參數（如溫壓流、顆粒物、氣態污染物、O2），由于相關校準規范的缺失，導致針對濕度準確度的要求比較寬松。例如，DB 37/T 4011—2020《固定污染源煙氣在線監測系統運行維護技術規范》4.2.3.6 濕度CEMS部分：b）通入空氣檢查濕度CEMS零點，測量數據應在1%左右。非在位式濕度CEMS可通入氮氣檢查零點，測量數據應小于0.2%。

1.2.2 現場應用的特殊要求

煙氣濕度發生標定裝置不僅可以用于對大量在線煙氣濕度儀（包括煙氣和NMHC）進行標定、校準和校驗，還可以對高溫傅里葉紅外光譜儀進行水氣光譜定期校正（即配氣建模），應用場景廣泛。但是，若應用于污染源煙氣現場，則需滿足以下要求：

a. 方便攜帶，適用于現場作業，同時需對濕度發生裝置的重量和穩定性做出要求。

b. 濕度發生速度快。如果現場發生濕度需要較長時間，且波動較大，則不適用。建議1 h內必須發生3～5組濕度。

c. 濕度發生范圍寬。通常根據治理工藝，干法脫硫濕度大概在4%～6%之間，半干法大概在8%～10%之間，濕法大概在12%～18%之間。若某些工藝的濕度較高，例如垃圾焚燒濕度大約在25%～30%之間，炭黑和氧化鋁焙燒濕度大約在40%～45%之間，此時濕度發生范圍應在1%～45%之間，才能覆蓋到不同的濕度范圍。

d. 發濕流量宜在1～5LPM（即L/min）范圍內，以適應不同CEMS的抽氣量。同時，在價格可以接受的基礎上，保證精度要高，例如露點絕對誤差為0.3%～0.5%。

根據以上要求，現有的用于計量方面的濕度發生裝置無法適用于煙氣濕度標定。下面將對國內外可用的污染源煙氣濕度發生標定裝置進行分析與比較。

2 國內外污染源煙氣濕度發生標定裝置現狀與比較

2.1 國內外污染源煙氣濕度發生標定技術概述

2.1.1 天平稱重+加熱罐蒸發

國內外最早進行濕度發生標定技術開發并推出系列相關產品的是德國IAS公司，其系列產品型號為HovaCAL，其發濕機理為：采用天平對一個內裝純凈水的水瓶稱重，外置的蠕動泵將純凈水瓶內的純水定流量抽出（可采用液體質量流量計進行流量的精確計量），然后與載氣（壓縮空氣或N2）、標氣共同進入加熱罐蒸發混合，混合均勻后通過高溫伴熱管流出，如圖1所示。

北京雪迪龍科技股份有限公司開發的SDL 205濕度發生標定裝置，與HovaCAL技術路線基本相同。

該裝置的優點在于：通過天平測量加入加熱蒸發罐內的純凈水質量，可以獲得H2O的質量濃度，方便溯源。但缺點在于：天平不方便攜帶和現場使用；采用的蠕動泵是脈沖抽水，加熱蒸發罐中的純凈水也是脈沖式進入的，會導致發生的濕度為鋸齒狀波形。

2.1.2 精密注射泵+加熱罐蒸發

芬蘭Gasmet公司為其生產的傅里葉紅外分析儀（包括固定式和便攜式），特制了便攜式濕度發生標定裝置Calibrator，可以為分析儀進行定期的現場濕度標定。Calibrator采用精密液體注射器+加熱蒸發罐的原理，通過控制螺桿推進行程，精密地控制注射器流量（0.2 μL/h～400 mL/h），將純水通過注射針注入180 ℃的加熱罐內瞬間蒸發，同時通過質量流量計控制N2的流量，將蒸發的水氣帶走并充分混合，從而得到目標流量和濕度的氣體，流程如圖2所示。

杭州盈創環境科技有限公司開發了一種基于精密注射泵+加熱罐蒸發的濕度發生標定系統CGG-4000，該系統采用工業級精密液體注射泵，同時在加熱蒸發罐后側設置了一個在線高精度濕度儀，用于監測濕度并反饋控制注射泵的開度，從而獲得所需的濕度。精密注射泵全程勻速運動，工作平穩且無脈動，流量精確，控制精度高，具體流程如圖3所示。

該裝置的優點在于：通過工業級注射泵可獲得高精度的純凈水流量與質量（純凈水的密度為1 g/mL），從而獲得目標氣體所需的濕度，同時還可以通過添加質量流量計配入其他待測氣體，如SO2、NOx等。但缺點在于：使用注射器的內部需要非常均勻、平整，否則進入蒸發器的水流會發生波動。

2.1.3 雙流法+加熱水箱

我國較早從事煙氣濕度監測和研發的是南京埃森環境技術有限公司，其開發的雙流法濕度發生裝置PHG310工藝流程如圖4所示［7］。其中，一路高純氮通過質量流量計直接進入飽和濕度水箱，加濕到飽和后進入混氣箱；另一路高純氮

通過質量流量計直接進入混氣箱；其他標氣（如SO2、NO等）也通過質量流量計直接進入混氣箱。三路流量可以通過控制軟件調整，利用混氣箱后的高精度露點儀監測并反饋，調整為目標流量和濕度。

上海市計量測試技術研究院開發的型號為C/600/70/3的高溫濕度標準箱，其濕度發生機理也是雙流法。要求該標準箱應具有容積不小于150 L的工作區，應配有至少一個不小于？準100 mm的工作孔，且工作區內沿工作孔軸向的深度不小于800 mm，方便不同型號的濕度儀探頭插入。

該裝置的優點在于：配置相對簡單，操作方便。但缺點在于：發濕穩定時間長，產生的濕度不穩定，在對外抽氣條件下容易發生波動。

2.1.4 雙流法/Nafion滲透管加濕

Nafion滲透管采用的是磺酸基質子膜材料，目前已在煙氣氣態除濕領域得到了成功應用。同時，Nafion滲透管也有著良好的逆向加濕功能，其加濕的驅動力是管內外的水氣壓力梯度（即濕度差）［8］，只需把Nafion滲透管置于80 ℃水中，通過足夠長管程的N2或壓縮空氣后出口露點即可穩定在80 ℃左右。因此，設置一路N2以固定流量進入Nafion管加濕；另一路N2通過質量流量計后和加濕過的N2混合；還有一路為標氣，通過質量流量計直接進入混合腔體，最終得到不同濕度的標氣。

該裝置的優點在于：配置相對簡單，攜帶、操作方便，發濕時間短，發濕穩定性高。但缺點在于：Nafion管的成本較高，需要仔細維護；需要采用高精度濕度儀對其進行量值溯源。

以上3種技術是目前國內外市場可見的，其中以天平稱重+加熱罐蒸發技術為主流，但其僅在實驗室應用較多。而現場應用較多、較成熟的是精密注射泵+加熱罐蒸發技術。

2.2 國內外污染源煙氣濕度發生標定裝置比較

現階段，國內外適用于污染源煙氣濕度范圍的濕度發生標定裝置為數不多，表2總結并比較了目前市場上商業化的煙氣濕度發生標定裝置。

3 適用于現場CEMS濕度標定的濕度發生標定裝置的要求

3.1 濕度范圍、便攜性的要求

目前化工企業均在實施的超低排放治理措施導致煙氣中的水含量逐步升高，根據不同行業、不同治理工藝，濕度范圍從1%～50%不等。在線濕度監測值的偏差會對整個污染源煙氣氣態污染物、顆粒物排放和煙氣總排放量帶來非常大的誤差，嚴重制約了監測數據的準確性。

從表2可以看出，4種不同機理的濕度發生標定裝置均能夠覆蓋到30%、40%、50%范圍內的煙氣濕度要求。實際上只有確保裝置的濕度范圍覆蓋到0.8%～50%才能標定不同濕度范圍的固定式濕度儀，從而對不同含濕量排放煙氣的污染源和流量進行準確折算，確保監測數據的量值溯源和有效質控。

滿足0.8%～50%濕度發生范圍的最大挑戰在于濕度發生裝置的體積和質量，即濕度發生范圍和質量的耦合問題。目前，濕度分析儀超過50%是在煙囪的取樣平臺原位安裝的，平臺高度在10～90 m不等，因此濕度發生裝置的質量（即便攜性）非常重要，同時還必須配備適用于不同型號濕度儀的箱體。濕度發生裝置211-MF不帶天平的質量為15 kg（天平對取樣平臺的水平性要求很高，且不能有振動）；PHG60H的質量為18 kg，如果濕度發生范圍達到50%，則其質量將超過

25 kg，基本無法滿足便攜性要求。

3.2 流量、快速性和絕對誤差的精度要求

目前我國聯網使用的CEMS，90%以上采用的是冷干直抽法和熱濕直抽法技術，采樣流量基本上在2～5LPM范圍內。因此，濕度發生標定裝置能夠提供的濕度流量范圍需要滿足2～5LPM的要求，否則一旦發生流量不足的情況，就會影響CEMS取樣，導致無法對CEMS系統進行標定。

另外，現場使用過程中，發生穩定濕度的速度也是非常重要的。例如若要發生高、中、低濕度，需要對濕度儀進行零點、跨度和線性標定，這個過程最好在1 h內完成（包括濕度發生裝置預熱時間），最長不能超過2 h。同時，調整不同濕度時濕度發生標定裝置的穩定時間不得超過

30 min。因此，快速發生穩定的濕度，并在不同濕度情況下實現快速切換，同時保證精度要求，是當前濕度發生標定裝置的另外一個巨大挑戰。

4 結束語

隨著污染源在線監測的發展與完善，我國生態環保部對在線監測數據的質量極度重視，在線濕度儀的質控已被納入重點關注范圍，尤其是其量值溯源及質控。而隨著“碳達峰、碳中和”的逐步推進，其勢必和我國完整的CEMS體系緊密結合，即由現有的CEMS體系直接對污染源中的溫室氣體排放進行監測，煙氣流量和濕度參數的準確性更加會被重點關注。因此，勢必需要設計適用于煙氣監測的便攜式濕度發生標定裝置，以填補這一技術的空白、補齊環境管理的短板；后續也會出臺相應的標準和規范，對濕度參數進行溯源和質控，確保監測值的“真、準、全”。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-08-08，修回日期：2024-08-03）

Humidity Calibration Technologies for Flue Gas

and Overview of Their Applications

ZHU Ze-jun1， LI Hong-liang2， LI Feng3， WANG Cheng-hai3

（1. Henan Provincial Ecological Environment Monitoring and Safety Center； 2. Henan Xinxiang Ecological

Environment Monitoring Center； 3. Shanghai Alwaysbrong Application Technology Co.， Ltd.）

Abstract " In this paper， both technical principle and situation of the humidity calibration technologies were described， including the demands for portable humidity generating and calibrating device like the fast response， large flow rate， high precision， traceability of measurable values and easy to carry characterize it. In addition， the portable calibrating devices with different mechanisms for humidity generation at home and abroad were compared and suggestions for their later development were presented.

Key words " humidity generation calibration， flue gas， field application， technical principle， development "situation

作者簡介：朱澤軍（1979-），副高級工程師，從事環境監測與評價研究。

通訊作者：李峰（1975-），副高級工程師，從事污染源監測的工作，constantine_lee@sina.com。

引用本文：朱澤軍，李紅亮，李峰，等.污染源煙氣中濕度現場標定技術現狀及應用綜述［J］.化工自動化及儀表，2024，51（5）：749-754；777.