热式气体流量计在湿法脱硫工艺上的优化应用

赵 扬，张 珂

(上海应用技术大学机械工程学院，上海 200030)

0 引言

目前，环境污染问题日益严重。SO2的大量排放影响了生存环境[1]。因此，减少SO2的排放至关重要。燃料在锅炉中燃烧后会产生大量的有害气体，包括NOX、SO2及其他有毒有害气体。这些气体必须经过除尘工艺、脱硝工艺、脱硫工艺处理后达到排放标准，才可排放到空气中[1-2]。为了保证烟气符合国家排放标准，不仅对气体测量装置的精度和稳定性要求较高，而且对测量装置的抗腐蚀性能要求也非常高。

1 测量原理

热式气体流量计分为恒温差技术与恒功率技术两种。传感器原理示意图如图1所示。

图1 传感器原理示意图

热式气体流量计具有两个传感器探头，采用铂电阻作为敏感元件。铂电阻作为一种新型的感温元件,具有尺寸小、响应快、受温度影响小等特点[5-6]。其中：一个传感器探头为速度传感器探头,也叫加热传感器探头，采用Pt32电阻；另一个为参比传感器探头，采用Pt9电阻。根据热力学可知，热传递有热传导、热对流、热辐射三种方式[5]。气体流动时造成了温度的变化，通过对流换热的方式从传感器表面带走热量，可表示为：

Q=hA(T2-T1)

(1)

式中：Q为电流对Pt32电阻产生的热量；h为散热系数;A为探头表面积;T2为速度传感器表面的温度;T1为参比传感器测得的环境温度。

电流和温差的关系可表示为：

I2R=hA(T2-T1)

(2)

式中：I为通过速度传感器表面的电流;R为速度传感器探头的电阻。

根据强迫对流换热公式[1]，有：

(3)

由式(3)、式(4)可知，hA可表示为：

(4)

式中:q为通过传感器探头的质量流量;C、B为常数。

式(3)和式(4)联立可得：

(5)

式中：K1、K2为经验常数；ΔT为速度传感器与参比传感器的温差。

由式(5)可知，气体流量q与电流I和温度差存在对应关系[1]。恒功率技术可保持电流I恒定，由温差的变化来反映流量的大小。在流量很小的情况下，参比传感器温度T1与速度传感器T2的温差ΔT较大。速度传感器产生的热量会影响环境温度。而探头的散热条件与环境温度有极大的关系，会导致流量计的精度下降。这也说明了小流量应用中，恒功率技术测量精度受环境温度影响较大。同理，恒温差测量技术用于保持温差恒定，通过电流的变化来反映流量的大小，相对于恒功率技术受环境温度影响较小。

2 方案设计

2.1 技术参数

热式气体流量计性能优异、维护量小，常用于各种气体监测领域。技术参数规格如表1所示。

表1 技术参数规格表

2.2 应用案例分析

流量计安装于脱硫烟气出口处。烟气经过除尘、脱硝、脱硫，通过流量计，再进行除尘，最后排放到空气中。传感器材质为316 L不锈钢。在Cl-浓度较高的条件下，316 L的耐腐蚀能力有限。湿法脱硫后烟气中携带的液滴在传感器表面发生沉积[7-8]，造成流量计传感器的腐蚀。流量计安装点流程如图2所示。

图2 流量计安装点流程图

2.3 倾斜45°测量法

传统的安装方式采用水平安装，将传感器探头插入管道中心点。从腐蚀原理可知，酸性溶液会随着时间的流逝，大量吸附在传感器上，在适宜的温度下与环境介质发生化学的电比学反应[8-9]。针对脱硫工艺的特殊性，本文采用斜向上45°的方式安装。热式质量流量计安装示意图如图3所示。

图3 热式质量流量计安装示意图

由图5可知，由于重力的作用，附着在传感器探头上的酸性溶液部分会从探头流出，从而缓解传感器探头的腐蚀，延长了流量计的使用寿命。另外，由于酸性气体冷凝后形成水珠附着在传感器探头上，会使传感器探头的表面散热系数发生变化。而根据热式气体质量流量计的原理可知，气体流过探头表面时，加快了传感器探头的散热速度，相同的风量会从传感器探头上带走更多的热量，造成测量值偏离实际值。所以采用45°斜向上的安装方式，既缓解了酸性气体对传感器的腐蚀，也间接提高了热式气体流量计在湿法脱硫工艺应用上的测量精度。

2.4 表面处理技术

特氟龙是一种高性能的涂料，具有耐腐蚀、耐磨损、化学性能稳定和优良的不粘性等特点，主要有PTFE、PFA、FEP、ETFE等几种基本类型[10]。特氟龙技术规格如表2所示。脱硫烟气的温度一般小于100 ℃，压力为101.325 kPa，气体流速20 Nm/s。结合表2，选择ETFE对热式质量流量计的传感器进行加工喷涂处理。

表2 特氟龙技术规格表

喷涂的工艺流程为喷涂底漆、面漆和表面处理[10]。底漆和面漆选择953G-506和953G-401，底漆覆膜厚度选择0.008 mm，烘干温度200 ℃。面漆覆膜厚度选择0.05 mm，烘干温度200 ℃，分两次进行处理。需要注意的是，温度不可超过200 ℃，以避免对传感器内部造成损坏。喷涂厚度选择十分重要。如果底漆过厚，容易使传感器表面涂层发生裂纹，从而达不到抗腐蚀的效果，且影响传感器的散热性能和精度。如果底漆过薄，由于底漆的主要成分为粘结剂，虽然避免了针孔和裂纹的产生，但是会导致附着力下降，涂层容易脱落[10]。

2.5 标定校准

特氟龙喷涂在传感器探头的表面，会降低其表面的散热性能，风量经过探头带走的热量会减小。由热式气体质量流量计的原理可知，特氟龙涂层相当于一层保温层。在相同风量情况下，经过特氟龙喷涂的热式气体质量流量计的测量值会偏小。为了保证测量精度，喷涂后对流量计进行了校准处理。校准装置系统包括鼓风机、自动阀门、标准表、被校准表、储气罐以及控制系统，如图4所示。校准环境温度为0 ℃，压力为标准大气压101.325 kPa。气体由鼓风机经过阀门、压力计、标准表、流量计，最后至储气罐。

图4 校准装置系统图

热式气体流量计在脱硫工艺应用时，量程设置值为0～20 Nm/s。本文分别对满量程的100%、50%、20%、10%进行校准，如表3所示。对每个校准点采集3个有效数据求取平均值和误差，平均值公式为：

(6)

式中：X1，X2，…，Xn为采集的n个有效数据；XP为n个有效数据的平均值。

误差公式可表示为：

(7)

式中:σ为绝对误差，u为标准值，y为实际值。

由表3试验数据可看出：在满量程的10%时，平均精度可达到-2.208 5%；在满量程的20%时，平均精度为-1.180 9%；在满量程的50%时，平均精度为-1.557 9%；在满量程的100%时，平均精度可达到-0.964 7%。数据表明，仪表在进行耐腐喷涂处理后，测量值偏小。在满量程的10%处，特氟龙涂层对仪表的测量结果影响最大；在满量程处，特氟龙涂层对仪表的测量结果影响最小；随着流速的增加，特氟龙涂层带来的影响会减小。

表3 校准数据表

仪表重复性可表示为：

(8)

式中:m为仪表的重复性;Xmax为最大误差;Xmin为最小误差;X为平均误差。

在量程10%处，仪表的重复性小于0.1%；在量程20%处，仪表的重复性小于0.1%；在量程50%处，仪表的重复性小于0.25%；在量程100%处，仪表的重复性小于0.25%。从以上数据可知，虽然仪表的精确度未达到1%,但是具有很高的重复性，可通过内部系数对仪表进行修正，从而达到测量要求。评定仪表性能的指标主要有重复性和精确度。如果重复性差，同一个工况测量的结果差别很大，对现场的测量来说没有很大的意义。只要仪表的重复性好，测量值可通过现场经验系数加以修正，依然有很高的指导意义。

3 现场验证

在淮南某电厂脱硫工艺上安装了KURZ公司的2台热式气体质量流量计。其中1台经过特氟龙喷涂处理，另外1台未经过特氟龙喷涂处理。经过不同负荷运行一段时间后，从现场采集到的功率-流速曲线如图5所示。在相同功率条件下,低流速时经过特氟龙处理的仪表测量值略微偏高，高流速时经过特氟龙处理的仪表测量值略微偏小，但是曲线趋势与未作处理的流量计的曲线趋势相同。这说明经过特氟龙处理后流量计的测量性能未受到影响。

图5 功率-流速曲线

为了使数据更加可靠，结合现场工艺特点，对流量计进行内部修正。修正公式如下所示：

Vs=Vf×F×S×Vt

(9)

式中：Vs为现场标准流速值；Vf为现场实际流速值；F为现场经验系数；S为现场管道影响因子；Vt为温度修正系数。

不同类型表面腐蚀率对比如表4所示。

表4 腐蚀率对比表

经过一年使用后，特氟龙处理后的流量计支撑杆出现轻微的腐蚀，而传感器基本未出现腐蚀现象，测量值稳定，4～20 mA信号输出正常。未经过特氟龙处理的仪表，使用4个月后开始出现轻微腐蚀，使用8个月后腐蚀现象明显，而使用一年后支撑杆腐蚀率超过了40%，传感器出现腐蚀损坏现象，4～20 mA信号输出异常。通过对热式气体流量计表面耐腐性能进行研究，达到预期的效果，满足测量精度的情况下，提高流量计的耐腐性能，延长了流量计的使用寿命。

4 结论

经过表面处理和现场安装调整后，热式气体流量计在脱硫工艺应用上取得了很好的效果。与传统的热式流量计相比，该方法强化了传感器的耐腐蚀性能，提高了仪表的使用寿命。对流量计进行标定校准处理后，仪表的重复性可达到0.25%，精度可达到满量程的1%。