一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種流化床中荷電顆粒荷質比的在線檢測方法，本發(fā)明主要解決的技術問題是現(xiàn)有檢測技術在工業(yè)流化床反應器中無法實現(xiàn)顆粒荷質比的在線無損檢測的問題，該方法包括以下步驟：1)檢測瞬時感應靜電壓和感應電極兩端的壓力脈動；2)判斷顆粒荷電極性；3)計算顆粒群平均相關速度；4)計算正感應靜電壓的平均值；5)計算得到顆粒荷質比，最終實現(xiàn)對顆粒荷質比的在線檢測。其對氣固流化床中荷電顆粒荷質比的反應靈敏，檢測精度較高，實現(xiàn)了對流化床中顆粒荷質比的實時在線、準確檢測。
【專利說明】
一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及氣固體系靜電水平的檢測方法，尤其涉及一種流化床中顆粒荷質比的 在線檢測方法。
【背景技術】
[0002] 氣固兩相流體系廣泛存在于能源、化工、冶金、環(huán)境和食品加工等工業(yè)過程中，氣 固流化床是一種典型的氣固兩相流反應器，顆粒的劇烈運動和循環(huán)使得氣固兩相得以充分 接觸混合，具有良好的熱質傳遞效率，因而廣泛應用于煤燃燒和氣化、催化裂化、造粒和干 燥、烯烴聚合等過程。氣固兩相流體系中關鍵流動參數(shù)的準確在線檢測，對于實現(xiàn)過程的優(yōu) 化控制，保障反應器的安全穩(wěn)定運行、提高生產效率，具有十分重要的意義。
[0003] 靜電是氣固兩相體系中普遍存在的現(xiàn)象，顆粒之間、顆粒與器壁之間的摩擦碰撞 導致了靜電荷的產生和累積。特別是在烯烴聚合流化床反應器中，高絕緣性顆粒的劇烈運 動和極低的環(huán)境濕度使得靜電荷的產生和累積尤為嚴重。靜電的存在會影響反應器內的流 體力學行為，過量靜電荷的累積可能會引起粘壁、結塊等現(xiàn)象的發(fā)生，甚至造成反應器的緊 急停車，為安全穩(wěn)定生產帶來隱患。無論是對靜電產生機理的探索，還是對靜電調控方法的 開發(fā)，準確的靜電檢測手段必不可少。流化床中常用的靜電檢測方法包括靜電探頭法和法 拉第筒法。
[0004] 靜電探頭法屬于侵入式檢測，探頭與顆粒直接接觸，在一定程度上會影響流化床 局部的流場，其檢測結果也就不可避免地會受到流場的隨機性變化的影響，引起檢測結果 的無規(guī)律變化。法拉第筒法也存在著明顯的缺點，將荷電顆粒轉移至法拉第筒的過程中，顆 粒荷電量不可避免地會受到取樣過程的影響，從而影響測量結果的準確性，法拉第筒法無 法進行在線測量。
[0005] 因此，建立一種結構簡單、非侵入式的顆粒荷質比的在線檢測手段，實現(xiàn)對流化床 中顆粒荷質比的在線、準確、無損檢測，對工業(yè)流化床反應器安全穩(wěn)定生產，流化質量監(jiān)控， 靜電的調控和消除有著重大的意義。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術問題是現(xiàn)有檢測技術在工業(yè)流化床反應器中無法實現(xiàn)顆 粒荷質比的在線無損檢測的問題，提供一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測方法，該方法 具有以下優(yōu)點：1)對于荷電顆粒荷質比的變化非常靈敏，且檢測精度較高;2)檢測是實時在 線的；3)感應電極陣列檢測裝置是非侵入式的，安裝時只需置于氣固流化床反應器設備外 側壁面即可，簡易方便，且消除了氣固流化床反應器設備材質必須透明的限制。
[0007] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下：一種流化床中顆粒荷質比的 在線檢測方法包括如下步驟：
[0008] 1)利用感應電極陣列檢測流化床中荷電顆粒流化過程中產生的流化反應靜電壓 和流化反應靜電流，同時使用壓力脈動探頭檢測感應電極陣列兩側的壓差脈動；
[0009] 2)根據(jù)感應靜電流和壓差脈動對時間的一階導數(shù)的正負符號判斷顆粒荷電極性；
[0010] 3)基于感應靜電壓信號，利用互相關方法計算顆粒群平均相關速度，
[0011]
[0012]
[0013]其中Vc為顆粒群相關速度(rn/s)，L為上下游電極中心間距(!11)~為上下游靜電壓 信號的渡越時間（s)，由互相關計算方法得到;為顆粒群平均相關速度，η為數(shù)據(jù)點個數(shù)；
[0014] 4)基于感應靜電壓信號，計算正感應靜電壓的平均值，
[0015]
[0016] 其中VindS正感應靜電壓平均值(V)，vpi為瞬時正感應靜電壓值(V)，η為數(shù)據(jù)點個 數(shù)；
[0017] 5)利用流化床中的正感應靜電壓平均值與顆粒荷質比和顆粒群平均相關速度的 關系式·
[0018]
[0019] 計算得至I」顆粒荷質比qm(yC/kg)。
[0020] 所述的流化床中荷電顆粒荷質比的在線檢測方法的應用對象為氣固流化床。
[0021] 所述的流化床中荷電顆粒荷質比的在線檢測方法，其特征在于，檢測系統(tǒng)包括靜 電荷檢測系統(tǒng)、壓力脈動檢測系統(tǒng)
[0022]所述流化床中荷電顆粒荷質比的在線檢測方法的靜電荷檢測系統(tǒng)由感應電極、靜 電微信號放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機構成。
[0023]所述的感應電極陣列結構為弧形或環(huán)形。
[0024] 所述的弧形感應電極陣列的寬度與流化床的直徑的比值為1/10-1/50,弧形感應 電極陣列的厚度為l-5mm。
[0025] 所述的弧形感應電極陣列的弧度為30°-90°，周向個數(shù)為1-8個。
[0026] 所述的弧形感應電極陣列的間距為10-50mm。
[0027] 所述的感應電極陣列信號的接收頻率范圍為0-20kHz，其最優(yōu)接收頻率范圍0-10kHz〇
[0028] 具體地，感應電極緊密貼附并固定于流化床外壁面上，固定電極的螺栓未伸入至 流化床內，不與流化顆粒接觸。流化過程中，顆粒不斷進入和離開電極感應區(qū)域，電極表面 的感應電荷不斷發(fā)生變化，從而在檢測回路中產生感應電流，使用靜電微信號放大電路對 這一靜電信號的變化進行轉換、濾波和放大，得到感應靜電壓信號。同時，壓力脈動檢測系 統(tǒng)檢測感應電極兩端的壓差脈動信號，實現(xiàn)靜電信號與壓力脈動信號的同步檢測。
[0029] 根據(jù)實測的靜電流信號和壓差脈動對時間的一階導數(shù)的變化趨勢來判斷電極敏 感區(qū)內顆粒整體的荷電極性。當帶正電的顆粒群進入感應區(qū)時，感應靜電流為正值(正電顆 粒），壓差脈動對時間的一階導數(shù)也為正值(顆粒進入感應區(qū)內，顆粒數(shù)目增加，壓降增加）； 而當進入感應區(qū)的顆粒群帶負電時，感應靜電流為負值（負電顆粒），壓差脈動對時間的一 階導數(shù)仍然為正值(顆粒進入感應區(qū)內，顆粒數(shù)目增加，壓降增加）。
[0030] 利用互相關計算方法計算上下游靜電壓信號的渡越時間（?)，根據(jù)上下游電極中 心間距(L)，通過下面公式
[0031]
[0032]
[0033] 就可以出計算顆粒群平均相關速度。
[0034] 另外，基于感應靜電壓信號利用下式對其進行分析計算得到正感應靜電壓的平均 值，
[0035]
[0036]其中VindS正感應靜電壓平均值(V)，Vpi為瞬時正感應靜電壓值(V)，n為數(shù)據(jù)點個 數(shù)；
[0037] 再通過流化床中的正感應靜電壓平均值與顆粒荷質比和顆粒群平均相關速度的 關系式：
[0038]
[0039] 計算得到顆粒荷質比qm(yC/kg)。
[0040] 上述技術方案能實時在線地檢測流化床過程中的靜電信號和壓力脈動信號，并通 過互相關計算方法計算得到顆粒群平均相關速度V。，正感應靜電壓的平均值V ind，并以此為 基礎最終得到顆粒荷質比的絕對值。最后，根據(jù)實測的靜電流信號和壓差脈動對時間的一 階導數(shù)的變化趨勢來判斷電極敏感區(qū)內顆粒整體的荷電極性，相比于靜電探頭法和法拉第 筒法，本發(fā)明的方法有著明顯的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0041] 圖1是氣固流化床顆粒荷質比的在線檢測裝置的結構示意圖。
[0042 ]圖2是實施例1中氣固流化床弧形感應電極安裝高度、法拉第筒采樣位置、LAA注入 位置示意圖。
[0043] 圖3是實施例2中氣固流化床弧形感應電極安裝高度、法拉第筒采樣位置示意圖。
[0044] 圖4是實施例3中氣固流化床弧形感應電極安裝高度、法拉第筒采樣位置示意圖。
[0045] 圖5是實施例1中不同LAA注入濃度下顆粒荷質比模型預測結果與法拉第筒法取樣 測量結果對比圖。
[0046] 圖6是實施例2中不同表觀氣速下顆粒荷質比模型預測結果與法拉第筒法取樣測 量結果對比圖。
[0047] 圖7是實施例3中不同表觀氣速下顆粒荷質比模型預測結果與法拉第筒法取樣測 量結果對比圖。
【具體實施方式】
[0048] 實施例1
[0049] 實驗裝置見圖1。實驗過程中，空氣經羅茨風機1進入干燥器2、流量計3和閥門4后， 進入貼附有感應電極陣列5的流化床6內對顆粒進行流化，實驗在室溫下進行。
[0050] 流化床6內徑為140mm，外徑為150mm，床高為1000mm，流化床頂部設置有擴大段，流 化床底部設有氣體分布板和空氣混合室。
[0051] 感應電極陣列5中的感應電極為弧形，弧形感應電極的寬度與流化床直徑的比值 為1/25,弧形感應電極陣列的弧度為60°，周向個數(shù)為4個，弧形感應電極陣列的間距為 25mm?；⌒胃袘姌O陣列的安裝高度具體位置如圖2所示，本實施中以距離分布板高度為 90mm處作為顆粒荷質比測量點。
[0052] 實驗中流化氣體為空氣，流化顆粒為LLDPE顆粒(Geldart B類顆粒），顆粒的密度 是918kg/m3，粒徑范圍0 · 45-0 · 90mm，平均直徑為0 · 66mm，利用經典壓降法測量得到的顆粒 起始流化速度為〇.20m/s，其中LLDPE顆粒的粒徑分布由馬爾文激光粒度儀（Malvern Mastersizer 2000)測得。
[0053]實驗時先使用干燥空氣將流化床吹掃lOmin，加入1.5kg預先干燥過的LLDPE顆粒， 靜床高為265mm。在設定的氣速(u = 0.5m/s)下將顆粒流化30min。同時采集不同軸向高度處 弧形電極檢測到的感應靜電壓信號和電極兩端的壓差脈動信號，其中靜電壓信號由靜電微 信號放大電路7進行測量，壓差脈動信號通過壓力脈動探頭8進行檢測，被測數(shù)據(jù)經由數(shù)據(jù) 采集卡9(NI，USB-6212)，進入計算機10,輸出實時的荷電顆粒荷質比。
[0054]為了對比本發(fā)明方法的準確性，在距離分布板90mm處設置顆粒取樣口，以利用法 拉第筒取樣法對顆粒荷質比進行測量。在靜電壓信號和壓力脈動信號采集結束后，利用法 拉第筒檢測床層顆粒的平均荷質比，以連續(xù)三次檢測的平均值作為最終檢測結果。荷質比 檢測結束后將取樣顆粒重新加入流化床，以保證整床顆粒的總質量不變。
[0055]最后，通過LAA注入口向流化床內注入一定濃度和體積的抗靜電劑(LAA)，具體參 數(shù)見表1，重復前述操作步驟。
[0056] 表1抗靜電劑注入量(LLDPE顆粒）
[0057]
[0058]實驗結果如下表所示：
[0059] 表2實施例1結果表
[0060]
[0061 ]表2中qme3St為模型預測值，qm為法拉第筒取樣法測量值。
[0062] 顆粒平均荷質比模型結果與法拉第筒測量結果對比圖如圖5所示。
[0063] 實施例2
[0064] 實驗裝置見圖1。實驗過程中，空氣經羅茨風機1進入干燥器2、流量計3和閥門4后， 進入貼附有感應電極陣列5的流化床6內對顆粒進行流化，實驗在室溫下進行。
[0065] 流化床6內徑為140mm，外徑為150mm，床高為1000mm，流化床頂部設置有擴大段，流 化床底部設有氣體分布板和空氣混合室。
[0066] 感應電極陣列5中的感應電極為弧形，弧形感應電極的寬度與流化床直徑的比值 為1/25,弧形感應電極陣列的弧度為60°，周向個數(shù)為4個，弧形感應電極陣列的間距為 25mm?；⌒胃袘姌O陣列的安裝高度具體位置如圖3所示，本實施中以距離分布板高度為 90mm處作為顆粒荷質比測量點。
[0067] 實驗中流化氣體為空氣，流化顆粒為LLDPE顆粒(Geldart B類顆粒），顆粒的密度 是918kg/m3，粒徑范圍0 · 45-0 · 90mm，平均直徑為0 · 66mm，利用經典壓降法測量得到的顆粒 起始流化速度為〇.20m/s，其中LLDPE顆粒的粒徑分布由馬爾文激光粒度儀（Malvern Mastersizer 2000)測得。
[0068]實驗時先使用干燥空氣將流化床吹掃lOmin，加入1.5kg預先干燥過的LLDPE顆粒， 靜床高為265mm。在設定的氣速(u = 0.5m/s)下將顆粒流化30min。同時采集不同軸向高度處 弧形電極檢測到的感應靜電壓信號和電極兩端的壓差脈動信號，其中靜電壓信號由靜電微 信號放大電路7進行測量，壓差脈動信號通過壓力脈動探頭8進行檢測，被測數(shù)據(jù)經由數(shù)據(jù) 采集卡9(NI，USB-6212)，進入計算機10,輸出實時的荷電顆粒荷質比。
[0069]為了對比本發(fā)明方法的準確性，在距離分布板90mm處設置顆粒取樣口，以利用法 拉第筒取樣法對顆粒荷質比進行測量。在靜電壓信號和壓力脈動信號采集結束后，利用法 拉第筒檢測床層顆粒的平均荷質比，以連續(xù)三次檢測的平均值作為最終檢測結果。荷質比 檢測結束后將取樣顆粒重新加入流化床，以保證整床顆粒的總質量不變。
[0070]最后，改變顆粒的流化表觀氣速，具體參數(shù)見表1，重復S1和S2。
[0071] 表3流化表觀氣速(LLDPE顆粒）
[0072]
[0073]實驗結果如下表所示：
[0074] 表4實施例2結果表
[0075]
[0076]表4中qmest為模型預測值，qm為法拉第筒取樣法測量值。
[0077] 顆粒平均荷質比模型預測結果與法拉第筒測量結果對比圖如圖6所示。
[0078] 實施例3
[0079] 實驗裝置見圖1。實驗過程中，空氣經羅茨風機1進入干燥器2、流量計3和閥門4后， 進入貼附有感應電極陣列5的流化床6內對顆粒進行流化，實驗在室溫下進行。
[0080] 流化床6內徑為420mm，外徑為450mm，床高為2000mm，流化床頂部設置有擴大段，流 化床底部設有氣體分布板和空氣混合室。
[0081] 感應電極陣列5中的感應電極為弧形，弧形感應電極的寬度與流化床直徑的比值 為1/30,弧形感應電極陣列的弧度為30°，周向個數(shù)為8個，弧形感應電極陣列的間距為 30mm?；⌒胃袘姌O陣列的安裝高度具體位置如圖4所示，本實施中以距離分布板高度為 240mm處作為顆粒荷質比測量點。
[0082]實驗中流化氣體為空氣，流化顆粒為PP顆粒(Geldart D類顆粒），顆粒的密度是 900kg/m3,平均直徑為1.85mm，其中PP顆粒的粒徑由標準篩篩分后進行計算測得，利用經典 壓降法測量得到的起始流化速度為0.55m/s。
[0083]實驗時先使用干燥空氣將流化床吹掃lOmin，加入36kg預先干燥過的PP顆粒，靜床 高為530mm。在設定的氣速(u = 0.5m/s)下將顆粒流化30min。同時采集不同軸向高度處弧形 電極檢測到的感應靜電壓信號和電極兩端的壓差脈動信號，其中靜電壓信號由靜電微信號 放大電路7進行測量，壓差脈動信號通過壓力脈動探頭8進行檢測，被測數(shù)據(jù)經由數(shù)據(jù)采集 卡9 (NI，USB-6212)，進入計算機10，輸出實時的荷電顆粒荷質比。
[0084]為了對比本發(fā)明方法的準確性，在距離分布板90mm處設置顆粒取樣口，以利用法 拉第筒取樣法對顆粒荷質比進行測量。在靜電壓信號和壓力脈動信號采集結束后，利用法 拉第筒檢測床層顆粒的平均荷質比，以連續(xù)三次檢測的平均值作為最終檢測結果。荷質比 檢測結束后將取樣顆粒重新加入流化床，以保證整床顆粒的總質量不變。
[0085]最后，改變顆粒的起始流化速度，具體參數(shù)見表1，重復S1和S2。
[0086] 表5流化表觀氣速(PP顆粒）
[0087]
[0088]實驗結果如下表所示：
[0089] 表6實施例3結果表
[0090]
[0091 ]表6中qme3St為模型預測值，qm為法拉第筒取樣法測量值。
[0092]顆粒平均荷質比模型結果與法拉第筒測量結果對比圖如圖7所示。
【主權項】
1. 一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測方法，其特征在于，所述方法包括W下步驟： 1) 利用感應電極陣列檢測流化床中荷電顆粒流化過程中產生的流化反應靜電壓和流 化反應靜電流，同時使用壓力脈動探頭檢測感應電極陣列兩側的壓差脈動； 2) 根據(jù)感應靜電流和壓差脈動對時間的一階導數(shù)的正負符號判斷顆粒荷電極性； 3) 基于感應靜電壓信號，利用互相關方法計算顆粒群平均相關速度，其中Vc為顆粒群相關速度(m/s)，L為上下游電極中屯、間距(m)，Tm為上下游靜電壓信號 的渡越時間（S )，由互相關計算方法得到;Vca為顆粒群平均相關速度，η為數(shù)據(jù)點個數(shù)； 4) 基于感應靜電壓信號，計算正感應靜電壓的平均值，其中Vind為正感應靜電壓平均值(V)，Vpi為瞬時正感應靜電壓值(V)，n為數(shù)據(jù)點個數(shù)； 5) 利用流化床中的正感應靜電壓平均值與顆粒荷質比和顆粒群平均相關速度的關系 式：計算得到顆粒荷質比qm(yC/kg)。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測方法，其特征在于所述 在線檢測方法的應用對象為氣固流化床。3. -種流化床中顆粒荷質比的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測系統(tǒng)包括靜電檢 測系統(tǒng)和壓力脈動檢測系統(tǒng)。4. 根據(jù)權利要求3所述的一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于所述 的靜電檢測系統(tǒng)由感應電極、靜電微信號放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機順次連接構成。5. 根據(jù)權利要求4所述的一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的感應電極為弧形或環(huán)形。6. 根據(jù)權利要求5所述的一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，當感 應電極為弧形時，弧形感應的寬度與流化床直徑的比值為1/10-1/50,弧形感應電極陣列的 厚度為l-5mm。7. 根據(jù)權利要求5所述的一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的弧形感應電極的弧度為30°-90°，周向安裝個數(shù)為1-8個。8. 根據(jù)權利要求5所述的一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的弧形感應電極中屯、的軸向間距為10-50mm。9. 根據(jù)權利要求1所述的一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述 數(shù)據(jù)采集卡的采集信號所用的采樣頻率是0-20曲z。10.根據(jù)權利要求9所述的一種流化床中顆粒荷質比的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所 述的采樣頻率是0-10曲Z。
【文檔編號】G01R29/24GK105974215SQ201610486901
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】廖祖維, 黃正梁, 張擎, 孫青松, 王靖岱, 楊遙, 沈建華, 董克增, 葛世軼, 周冰潔, 陽永榮, 蔣斌波, 孫婧元, 陸飛鵬, 胡東芳, 訾燦
【申請人】浙江大學