CN105974215A - 一种流化床中颗粒荷质比的在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流化床中荷电颗粒荷质比的在线检测方法，本发明主要解决的技术问题是现有检测技术在工业流化床反应器中无法实现颗粒荷质比的在线无损检测的问题，该方法包括以下步骤：1)检测瞬时感应静电压和感应电极两端的压力脉动；2)判断颗粒荷电极性；3)计算颗粒群平均相关速度；4)计算正感应静电压的平均值；5)计算得到颗粒荷质比，最终实现对颗粒荷质比的在线检测。其对气固流化床中荷电颗粒荷质比的反应灵敏，检测精度较高，实现了对流化床中颗粒荷质比的实时在线、准确检测。

Description

一种流化床中颗粒荷质比的在线检测方法

技术领域

本发明涉及气固体系静电水平的检测方法，尤其涉及一种流化床中颗粒荷质比的在线检测方法。

背景技术

气固两相流体系广泛存在于能源、化工、冶金、环境和食品加工等工业过程中，气固流化床是一种典型的气固两相流反应器，颗粒的剧烈运动和循环使得气固两相得以充分接触混合，具有良好的热质传递效率，因而广泛应用于煤燃烧和气化、催化裂化、造粒和干燥、烯烃聚合等过程。气固两相流体系中关键流动参数的准确在线检测，对于实现过程的优化控制，保障反应器的安全稳定运行、提高生产效率，具有十分重要的意义。

静电是气固两相体系中普遍存在的现象，颗粒之间、颗粒与器壁之间的摩擦碰撞导致了静电荷的产生和累积。特别是在烯烃聚合流化床反应器中，高绝缘性颗粒的剧烈运动和极低的环境湿度使得静电荷的产生和累积尤为严重。静电的存在会影响反应器内的流体力学行为，过量静电荷的累积可能会引起粘壁、结块等现象的发生，甚至造成反应器的紧急停车，为安全稳定生产带来隐患。无论是对静电产生机理的探索，还是对静电调控方法的开发，准确的静电检测手段必不可少。流化床中常用的静电检测方法包括静电探头法和法拉第筒法。

静电探头法属于侵入式检测，探头与颗粒直接接触，在一定程度上会影响流化床局部的流场，其检测结果也就不可避免地会受到流场的随机性变化的影响，引起检测结果的无规律变化。法拉第筒法也存在着明显的缺点，将荷电颗粒转移至法拉第筒的过程中，颗粒荷电量不可避免地会受到取样过程的影响，从而影响测量结果的准确性，法拉第筒法无法进行在线测量。

因此，建立一种结构简单、非侵入式的颗粒荷质比的在线检测手段，实现对流化床中颗粒荷质比的在线、准确、无损检测，对工业流化床反应器安全稳定生产，流化质量监控，静电的调控和消除有着重大的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有检测技术在工业流化床反应器中无法实现颗粒荷质比的在线无损检测的问题，提供一种流化床中颗粒荷质比的在线检测方法，该方法具有以下优点：1)对于荷电颗粒荷质比的变化非常灵敏，且检测精度较高；2)检测是实时在线的；3)感应电极阵列检测装置是非侵入式的，安装时只需置于气固流化床反应器设备外侧壁面即可，简易方便，且消除了气固流化床反应器设备材质必须透明的限制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种流化床中颗粒荷质比的在线检测方法包括如下步骤：

1)利用感应电极阵列检测流化床中荷电颗粒流化过程中产生的流化反应静电压和流化反应静电流，同时使用压力脉动探头检测感应电极阵列两侧的压差脉动；

2)根据感应静电流和压差脉动对时间的一阶导数的正负符号判断颗粒荷电极性；

3)基于感应静电压信号，利用互相关方法计算颗粒群平均相关速度，

$v_c=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_m}$

$v_{ca}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{v}_{ci}}{n}$

其中v_c为颗粒群相关速度(m/s)，L为上下游电极中心间距(m)，τ_m为上下游静电压信号的渡越时间(s)，由互相关计算方法得到；v_ca为颗粒群平均相关速度，n为数据点个数；

4)基于感应静电压信号，计算正感应静电压的平均值，

$V_{ind}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_{pi}}{n}$

其中V_ind为正感应静电压平均值(V)，V_pi为瞬时正感应静电压值(V)，n为数据点个数；

5)利用流化床中的正感应静电压平均值与颗粒荷质比和颗粒群平均相关速度的关系式：

$q_m=\sqrt[0.485]{\frac{V_{ind}}{0.41v_c^{1.1}}}$

计算得到颗粒荷质比q_m(μC/kg)。

所述的流化床中荷电颗粒荷质比的在线检测方法的应用对象为气固流化床。

所述的流化床中荷电颗粒荷质比的在线检测方法，其特征在于，检测系统包括静电荷检测系统、压力脉动检测系统

所述流化床中荷电颗粒荷质比的在线检测方法的静电荷检测系统由感应电极、静电微信号放大电路、数据采集卡和计算机构成。

所述的感应电极阵列结构为弧形或环形。

所述的弧形感应电极阵列的宽度与流化床的直径的比值为1/10-1/50，弧形感应电极阵列的厚度为1-5mm。

所述的弧形感应电极阵列的弧度为30°-90°，周向个数为1-8个。

所述的弧形感应电极阵列的间距为10-50mm。

所述的感应电极阵列信号的接收频率范围为0-20kHz，其最优接收频率范围0-10kHz。

具体地，感应电极紧密贴附并固定于流化床外壁面上，固定电极的螺栓未伸入至流化床内，不与流化颗粒接触。流化过程中，颗粒不断进入和离开电极感应区域，电极表面的感应电荷不断发生变化，从而在检测回路中产生感应电流，使用静电微信号放大电路对这一静电信号的变化进行转换、滤波和放大，得到感应静电压信号。同时，压力脉动检测系统检测感应电极两端的压差脉动信号，实现静电信号与压力脉动信号的同步检测。

根据实测的静电流信号和压差脉动对时间的一阶导数的变化趋势来判断电极敏感区内颗粒整体的荷电极性。当带正电的颗粒群进入感应区时，感应静电流为正值(正电颗粒)，压差脉动对时间的一阶导数也为正值(颗粒进入感应区内，颗粒数目增加，压降增加)；而当进入感应区的颗粒群带负电时，感应静电流为负值(负电颗粒)，压差脉动对时间的一阶导数仍然为正值(颗粒进入感应区内，颗粒数目增加，压降增加)。

利用互相关计算方法计算上下游静电压信号的渡越时间(τ_m)，根据上下游电极中心间距(L)，通过下面公式

$v_c=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_m}$

$v_{ca}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{v}_{ci}}{n}$

就可以出计算颗粒群平均相关速度。

另外，基于感应静电压信号利用下式对其进行分析计算得到正感应静电压的平均值，

$V_{ind}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_{pi}}{n}$

其中V_ind为正感应静电压平均值(V)，V_pi为瞬时正感应静电压值(V)，n为数据点个数；

再通过流化床中的正感应静电压平均值与颗粒荷质比和颗粒群平均相关速度的关系式：

$q_m=\sqrt[0.485]{\frac{V_{ind}}{0.41v_c^{1.1}}}$

计算得到颗粒荷质比q_m(μC/kg)。

上述技术方案能实时在线地检测流化床过程中的静电信号和压力脉动信号，并通过互相关计算方法计算得到颗粒群平均相关速度v_c，正感应静电压的平均值V_ind，并以此为基础最终得到颗粒荷质比的绝对值。最后，根据实测的静电流信号和压差脉动对时间的一阶导数的变化趋势来判断电极敏感区内颗粒整体的荷电极性，相比于静电探头法和法拉第筒法，本发明的方法有着明显的优势。

附图说明

图1是气固流化床颗粒荷质比的在线检测装置的结构示意图。

图2是实施例1中气固流化床弧形感应电极安装高度、法拉第筒采样位置、LAA注入位置示意图。

图3是实施例2中气固流化床弧形感应电极安装高度、法拉第筒采样位置示意图。

图4是实施例3中气固流化床弧形感应电极安装高度、法拉第筒采样位置示意图。

图5是实施例1中不同LAA注入浓度下颗粒荷质比模型预测结果与法拉第筒法取样测量结果对比图。

图6是实施例2中不同表观气速下颗粒荷质比模型预测结果与法拉第筒法取样测量结果对比图。

图7是实施例3中不同表观气速下颗粒荷质比模型预测结果与法拉第筒法取样测量结果对比图。

具体实施方式

实施例1

实验装置见图1。实验过程中，空气经罗茨风机1进入干燥器2、流量计3和阀门4后，进入贴附有感应电极阵列5的流化床6内对颗粒进行流化，实验在室温下进行。

流化床6内径为140mm，外径为150mm，床高为1000mm，流化床顶部设置有扩大段，流化床底部设有气体分布板和空气混合室。

感应电极阵列5中的感应电极为弧形，弧形感应电极的宽度与流化床直径的比值为1/25，弧形感应电极阵列的弧度为60°，周向个数为4个，弧形感应电极阵列的间距为25mm。弧形感应电极阵列的安装高度具体位置如图2所示，本实施中以距离分布板高度为90mm处作为颗粒荷质比测量点。

实验中流化气体为空气，流化颗粒为LLDPE颗粒(Geldart B类颗粒)，颗粒的密度是918kg/m³，粒径范围0.45-0.90mm，平均直径为0.66mm，利用经典压降法测量得到的颗粒起始流化速度为0.20m/s，其中LLDPE颗粒的粒径分布由马尔文激光粒度仪(Malvern Mastersizer 2000)测得。

实验时先使用干燥空气将流化床吹扫10min，加入1.5kg预先干燥过的LLDPE颗粒，静床高为265mm。在设定的气速(u＝0.5m/s)下将颗粒流化30min。同时采集不同轴向高度处弧形电极检测到的感应静电压信号和电极两端的压差脉动信号，其中静电压信号由静电微信号放大电路7进行测量，压差脉动信号通过压力脉动探头8进行检测，被测数据经由数据采集卡9(NI,USB-6212)，进入计算机10，输出实时的荷电颗粒荷质比。

为了对比本发明方法的准确性，在距离分布板90mm处设置颗粒取样口，以利用法拉第筒取样法对颗粒荷质比进行测量。在静电压信号和压力脉动信号采集结束后，利用法拉第筒检测床层颗粒的平均荷质比，以连续三次检测的平均值作为最终检测结果。荷质比检测结束后将取样颗粒重新加入流化床，以保证整床颗粒的总质量不变。

最后，通过LAA注入口向流化床内注入一定浓度和体积的抗静电剂(LAA)，具体参数见表1，重复前述操作步骤。

表1抗静电剂注入量(LLDPE颗粒)

实验结果如下表所示：

表2实施例1结果表

表2中q_mest为模型预测值，q_m为法拉第筒取样法测量值。

颗粒平均荷质比模型结果与法拉第筒测量结果对比图如图5所示。

实施例2

实验装置见图1。实验过程中，空气经罗茨风机1进入干燥器2、流量计3和阀门4后，进入贴附有感应电极阵列5的流化床6内对颗粒进行流化，实验在室温下进行。

流化床6内径为140mm，外径为150mm，床高为1000mm，流化床顶部设置有扩大段，流化床底部设有气体分布板和空气混合室。

感应电极阵列5中的感应电极为弧形，弧形感应电极的宽度与流化床直径的比值为1/25，弧形感应电极阵列的弧度为60°，周向个数为4个，弧形感应电极阵列的间距为25mm。弧形感应电极阵列的安装高度具体位置如图3所示，本实施中以距离分布板高度为90mm处作为颗粒荷质比测量点。

实验中流化气体为空气，流化颗粒为LLDPE颗粒(Geldart B类颗粒)，颗粒的密度是918kg/m³，粒径范围0.45-0.90mm，平均直径为0.66mm，利用经典压降法测量得到的颗粒起始流化速度为0.20m/s，其中LLDPE颗粒的粒径分布由马尔文激光粒度仪(Malvern Mastersizer 2000)测得。

实验时先使用干燥空气将流化床吹扫10min，加入1.5kg预先干燥过的LLDPE颗粒，静床高为265mm。在设定的气速(u＝0.5m/s)下将颗粒流化30min。同时采集不同轴向高度处弧形电极检测到的感应静电压信号和电极两端的压差脉动信号，其中静电压信号由静电微信号放大电路7进行测量，压差脉动信号通过压力脉动探头8进行检测，被测数据经由数据采集卡9(NI,USB-6212)，进入计算机10，输出实时的荷电颗粒荷质比。

为了对比本发明方法的准确性，在距离分布板90mm处设置颗粒取样口，以利用法拉第筒取样法对颗粒荷质比进行测量。在静电压信号和压力脉动信号采集结束后，利用法拉第筒检测床层颗粒的平均荷质比，以连续三次检测的平均值作为最终检测结果。荷质比检测结束后将取样颗粒重新加入流化床，以保证整床颗粒的总质量不变。

最后，改变颗粒的流化表观气速，具体参数见表1，重复S1和S2。

表3流化表观气速(LLDPE颗粒)

实验结果如下表所示：

表4实施例2结果表

表4中q_mest为模型预测值，q_m为法拉第筒取样法测量值。

颗粒平均荷质比模型预测结果与法拉第筒测量结果对比图如图6所示。

实施例3

实验装置见图1。实验过程中，空气经罗茨风机1进入干燥器2、流量计3和阀门4后，进入贴附有感应电极阵列5的流化床6内对颗粒进行流化，实验在室温下进行。

流化床6内径为420mm，外径为450mm，床高为2000mm，流化床顶部设置有扩大段，流化床底部设有气体分布板和空气混合室。

感应电极阵列5中的感应电极为弧形，弧形感应电极的宽度与流化床直径的比值为1/30，弧形感应电极阵列的弧度为30°，周向个数为8个，弧形感应电极阵列的间距为30mm。弧形感应电极阵列的安装高度具体位置如图4所示，本实施中以距离分布板高度为240mm处作为颗粒荷质比测量点。

实验中流化气体为空气，流化颗粒为PP颗粒(Geldart D类颗粒)，颗粒的密度是900kg/m³，平均直径为1.85mm，其中PP颗粒的粒径由标准筛筛分后进行计算测得，利用经典压降法测量得到的起始流化速度为0.55m/s。

实验时先使用干燥空气将流化床吹扫10min，加入36kg预先干燥过的PP颗粒，静床高为530mm。在设定的气速(u＝0.5m/s)下将颗粒流化30min。同时采集不同轴向高度处弧形电极检测到的感应静电压信号和电极两端的压差脉动信号，其中静电压信号由静电微信号放大电路7进行测量，压差脉动信号通过压力脉动探头8进行检测，被测数据经由数据采集卡9(NI,USB-6212)，进入计算机10，输出实时的荷电颗粒荷质比。

为了对比本发明方法的准确性，在距离分布板90mm处设置颗粒取样口，以利用法拉第筒取样法对颗粒荷质比进行测量。在静电压信号和压力脉动信号采集结束后，利用法拉第筒检测床层颗粒的平均荷质比，以连续三次检测的平均值作为最终检测结果。荷质比检测结束后将取样颗粒重新加入流化床，以保证整床颗粒的总质量不变。

最后，改变颗粒的起始流化速度，具体参数见表1，重复S1和S2。

表5流化表观气速(PP颗粒)

实验结果如下表所示：

表6实施例3结果表

表6中q_mest为模型预测值，q_m为法拉第筒取样法测量值。

颗粒平均荷质比模型结果与法拉第筒测量结果对比图如图7所示。

Claims (10)

1.一种流化床中颗粒荷质比的在线检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)利用感应电极阵列检测流化床中荷电颗粒流化过程中产生的流化反应静电压和流化反应静电流，同时使用压力脉动探头检测感应电极阵列两侧的压差脉动；

2)根据感应静电流和压差脉动对时间的一阶导数的正负符号判断颗粒荷电极性；

3)基于感应静电压信号，利用互相关方法计算颗粒群平均相关速度，

$v_c=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_m}$

$v_{ca}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{v}_{ci}}{n}$

其中v_c为颗粒群相关速度(m/s)，L为上下游电极中心间距(m)，τ_m为上下游静电压信号的渡越时间(s)，由互相关计算方法得到；v_ca为颗粒群平均相关速度，n为数据点个数；

4)基于感应静电压信号，计算正感应静电压的平均值，

$V_{ind}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_{pi}}{n}$

其中V_ind为正感应静电压平均值(V)，V_pi为瞬时正感应静电压值(V)，n为数据点个数；

5)利用流化床中的正感应静电压平均值与颗粒荷质比和颗粒群平均相关速度的关系式：

$q_m=\sqrt[0.485]{\frac{V_{ind}}{0.41v_c^{1.1}}}$

计算得到颗粒荷质比q_m(μC/kg)。

2.根据权利要求1所述的一种流化床中颗粒荷质比的在线检测方法，其特征在于所述在线检测方法的应用对象为气固流化床。

3.一种流化床中颗粒荷质比的在线检测系统，其特征在于，所述检测系统包括静电检测系统和压力脉动检测系统。

4.根据权利要求3所述的一种流化床中颗粒荷质比的在线检测系统，其特征在于所述的静电检测系统由感应电极、静电微信号放大电路、数据采集卡和计算机顺次连接构成。

5.根据权利要求4所述的一种流化床中颗粒荷质比的在线检测系统，其特征在于，所述的感应电极为弧形或环形。

6.根据权利要求5所述的一种流化床中颗粒荷质比的在线检测系统，其特征在于，当感应电极为弧形时，弧形感应的宽度与流化床直径的比值为1/10-1/50，弧形感应电极阵列的厚度为1-5mm。

7.根据权利要求5所述的一种流化床中颗粒荷质比的在线检测系统，其特征在于，所述的弧形感应电极的弧度为30°-90°，周向安装个数为1-8个。

8.根据权利要求5所述的一种流化床中颗粒荷质比的在线检测系统，其特征在于，所述的弧形感应电极中心的轴向间距为10-50mm。

9.根据权利要求1所述的一种流化床中颗粒荷质比的在线检测系统，其特征在于，所述数据采集卡的采集信号所用的采样频率是0-20kHz。

10.根据权利要求9所述的一种流化床中颗粒荷质比的在线检测系统，其特征在于，所述的采样频率是0-10kHz。