CN112730545B - 生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质热解相关技术领域，并具体公开一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法及系统。该方法包括下列步骤：S1获取时间和电压，时间和电流以及时间与电极上结焦量的对应关系；S2获得平滑后的电阻导数与时间曲线和曲线上的峰高、峰宽和峰面积；S3重复S1和S2，将峰高、峰宽和峰面积作为结焦量与时间与结焦量的对应关系中相应时刻的结焦量进行比较，以此构建误差补偿函数；S4对于待预测电解过程，获取平滑后的电阻导数与时间曲线上的峰高、峰宽和峰面积，并以此作为结焦量，利用误差补偿函数补偿即可预测获得实际的结焦量。通过本发明，实现在电解过程中及时、准确地判断电极上焦开始吸附的时间和结焦量。

Description

生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法及系统

技术领域

本发明属于生物质利用相关技术领域，更具体地，涉及一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法及系统。

背景技术

实现生物质热解油高效低成本利用是农林废弃物分布式热解多联产利用技术的关键。然而，生物质热解油组成复杂、受热易结焦，结成的焦炭会导致管道堵塞、催化剂失活等问题。电催化作为处理热解油一种新型手段，具有反应条件温和、反应过程可控、操作简单、布置灵活等优势，极具商业化前景。利用电催化处理生物质热解油主要有两种思路。一是利用电催化体系进行生物质热解油中不饱和组分的加氢提质。然而在热解油电解提质过程中，电极上焦的吸附会带来电解液局部发热严重，油中不饱和组分加氢效率降低，热解油提质效率显著下降等问题。因此除此之外，一种新的利用电催化处理生物质热解油的思路是通过某些调控手段使得在电解液中高选择性生成具有特定结构的焦，并使其在电极上吸附、富集、生长，获得高品质碳材料。

无论上述哪种利用方法，都需要对电解过程中电极上焦吸附过程进行准确的检测。然而，由于生物质热解油中重质组分较多，热解油的及其溶液的颜色一般较深，工业化应用时电极上吸附的焦一般无法通过直接观测获得信息。基于此，本发明通过解析电极上附焦带来的电信号的变化，提出一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法及系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法及系统，通过对电解过程进行进一步控制，通过解析电极上附焦带来的电信号的变化，能够实现在电解过程中及时、准确地判断电极上焦开始吸附的时间和结焦量。本发明方法具有测试过程简单，数据处理容易，可快速实现电解过程中电极结焦的在线判断与测量等优势。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法，该方法包括下列步骤：

S1在生物质热解油电解过程中，在预设的采样频率下采集电解过程中的电解电压、电流以及沉积在电极上结焦量，以此获得时间和电压，时间和电流以及时间与电极上结焦量的对应关系；

S2利用步骤S1获得的所述时间和电流以及时间与电压的关系，计算电阻导数与时间的对应关系，并将其绘制为曲线，对该曲线进行平滑滤波处理获得平滑后的电阻导数与时间曲线；获取该平滑后的电阻导数与时间曲线上的峰高、峰宽和峰面积；

S3重复步骤S1和S2多次采样，以此获得多条平滑后的电阻导数与时间曲线，以及每条曲线上的峰高、峰宽和峰面积，分别将所有曲线的峰高、峰宽和峰面积作为结焦量，并与步骤S1获得的时间与结焦量的对应关系中相应时刻的结焦量进行比较，以此构建误差补偿函数；

S4对于待预测电解过程，获取该待预测电解过程中平滑后的电阻导数与时间曲线上的峰高、峰宽和峰面积，并以此分别作为结焦量，利用所述误差补偿函数进行补偿即可预测获得实际的结焦量，实现待预测电解过程中结焦量的预测。

进一步优选地，在S4中，对于待预测电解过程中平滑后的电阻导数与时间曲线，获取该曲线上峰的位置，该峰的位置对应开始结焦的时刻。

进一步优选地，在S2中，所述平滑滤波处理采用的方法为相邻点均值平滑或Savitzky-Golay平滑。

进一步优选地，所述生物质热解油为稻杆、林叶或棉花壳的生物质在不低于500℃高温下以大于200℃/s升温热解后在不高于零下60℃直接冷凝得到的。

进一步优选地，在步骤S1中，所述电极上沉积的结焦量通过将沉积有焦的电极取出后称取其质量，然后与未沉积焦的电极质量相比较，以此获得沉积的焦的质量。

进一步优选地，在步骤S2和S4中，所述平滑后的电阻导数与时间曲线上的峰高、峰宽和峰面积的获取中，首先设定平滑后的电阻导数与时间曲线的基线，然后求解在基线以上的峰高、峰宽和峰面积，以此获得所需的峰高、峰宽和峰面积。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的在线预测方法应用的系统，该系统包括：在线预测模块、电解模块和测量单元，其中：

所述电解模块用于将生物质热解油进行电解；

所述测量单元用于实时检测所述电解模块进行电解过程中的电压、电流和结焦量；

所述在线预测模块利用测量单元测量获得的电压、电流和结焦量，采用上述所述的方法进行在线预测。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本通过采集电解过程中的电流、电压和结焦量，以此构建电阻倒数与时间曲线上峰高、峰宽和峰面积与结焦量的关系，并将此关系用于预测实际的结焦量，在实际工业生产中，由于无法实时检测结焦量，本发明的方法能有效的预测实际的结焦量，准确率高，为实际生产提供便利；

2.本发明方法通过解析在温度波动较小时电极上吸附焦对电信号带来的影响，能够即时在线地反馈出电极上结焦时间和结焦量的状态，为生物质热解油电解提质过程中焦脱除和生物质热解油电解制备高性能材料过程中结焦量的判断提供了全新方法；

3.本发明方法不受电解设备种类的限制，适用性广，既可以应用于常见的H型电解池和未分隔电解池，也可用于连续流动电解池。同时本发明方法操作简单、测试过程方便、反应迅速，数据处理可嵌入计算机控制程序，能及时在线反馈结焦信息。

附图说明

图1是本发明优选实施例所构建的生物质热解油电解过程中电极结焦的判断及其结焦量的在线检测方法系统图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的滤波平滑后一阶导数变化图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的峰面积关联后各焦吸附点的时间及焦量图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种生物质热解油电解过程中电极结焦量的在线预测方法，包括以下步骤：

(a)如图1所示，在热解油电解前，将电解池接入温控装置，并将多个热电偶探点布置于电解池中，将其测出的温度信号用作反馈输入计算机控制单元控制温控机构动作，维持电解池内热解油的恒温；

(b)在恒温下，打开电解供电机构，设定某一电解时间后开始电解，电解时计算机控制单元以一固定频率不断记录电解过程中的电流电压信号，并在电解后测量焦上电极质量；

(c)将步骤(b)在不同时间下重复N次，得到N条电流电压曲线和焦上电极随时间变化的N个数据点；

(d)将上述N条电压信号电流信号曲线相除后得到电阻信号，然后将其对时间求一阶导数得到N条曲线族L1，将L1进行平滑滤波得到N条带多个峰的曲线族L2，将N条曲线族L2的峰特征与电极上焦随时间变化的N个数据点进行关联，拟合出峰特征与结焦量的变化关联公式，建立误差补偿函数；该误差补偿函数的建立的方法有很多种，本发明中不作累述。将电压信号与电流信号直接相除得到的电阻信号不仅能在一定程度上消除电信号波动带来的影响，而且信号获取与处理简单，物理意义明确，便于与结焦量过程相对应来理解电化学结焦机理，同时电阻的导数反应电阻的变化趋势，这与结焦量的变化在物理上呈现正相关的趋势，方便处理，具有一定的物理意义，与其他信号处理方式相比，其物理意义显著，操作处理方便，过程易于理解，结果相关性较好；

(e)将(d)中的关联关系嵌入计算机控制单元，通过对即时峰特征的分析在线判断测量电极上开始结焦时间和结焦量。

作为本发明的进一步优选，在步骤(a)中，热电偶探点数不少于3个，温控装置的控温精度不低于±0.2℃。由于溶液内部温度分布的不均匀性及热电偶本身测量误差带来的不确定性，热电偶数目少于三个会使得测量误差偏大，不利于后续的滤波，同时控温波动大于±0.2℃会较大影响溶液的电导率，造成电信号的较大波动，会掩盖真实所需信号，不利于后续峰特征的关联。

作为本发明的进一步优选，在步骤(b)中，电解供电机构输出电流精度不低于1mA，电解时间不低于10min，记录频率不低于每10s记录一次。电流精度小于1mA时，供电机构本身带来的电流波动会叠加进后续的一阶导数的峰，给峰的处理及峰特征识别带来麻烦。同时由于电解前10min中电极上未有吸附焦或者焦量太少无法称量，因此电解时间应超过10min。再者，记录频率低于每10s一次会使得数据量不够，造成曲线失真，不利于后续求导等一些列操作。

作为本发明的进一步优选，在步骤(c)中，不同时间为等间隔时间，间隔时间不超过20min，N不小于20。由于后续附焦开始后焦质量变化较快，间隔时间超过20min后会丧失大量中间结焦信息，不利于后续结焦量与峰特征参数的关联，N小于20同样会使得取样数不够而致结焦量与峰特征参数关联较弱或者关联错误。

作为本发明的进一步优选，在步骤(d)中，曲线L1的平滑滤波方法是相邻点均值平滑、Savitzky-Golay平滑，每个点用来的平滑的点的个数介于5～40个之间，平滑点的数目少于5不利于曲线平滑，仍会得到带有大量毛刺的导数曲线，数目大于40会使得曲线平滑过度，数据失真。

作为本发明的进一步优选，在步骤(d)中，曲线L2峰特征包括峰位置、峰高、峰宽、峰面积，上述峰特征均在扣除基线后计算得到。在峰特征参数中，峰位置、峰高、峰宽、峰面积等参数不仅能很好的描述该峰的形貌信息，而且便于获取和测量。相对于其他峰参数，它具有信息准确全面，测量、编程计算容易，适合嵌入计算机程序进行可视化处理等显著优势。

作为本发明的进一步优选，在步骤(e)中，电极上开始结焦时间为所述峰特征中第一个峰出现的位置。

进行生物质热解油电解过程中电极结焦程度在线检测，作为本发明的进一步优选，其中生物质热解油为稻杆、林叶、棉花壳等农林类生物质在不低于500℃高温下以大于200℃/s升温热解后挥发份在不高于零下60℃直接冷凝得到的，电解池为不分隔电解池、连续流动电解池和H型电解池。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明中的方法。

实施例1

(a)向不分隔电解池系统倒入生物质热解油，电解前，将控温精度为±0.2℃的温控装置并入该体系，并在电解池内布置3个热电偶探点，将热电偶探点及温控装置接入电解控制系统，以维持电解过程中热解油的恒温。本实施例电解池中生物质热解油为稻杆在500℃下以大于200℃/s升温条件下在零下60℃直接冷凝得到的；

(b)在恒温下，打开电解供电机构，该机构输出电流精度为1mA，设定10min电解时间后开始电解，电解时计算机控制单元以10s/次不断记录电解过程中的电流电压信号，并在电解后测量焦上电极质量；

(c)将步骤(b)在不同时间下重复20次，得到20条电流电压曲线和焦上电极随时间变化的20个数据点，时间间隔为10min，电解时间依次为10、20、30…190、200min；

(d)将上述20条电压信号电流信号曲线相除后得到电阻信号，然后将其对时间求一阶导数得到20条曲线族L1，将L1利用进行相邻点均值平滑，平滑点数为40个，平滑滤波得到20条带多个峰的曲线族L2，将20条曲线族L2的峰特征与电极上焦随时间变化的20个数据点进行关联，拟合出峰特征与结焦量的变化关联公式；

(e)将(d)中的关联关系嵌入计算机控制单元，通过对即时峰特征的分析在线判断测量电极上开始结焦时间和结焦量。

滤波平滑后一阶导数变化如图2所示，峰面积关联后各焦吸附点的时间及焦量如图3所示。

实施例2

区别于实施例1，本实施例中所用的步骤(c)中时间间隔为20min，相邻点均值平滑所用点数为5个。操作完成后得到峰宽、峰面积与结焦量的关联关系，关联性较强，能比较合适的描述焦量的在电极上的增长过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1在生物质热解油电解过程中，在预设的采样频率下采集电解过程中的电解电压、电流以及沉积在电极上结焦量，以此获得时间和电压，时间和电流以及时间与电极上结焦量的对应关系；

S2利用步骤S1获得的所述时间和电流以及时间与电压的关系，计算电阻导数与时间的对应关系，并将其绘制为曲线，对该曲线进行平滑滤波处理获得平滑后的电阻导数与时间曲线；获取该平滑后的电阻导数与时间曲线上的峰高、峰宽和峰面积；

S3重复步骤S1和S2多次采样，以此获得多条平滑后的电阻导数与时间曲线，以及每条曲线上的峰高、峰宽和峰面积，分别将所有曲线的峰高、峰宽和峰面积作为结焦量，并与步骤S1获得的时间与结焦量的对应关系中相应时刻的结焦量进行比较，以此构建误差补偿函数；

S4对于待预测电解过程，获取该待预测电解过程中平滑后的电阻导数与时间曲线上的峰高、峰宽和峰面积，并以此分别作为结焦量，利用所述误差补偿函数进行补偿即可预测获得实际的结焦量，实现待预测电解过程中结焦量的预测。

2.如权利要求1所述的一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法，其特征在于，在S4中，对于待预测电解过程中平滑后的电阻导数与时间曲线，获取该曲线上峰的位置，该峰的位置对应开始结焦的时刻。

3.如权利要求1所述的一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法，其特征在于，在S2中，所述平滑滤波处理采用的方法为相邻点均值平滑或Savitzky-Golay平滑。

4.如权利要求1所述的一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法，其特征在于，所述生物质热解油为稻杆、林叶或棉花壳的生物质在不低于500℃高温下以大于200℃/s升温热解后在不高于零下60℃直接冷凝得到的。

5.如权利要求1所述的一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述电极上沉积的结焦量通过将沉积有焦的电极取出后称取其质量，然后与未沉积焦的电极质量相比较，以此获得沉积的焦的质量。

6.如权利要求1所述的一种生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法，其特征在于，在步骤S2和S4中，所述平滑后的电阻导数与时间曲线上的峰高、峰宽和峰面积的获取中，首先设定平滑后的电阻导数与时间曲线的基线，然后求解在基线以上的峰高、峰宽和峰面积，以此获得所需的峰高、峰宽和峰面积。

7.一种权利要求1-6任一项所述的在线预测方法应用的系统，其特征在于，该系统包括：在线预测模块、电解模块和测量单元，其中：

所述电解模块用于将生物质热解油进行电解；

所述测量单元用于实时检测所述电解模块进行电解过程中的电压、电流和结焦量；

所述在线预测模块利用测量单元测量获得的电压、电流和结焦量，采用权利要求1-6任一项所述的方法进行在线预测。

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