专利名称：一种循环流化床固体通量测量方法及测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及气固两相流测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种循环流化床固体通量测量方法及测量系统。
背景技术：
循环流化床反应器广泛应用于石油冶炼、化工、冶金、电力等过程工业，在国民生产中产生着巨大作用。只有准确判断反应器内流场系统所处流域，才能有效的对反应器的传质传热进行调节，从而提高反应器的整体效率。在反映循环流化床运行状态的众多参数中，固体通量是确定系统所处流域最重要的参数。固体通量，又称为固体循环流率，指单位时间内通过反应器单位截面积的固体质量。现有的循环流化床固体通量测量方法包括
1)阀门法。阀门法是在反应器的测量段安装阀门(如蝶阀、滑阀、翻板阀等)，测量时，关闭阀门，切断物料正常的循环回路，通过称重、测量压差变化或观察累积物料高度的方法计算一段时间内物料累积质量，从而得到系统的固体循环流率，即固体通量。例如 中国专利CN200810117401. X(循环流化床物料循环流率测量方法与装置)采用翻板阀，测量时，启动翻板阀，将固体物料转移到计量段。中国专利CN200810198396.X(—种应用于循环流化床的循环流率测量装置及测量方法)采用丝网挡板法，测量时使丝网挡板来阻断固体流动，测量一定时间内档板上累积的固体物料质量，实际上这也是阀门法的一种。
2)探头法。探头法是将测量探头插入反应器内部，通过测量一系列局部固体通量，然后进行积分求和计算，得到系统整体的固体通量。常用的探头包括光纤探头、动量探头以及抽取探头等。探头法的详细测量方法可参考Ye，S.，X.B.Qi，and J. Zhu, Direct Measurements of Instantaneous Solid Flux in a Circulating Fluidized Bed Riser using a Novel Multifunctional Optical Fiber Probe. Chemical Engineering & Technology,2009. 32(4) :p.580-589.
3)示踪粒子法。示踪粒子法是将示踪粒子加入到反应器内部，通过测量示踪粒子的运动速度，计算得到反应器的全局固体通量。示踪粒子法的具体内容可参考Mmsarapu， S. , et al. , Measurement of overall solids mass flux in a gas-solid circulating fluidized bed. Powder Technology,2004. 148(2-3) :p. 158-171.
此外，还有研究者尝试使用旋转叶轮、压电传感器等方法对循环流化床的固体通量进行测量。
上述方法的共同特点是均为介入式测量。介入式测量过程会不同程度的干扰流场，甚至造成物料流动中断，严重的会干扰流动系统的物料平衡和压力平衡，造成人为的间隙操作；而且，介入式测量的测量部件直接与流动物料接触，物料摩擦产生的静电会干扰仪器采样，影响测量结果的真实性和可靠性；再者，由于工业反应器内往往是高温高压甚至有毒的极端环境，因此对密封性有很高要求，现有的介入式测量方法很难推广应用于此类反应器。固体通量的无干扰测量，一直是循环流化床研究领域的一个难点。
综上所述，当前迫切需要一种非介入式的循环流化床固体通量无干扰原位测量方法及测量系统。 发明内容
本发明的目的是提供一种非介入式的循环流化床固体通量无干扰原位测量方法及测量系统。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种循环流化床固体通量测量方法，包括下列步骤
1)在循环流化床反应器的下降段选取两个横截面作为测量面；
2)对于每个测量面，利用扇束射线在一段时间内连续测量该测量面的固体截面平均体积分率；所述扇束射线是能够穿透反应器内固体物料的扇束形状的射线；
3)计算两个测量面的固体截面平均体积分率的时间函数的互相关函数R( τ )，找出使该互相关函数取值最大的时间滞后量τ，进而计算出所述循环流化床的固体通量。
其中，循环流化床固体通量测量方法，所述两个横截面的间距为IOOmm至1500mm。
其中，所述步骤1)中，灵活调整下降段的所述两个测量面的位置和间距；所述步骤2)中，对于每个测量面的位置组合，利用扇束射线在一段时间内连续测量该测量面的固体截面平均体积分率；所述步骤幻中，对于每个测量面的位置组合计算其两个测量面的固体截面平均体积分率的时间函数的互相关函数R( τ )，找出使互相关函数R(T)取最大值的测量面的位置组合和时间滞后量τ并将该时间滞后量τ作为固体物料在该位置组合的上测量面运动至下测量面所花的时间，进而计算出所述循环流化床的固体通量。
其中，所述步骤2)中，所述扇束射线为扇束χ射线或扇束Y射线。
其中，所述步骤2、包括下列子步骤
21)反应器内无物料状态下，对本底射线衰减信号进行测量，得到间距为d的两个测量截面的反应器本底射线衰减信号Z01㈨和‘(小A1CO和4(O分别代表上测量面和下测量面所对应的探测器的第i个像素点测量到的射线强度；
22)反应器测量段内固体物料紧密堆积状态下，对两个测量面的射线衰减信号 Jj1 (0和//2⑷进行测量，4⑷和4⑷分别代表上测量面和下测量面所对应的探测器的第i 个像素点测量到的射线强度；
23)反应器正常运行状态下，对两个测量面的射线衰减信号4⑷和Ii2(Z)进行测量，4⑷和4⑷代表上测量面和下测量面所对应的探测器的第i个像素点测量到的射线强度；
24)根据公式“⑷=￡Sf . (ΜΑ⑷Λο⑴)/M々⑴/L⑷)),计算探测器第i个像素点对应的射线穿透路径上的固体体积平均分率，其中为固体物料紧密堆积状态下的固体体积分率；
25)根据公式G = EZl(￡s(t) *…)/勾,分别计算出上测量面和下测量面的截面平均固体体积分率i和^，其中l(i)为第i个像素点对应的射线穿过反应器内的距离， L = E=口⑷，η为测量面所对应的探测器的像素数目。
其中，所述步骤幻中，将使互相关函数R(T)取值最大的时间滞后量τ作为固体物料从上测量面运动至下测量面所花的时间，根据两个测量面的间距d，计算出固体物料的运动速度広，再根据截面平均体积分率、已知的物料密度、反应器截面积，计算得到反应器的固体通量(is。
本发明还提供了一种用于上述测量方法的测量系统，包括第一射线源、第一准直器、第一探测器阵列、第二射线源、第二准直器和第二探测器阵列；所述第一射线源位于第二射线源上方，第一射线源和第一准直器设置于被检测的循环流化床下降管的一侧，第一射线源通过第一准直器生成的扇束射线，该扇束射线所在平面与所述下降管的轴线垂直， 第一探测器阵列设置于所述下降管的另一侧且位于所述第一射线源所生成的扇束射线所在平面内；第二射线源和第二准直器设置于被检测的循环流化床下降管的一侧，第二射线源通过第二准直器生成的扇束射线，该扇束射线所在平面与所述下降管的轴线垂直，第二探测器阵列设置于所述下降管的另一侧且位于所述第二射线源所生成的扇束射线所在平面内。
与现有技术相比，本发明具有下列技术效果
1、本发明在测量时不会干扰反应器内的流场，不会造成物料流动中断，不会破坏流动系统的物料平衡和压力平衡造成人为的间隙操作。
2、本发明中无测量部件直接与流动物料接触，测量结果的真实可靠。
3、本发明能够在高温高压甚至有毒的极端测量环境中应用。
图1(a)示出了本发明一个实施例中的循环流化床的测量段和测量系统的结构示意图1(b)示出了本发明一个实施例中的支架平台的立体示意图2示出了本发明一个实施例的流程图3示出了不同像素点对应的X射线穿透反应器内部路径长度图4示出了上下两处测量面测得的截面平均固体体积分率的时间序列图5示出了对图4中的两个时间序列的互相关分析图6示出了一个具体实例中所测得的固体通量时间序列。
具体实施方式
为便于理解，首先介绍本发明对循环流化床固体通量进行无干扰测量的原理。众所周知，X射线穿透物质会发生衰减，通过标定，可在穿透物质厚度与射线衰减程度之间建立对应关系，从而可以根据扇束X射线穿透物质的衰减程度计算得到测量截面的物料平均体积分率巧,同时使用X射线在反应器的两个截面进行测量，可以得到物料通过这两个测量面的截面平均体积分率的时间函数(需注意的是，实际测量时是以一定频率进行采样测出的截面平均体积分率的时间序列)。另一方面，研究表明反应器下降管中颗粒群作为一个整体以相近的速度运动(参考:Bhusarapu, S.，et al.，Measurement of overall solids mass flux in a gas-solid circulating fluidized bed. Powder Technology, 2004. 148(2-3) :p. 158-171.)。固体物料经过循环流化床的下降管段时，除因串气等极端情况下会引起部分物料逆重力向上运动外，固体物料的运动方向总体为顺反应器向下，且颗粒运动状态接近于移动床。也就是说，颗粒群在通过前文中所述的第一测量面后，会在一定时间后通过第二测量面。该颗粒群在通过第一测量面的第一时刻所测得的第一测量面的截面平均体积分率与该颗粒群在通过第二测量面的第二时刻所测得的第二测量面的截面平均体积分率是大致一致的。因此，在测出两个测量面的截面平均体积分率的时间函数后， 通过互相关分析，可以得出物料的颗粒群从第一测量面运动至第二测量面的时间，进而得到物料的运动速度広。再与截面平均体积分率広结合，加上已知的物料密度与反应器截面积，即可计算得到物料通过反应器单位截面积的质量Gs，即反应器的固体通量。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步地描述。
根据本发明的一个实施例，提供了一种对循环流化床固体通量进行无干扰测量的方法。该测量需要使用到扇束射线测量系统，所使用的射线是能够穿透反应器内固体物料的射线，例如X射线或Y射线。本实施例使用的是X射线。
图1(a)示出了循环流化床的测量段和测量系统的结构示意图。测量系统包括第一射线源2、第一准直器3、第一探测器阵列4、第二射线源5、第二准直器6、第二探测器阵列7、工控机8和数据采集计算机9。第一射线源2位于第二射线源5上方。第一射线源2 和第二射线源5均用于生成扇束X射线。第一探测器阵列4和第二探测器阵列7均为线列阵。每个探测器阵列包括多个探测器单元，探测器单元又称为像素点，探测器阵列检测到的一帧X射线信号数据称为一个投影，本实施例采用的探测器阵列均包括1280个像素点，因此每个投影包括1280个原始数据。
第一射线源2和第一准直器3设置于被检测的循环流化床下降管1的一侧，第一射线源2通过第一准直器3生成的扇束射线，该扇束射线所在平面与所述下降管1的轴线垂直，第一探测器阵列4设置于所述下降管1的另一侧且位于所述第一射线源2所生成的扇束射线所在平面内，以便各探测器单元接收X射线从而获得关于下降管1的第一测量面的投影数据。类似的第二射线源5和第二准直器6设置于被检测的循环流化床下降管1的一侧，第二射线源5通过第二准直器6生成的扇束射线，该扇束射线所在平面与所述下降管 1的轴线垂直，第二探测器阵列7设置于所述下降管1的另一侧且位于所述第二射线源5所生成的扇束射线所在平面内，以便各探测器单元接收X射线从而获得关于下降管1的第二测量面的投影数据。工控机8与第一射线源2和第二射线源5连接，用于第一射线源2和第二射线源5同步或分时工作。同步工作指的是两个射线源在同一时间段内按相同的频率发出X射线。分时工作指的是两个射线源分别在不同时间段内各自发出X射线。数据采集计算机9分别与第一探测器阵列4和第二探测器阵列7连接，用于接收第一探测器阵列4 和第二探测器阵列7所采集到的投影数据。
所述第一射线源2、第一准直器3、第一探测器阵列4、第二射线源5、第二准直器6、 第二探测器阵列7均固定于具有升降功能的支架平台上。如图1(b)所示，支架平台10包括基座101和安装在基座101上的立式导轨102，立式导轨102上安装移动悬臂103，该移动悬臂103可沿着立式导轨102移动。所述移动悬臂103的两端分别固定安装第一支臂104 和第二支臂105。第一支臂104上安装第一箱体106，第二支臂105上安装第一探测器阵列 4。第一箱体106内安装所述第一射线源2和第一准直器3，且第一箱体106上开有通孔以便扇束X射线通过。第一箱体106和第一探测器阵列4的安装位置使得第一探测器阵列4 与所述第一射线源2所生成的扇束射线恰好在同一平面内，且该平面垂直于被测量段(即下降管1)的轴线。
所述基座101具有第一延伸部107和第二延伸部108，第一延伸部107上固定有第一安装板109，第一安装板109上安装第二箱体110，第二箱体110内安装所述第二射线源 5和第二准直器6，且第二箱体110上开有通孔以便扇束X射线通过。第二延伸部108上固定有第二安装板111，第二安装板111上安装第二探测器阵列7。第二箱体110和第二探测器阵列7的安装位置使得第二探测器阵列7与所述第二射线源5所生成的扇束射线恰好在同一平面内，且该平面垂直于被测量段(即下降管1)的轴线。
射线检测的基本流程是位于上测量面的第一射线源2发射出X射线，通过第一前置准直器3后形成扇形X射线束，该X射线扇束完全包覆住循环流化床下降管测量段1的上截面，第一探测器阵列4检测到该射线束的强度，将测量信号传输到数据采集计算机9供分析计算使用，位于下测量面的第二射线源5与第二探测器阵列7的检测流程与此相同。本测量系统的时间分辨率取决于探测器阵列的射线光子积分时间，本实施例采用的积分时间参数为1ms，因此，本测量系统的采样频率为1000Hz。本实施例中，所测量的循环流化床反应器的提升管内径Φ,为411mm，下降管内径Φd为316mm，反应器内固体物料为玻璃珠，密度Ps* 2500kg/m3。以上测量系统和循环流化床反应器的参数均是示例性的，本发明并不限于此，这是本领域技术人员易于理解的。
图2示出了本发明的一个实施例的流程图，参考图2，循环流化床固体通量测量过程包括下列步骤
步骤1、在循环流化床反应器的下降段选取两个横截面作为测量面。本实施例中， 上下两测量面间距d为900mm。但需说明的是，两测量面的间距d并无固定值，可以根据测量环境和所测的反应器结构和内部物料种类等情况灵活选择。间距d的优选范围是IOOmm 至1500mm。间距d的确定原则是应使上下两测量面的截面平均固体体积分率序列的相关性(相关系数)最大。当然，间距d的取值即使不能满足上述原则，只要偏差不大，也不会明显影响本发明测量结果的准确性。
步骤2、对于每个测量面，利用扇束射线在一段时间内连续测量该测量面的固体截面平均体积分率。
根据本发明的一个实施例，本步骤可包括下列子步骤
步骤21、循环流化床反应器未运行时，即下降管测量段为空时，工控机8发出指令，上下两测量面的X射线扫描检测装置同时工作，采集空反应器上下两处测量面的投影信号Z01㈨和^2C0，i代表探测器阵列的像素编号。
步骤22、将下降管测量段堆满固体物料，与步骤21类似，上下两测量面的X射线扫描检测装置同时工作，测量物料紧密堆积状态下所述两个截面的射线衰减信号/J1⑷和 //2C0。同时测量出堆满物料时的固体体积分率，本实施例中，堆满物料时的固体体积分 ￡S f 为 0. 62。
步骤23、循环流化床反应器正常运行时，上下两测量面的X射线扫描检测装置同时工作，测量正常运行状态下所述两个截面的射线衰减信号4( )和4(0。
步骤24、计算上下两测量面的截面平均固体体积分率G和^。
其中，的计算公式如下
二⑷ * Z(z)/L)i=l
(O = ￡Sf · (ln(Ih ( /101 (i))/ln{Ifl { /I01 { ))
^的计算公式如下i=n
ε^ =(i) * l(i)/L)i=l
ε32{ ) = Esf · {ln(It2(i)/102{i))/ln{Ih[i)/102( )))
本实施例中，η = 1280, l(i)为第i个像素点对应的射线穿过反应器内的距离，反I=Tl应器下降管内径为316mm，1⑴如图3所示，L = [ l(i);τ=1
采样频率为1000Hz，因此，按照上述步骤21至步骤M连续采样，可以得到上下两个测量面的截面平均固体体积分率的时间序列，G和G，如图4所示。这样就得出了两个测量面的固体截面平均体积分率的时间函数和，t表示时间。
步骤3、计算两个测量面的固体截面平均体积分率的时间函数的互相关函数 R( τ)，找出使该互相关函数取值最大的时间滞后量τ并将该时间滞后量τ作为固体物料从上测量面运动至下测量面所花的时间，进而计算出所述循环流化床的固体通量。
本步骤中，根据公式Λ(Τ)= J:C) + Τ) ,对和i^)进行互相关运算，其中，τ为时间滞后量，Rh)为两组信号的相关系数，*代表共轭复数。根据前文的论述，可以看出，当R(T)取最大值时，此时的时间滞后量τ就是固体物料从上测量面运动至下测量面所花的时间。依据本实施例的实际测量所得的互相关函数R( τ )，如图5所示，可以看出取最大值的时间差τ为201ms。
进一步地，计算固体物料通过两个测量面的平均速度U；，広=d/T,在实际测量中所计算出的広为4. 48m/s。再根据公式Gs = ps-TTs--s·如/么,计算得到反应器的固体通量Gs，其中，Φ,为提升管内径，(^为下降管内径，Ps为反应器内固体物料密度。i为截面平均固体体积分率，由于两个测量面的截面平均固体体积分率基本一致，因此i即可以使用任意一个测量面的截面平均固体体积分率。由于所测出的截面平均固体体积分率为一时间序列，因此得到的Gs也是一时间序列，如图6所示。进一步地，可计算出平均固体通量值为 89. 25kg/ (m2 · s)。
发明人采用蝶阀法在三种不同气速下对本发明提出的测量方法进行了验证，结果如表1所示。
表 1
操作气速蝶阀测量结果射线测量结果相对误差(m/s)(kg nf2(kg nf2 S-1)
权利要求
1.一种循环流化床固体通量测量方法，包括下列步骤1)在循环流化床反应器的下降段选取两个横截面作为测量面；2)对于每个测量面，利用扇束射线在一段时间内连续测量该测量面的固体截面平均体积分率；所述扇束射线是能够穿透反应器内固体物料的扇束形状的射线；3)计算两个测量面的固体截面平均体积分率的时间函数的互相关函数R(τ )，找出使该互相关函数取值最大的时间滞后量τ，进而计算出所述循环流化床的固体通量。
2.根据权利要求1所述的循环流化床固体通量测量方法，其特征在于，循环流化床固体通量测量方法，所述两个横截面的间距为IOOmm至1500mm。
3.根据权利要求1所述的循环流化床固体通量测量方法，其特征在于，所述步骤1)中， 灵活调整下降段的所述两个测量面的位置和间距；所述步骤幻中，对于每个测量面的位置组合，利用扇束射线在一段时间内连续测量该测量面的固体截面平均体积分率；所述步骤 3)中，对于每个测量面的位置组合计算其两个测量面的固体截面平均体积分率的时间函数的互相关函数R( τ )，找出使互相关函数R(T)取最大值的测量面的位置组合和时间滞后量τ并将该时间滞后量τ作为固体物料在该位置组合的上测量面运动至下测量面所花的时间，进而计算出所述循环流化床的固体通量。
4.根据权利要求1所述的循环流化床固体通量测量方法，其特征在于，所述步骤2)中， 所述扇束射线为扇束χ射线或扇束Y射线。
5.根据权利要求1所述的循环流化床固体通量测量方法，其特征在于，所述步骤2)包括下列子步骤21)反应器内无物料状态下，对本底射线衰减信号进行测量，得到间距为d的两个测量截面的反应器本底射线衰减信号4( )和/。2(小/σι⑷和/。2( )分别代表上测量面和下测量面所对应的探测器的第i个像素点测量到的射线强度；22)反应器测量段内固体物料紧密堆积状态下，对两个测量面的射线衰减信号⑷和进行测量，Zf1⑷和/九⑷分别代表上测量面和下测量面所对应的探测器的第i个像素点测量到的射线强度；23)反应器正常运行状态下，对两个测量面的射线衰减信号/^⑷和知⑷进行测量， 仏⑷和Zi2⑷代表上测量面和下测量面所对应的探测器的第i个像素点测量到的射线强度；24)根据公式“
6.根据权利要求5所述的循环流化床固体通量测量方法，其特征在于，所述步骤3)中， 将使互相关函数R(T)取值最大的时间滞后量τ作为固体物料从上测量面运动至下测量面所花的时间，根据两个测量面的间距d，计算出固体物料的运动速度広，再根据截面平均体积分率、已知的物料密度、反应器截面积，计算得到反应器的固体通量Gs。
7.一种用于权利要求1所述的循环流化床固体通量测量方法的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括第一射线源O)、第一准直器(3)、第一探测器阵列G)、第二射线源(5)、第二准直器(6)和第二探测器阵列(7)；所述第一射线源(2)位于第二射线源(5)上方，第一射线源( 和第一准直器C3)设置于被检测的循环流化床下降管(1)的一侧，第一射线源(2)通过第一准直器(3)生成的扇束射线，该扇束射线所在平面与所述下降管(1) 的轴线垂直，第一探测器阵列(4)设置于所述下降管(1)的另一侧且位于所述第一射线源 (2)所生成的扇束射线所在平面内；第二射线源( 和第二准直器(6)设置于被检测的循环流化床下降管(1)的一侧，第二射线源( 通过第二准直器(6)生成的扇束射线，该扇束射线所在平面与所述下降管(1)的轴线垂直，第二探测器阵列(7)设置于所述下降管(1) 的另一侧且位于所述第二射线源(5)所生成的扇束射线所在平面内。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括工控机(8)和数据采集计算机(9)，工控机(8)与第一射线源( 和第二射线源( 连接，数据采集计算机 (9)分别与第一探测器阵列(4)和第二探测器阵列(7)连接。
9.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括支架平台(10)， 支架平台(10)包括基座(101)和安装在基座(101)上的立式导轨(102)，立式导轨(102)上安装移动悬臂(103)，该移动悬臂(103)可沿着立式导轨(102)移动，所述移动悬臂(103) 的两端分别固定安装第一支臂(104)和第二支臂(105)，第一支臂(104)上安装第一箱体(106)，第二支臂(105)上安装第一探测器阵列G)，第一箱体(106)内安装所述第一射线源 (2)和第一准直器(3)。
10.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述基座(101)具有第一延伸部(107)和第二延伸部(108)，第一延伸部(107)上固定有第一安装板(109)，第一安装板 (109)上安装第二箱体(110)，第二箱体(110)内安装所述第二射线源(5)和第二准直器(6)，第二延伸部(108)上固定有第二安装板(111)，第二安装板(111)上安装第二探测器阵列(7)。
全文摘要
本发明提供一种循环流化床固体通量测量方法，包括下列步骤1)在循环流化床反应器的下降段选取两个横截面作为测量面；2)对于每个测量面，利用扇束射线在一段时间内连续测量该测量面的固体截面平均体积分率；所述扇束射线是能够穿透反应器内固体物料的扇束形状的射线；3)计算两个测量面的固体截面平均体积分率的时间函数的互相关函数R(τ)，找出使该互相关函数取值最大的时间τ并将该时间τ作为固体物料从上测量面运动至下测量面所花的时间，进而计算出所述循环流化床的固体通量。本发明不会干扰反应器内的流场，不会造成人为的间隙操作。本发明测量结果的真实可靠。本发明能够在高温高压甚至有毒的极端测量环境中应用。
文档编号G01F1/76GK102519528SQ20111044925
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者孟凡勇, 李静海, 王维 申请人:中国科学院过程工程研究所