专利名称：一种循环流化床固体通量测量系统的制作方法
技术领域：
[0001]本实用新型涉及气固两相流測量技术领域，具体地说，本实用新型涉及ー种循环流化床固体通量測量系统。
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、电カ等过程エ业，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參数中，固体通量Gs是确定系统所处流域最重要的參数。固体通量，又称为固体循环流率，指单位时间内通过反应器単位截面积的固体质量。现有的循环流化床固体通量測量方法包括I)阀门法。阀门法是在反应器的測量段安装阀门(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、測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測量装置及測量方法)采用丝网挡板法，测量时使丝网挡板来阻断固体流动，測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ー种。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參考Ye, S. , X. B. Qi, and J. Zhu, DirectMeasurements of Instantaneous Solid Flux in a Circulating Fluidized Bed Riserusing 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參考Bhusarapu,
，et al.，Measurement of overall solids mass flux in a gas-so_Lid circulatingf luidized 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測量。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カ平衡，造成人为的间隙操作；而且，介入式测量的測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，由于エ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，现有的介入式測量方法很难推广应用于此类反应器。固体通量的无干扰測量，一直是循环流化床研究領域的ー个难点。综上所述，当前迫切需要ー种非介入式的循环流化床固体通量无干扰原位測量系统。
实用新型内容本实用新型的目的是提供ー种非介入式的循环流化床固体通量无干扰原位測量系统。为实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种循环流化床固体通量測量系统，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測器阵列；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ー侧，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，第一探測器阵列设置于所述下降管的另ー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ー侧，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，第二探測器阵列设置于所述下降管的另ー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，本实用新型具有下列技术效果I、本实用新型在測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カ平衡造成人为的间隙操作。2、本实用新型中无测量部件直接与流动物料接触，測量结果的真实可靠。3、本实用新型能够在高温高压甚至有毒的极端测量环境中应用。
图1(a)示出了本实用新型一个实施例中的循环流化床的測量段和測量系统的结构示意图；图1(b)示出了本实用新型一个实施例中的支架平台的立体示意图；图2示出了本实用新型一个实施例的流程图；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；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；图5示出了对图4中的两个时间序列的互相关分析图；图6示出了ー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，首先介绍本实用新型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^7，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，实际測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)。另ー方面，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(參考Bhusarapu, S. , et al. , Measurement of overallsolids mass ilux 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吋，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測量面后，会在一定时间后通过第二測量面。该颗粒群在通过第一測量面的第一时刻所测得的第一測量面的截面平均体积分率与该颗粒群在通过第二測量面的第二时刻所测得的第二測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測量面运动至第二測量面的时间，进而得到物料的运动速度！^。再与截面平均体积分率结合，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。
以下结合附图和实施例对本实用新型做进ー步地描述。根据本实用新型的一个实施例，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測量段和測量系统的结构示意图。測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、エ控机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単元，探测器单元又称为像素点，探测器阵列检测到的ー帧X射线信号数据称为ー个投影，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I的ー侧，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I的轴线垂直，第一探测器阵列4设置于所述下降管I的另ー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I的第一測量面的投影数据。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I的ー侧，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I的轴线垂直，第二探测器阵列7设置于所述下降管I的另ー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I的第二測量面的投影数据。エ控机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I)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I)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測量段I的上 截面，第一探测器阵列4检测到该射线束的強度，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。本測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參数为1ms，因此，本測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 为411mm,下降管内径Φ d为316mm,反应器内固体物料为玻璃珠,密度Ps* 2500kg/m3。以上測量系统和循环流化床反应器的參数均是示例性的，本实用新型并不限于此，这是本领域技术人员易于理解的。图2示出了本实用新型的一个实施例的流程图，參考图2，循环流化床固体通量测量过程包括下列步骤步骤I、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，也不会明显影响本实用新型測量结果的准确性。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。根据本实用新型的一个实施例，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吋，即下降管測量段为空吋，エ控机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ん1⑷和ん2(り，i代表探测器阵列的像素编号。步骤22、将下降管測量段堆满固体物料，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，測量物料紧密堆积状态下所述两个截面的射线衰减信号む和/f2C0。同时测量出堆满物料时的固体体积分率εν，本实施例中，堆满物料时的固体体积分率eSf.为 O. 62。步骤23、循环流化床反应器正常运行吋，上下两测量面的X射线扫描检测装置同时工作，測量正常运行状态下所述两个截面的射线衰减信号4(0和ム2(り。[0037]步骤24、计算上下两测量面的截面平均固体体积分率^和其中， 的计算公式如下
权利要求1.一种循环流化床固体通量測量系统，其特征在于，所述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)和第二探測器阵列(7);所述第一射线源(2)位于第二射线源(5)上方，第一射线源(2)和第一准直器(3)设置于被检测的循环流化床下降管(I)的ー侧，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(I)的轴线垂直，第一探测器阵列(4)设置于所述下降管(I)的另ー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；第ニ射线源(5)和第二准直器(6)设置于被检测的循环流化床下降管(I)的ー侧，第二射线源(5)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(I)的轴线垂直，第二探测器阵列(7)设置于所述下降管(I)的另ー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。
2.根据权利要求I所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括エ控机(8)和数据采集计算机(9)，エ控机(8)与第一射线源(2)和第二射线源(5)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。
3.根据权利要求I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(4)，第一箱体(106)内安装所述第一射线源(2)和第一准直器(3)。
4.根据权利要求I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⑵。
专利摘要本实用新型提供一种循环流化床固体通量测量系统，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；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，第一探测器阵列设置于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；同理，第二射线源和第二准直器设置于下降管的一侧、第二探测器阵列设置于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。利用本实用新型测量固体通量，不会干扰反应器内的流场，不会造成人为的间隙操作，且测量结果的真实可靠，还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G01F1/76GK202403745SQ20112056114
公开日2012年8月29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