一种气固流化床非球形颗粒混合的测量装置及方法

摘要

本发明提供了一种气固流化床非球形颗粒混合的测量装置，该装置包括用于发射X射线的X线管（1）、准直器（2）、用于调整准直器（2）大小且设置在其上的升降电机（3）、用于吸收X射线并将其衰减的气固流化床（4）、检测器（5）、A/D转换器（6）和计算机（7）。本发明还提供了一种气固流化床非球形颗粒混合的测量方法，该方法包括制备过程、比对过程和测量过程，制备过程为测量过程和比对过程准备物料；比对过程，为测量过程提供比对数据；测量过程，在制备过程和比对过程的基础上，获得测量区域的混合信息。该装置和方法操作简单、使用方便，检测装置不需要干扰流场，不会带来二次误差，可以实现在线全流场无死角检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气固流化床颗粒混合的测量方法和装置，属于气固流化床技术领域。

背景技术

传递现象是自然界和工程技术中普遍存在的现象。气固流化床的传递现象包括颗粒混合、气体混合、颗粒扬析、传热、传热等等。其中，颗粒混合就是实现不同组分之间尽可能相互混合的一个复杂操作过程。气固流化床颗粒的混合是反映固体颗粒在床内运动及传递(质量、能量和动量交换)的重要流动行为。

目前，国内外研究者发展了诸如盐颗粒、热颗粒、磷光颗粒、染色颗粒、磁性颗粒以及放射性颗粒等众多的颗粒混合测量方法。在这些方法中，盐示踪颗粒方法是较早也是较为广泛地在流化床中使用的，它通过测定一定量取出颗粒溶解于水后的溶液的电导率来分析示踪颗粒的浓度，因此该方法的优点是测量直接、迅速、成本低，但存在示踪颗粒在床内的积累及颗粒注入时对床内流场有一定的干扰等缺点。热颗粒示踪方法也是较常用的一种测量混合行为的方法，该方法不会对床内颗粒产生污染而且检测比较容易，但最大缺点是热示踪颗粒在冷气流的作用下温度衰减很快，在分析和计算时需要额外考虑这部分热损失，同时准确测量颗粒温度也是实验技术中十分困难的问题。磷光颗粒示踪方法克服了示踪颗粒注入时对流场的扰动，实现了灵敏度非常高的在线检测，一种非常理想的研究床内轴径向混合行为的测量方法，但该方法也存在磷光颗粒余辉强度会随时间逐渐衰减而无法被检测器检测的问题，且对于较密集的流化床示踪颗粒往往容易被其它的床料遮挡而影响实验精度。上述三种方法都存在一个共同的缺点，只能实现定点检测，不能实现全场检测，这对于需要获得全场颗粒浓度信息的混合研究是非常不利的。染色颗粒示踪法将部分主体颗粒染成其他颜色颗粒来实现颗粒示踪，这种方法的优点是简单易行，形象直接，若透明壁为整板可实现全场检测，缺点或局限性是要求具有透明壁的床体和良好的观察设备，示踪颗粒容易被主体颗粒遮挡而影响精度，同时能够观察到的主要是边壁附近的信息，有时难以代表整体的行为。磁性颗粒示踪方法利用检测磁场技术实现了示踪颗粒的快速在线分析，但这一方法存在示踪颗粒在床内的积累及示踪颗粒注入对流场的干扰问题。放射性颗粒示踪方法是一种非常规的、但却是目前国际上公认的最有效的实验手段，这种方法具有多样性、易于检测，可以实现全场检测，采用半衰期短的放射性元素可以解决示踪颗粒在床层的积累，但该方法存在放射性示踪颗粒的制备、保存和使用过程中涉及的安全问题，使用不当，会对环境和研究者造成污染和危害；此外，射线监测器或射线摄像机设备昂贵、操作较复杂，这些缺点的存在限制了这种方法的广泛应用。

随着流化床在工程应用领域的日益扩展，一些复杂的气固两相流动，尤其是球形颗粒/非球形颗粒多组分的混合过程也不断出现，已有的针对球形颗粒的认识应用于这些复杂过程尚有一定的局限性，迫切需要对气固流化床非球形颗粒的测量方法进行深入的研究。

发明内容

技术问题：本发明针对目前以非球形颗粒作为主要燃料的气固流化床得到日益重用，而常规的颗粒示踪方法对于测量气固流化床颗粒混合，尤其是非球形颗粒混合已经变得愈加困难，提供了一种气固流化床非球形颗粒混合的测量装置及方法，本发明操作简单、使用方便，检测装置不需要干扰流场，不会带来二次误差，可以实现在线全场无死角检测。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种气固流化床非球形颗粒混合的测量装置，该装置包括用于发射X射线的X线管、准直器、用于调整准直器大小且设置在其上的升降电机、用于吸收X射线并将其衰减的气固流化床、检测器、A/D转换器和计算机，其中，

气固流化床设置在准直器和检测器之间，X线管设置在准直器前方，气固流化床设置在准直器后方，检测器设置在气固流化床后方， A/D转换器与检测器连接，计算机与A/D转换器连接；

自X线管发出的X射线经过升降电机变成与测量区域等面积的平行X线束，以穿透不透明的气固流化床被测区域，经气固流化床内的气体、固体混合物衰减后射出的带有床层混合信息的X线束到达检测器，衰减后的X线束经A/D转换器后进入计算机，计算机通过与分别穿过不同厚度全床料比对体和全物料比对体的X线束比对后，获得测量区域的颗粒混合信息。

本发明还提供了一种气固流化床非球形颗粒混合的测量方法，该方法包括制备过程、比对过程和测量过程，制备过程为测量过程和比对过程准备物料；比对过程，为测量过程提供比对数据；测量过程，在制备过程和比对过程的基础上，获得测量区域的混合信息；

制备过程包括：准备空心颗粒D，壁厚为1/8～1/6D₀，D₀为空心颗粒D的等效直径；将液态碘化剂造影剂E放入烧杯加热，蒸发掉部分水分，使液态碘化剂造影剂E浓度量达到80～90％；采用注射器抽取造影剂，注入每一个空心颗粒D；然后采用固态强力胶C将注射孔封住，放入干燥箱加热8～12小时，待冷却后即可使用物料；

测量过程包括：首先将床料和物料分别放入气固流化床，通入流化风使两者充分流化；待流化稳定后，打开X线管，发射出强度为I₀的X射线，经过准直器变成与测量区域等面积的平行X线束，直接穿透不透明的气固流化床床体被测层面；X射线在透过气固流化床内气固混合物时，发生光电效应和康普顿效应，能量发生衰减，强度变为I=I₀exp(-μ_md₀)，其中，μ_m为混合物的吸收系数，d₀为床体厚度，I₀为X射线的初始强度，I为X射线衰减后的强度；衰减后的X射线达到检测器，检测器将含有气固流化床内混合信息的X线变为相应的电信号，并通过内含的测量电路将电信号放大，由A/D转换器变为数字信号，送给计算机系统处理；

比对过程包括：采用以上的方法，对比对体进行比对实验，比对体内分别填充全床料和全物料，比对体厚度d在0~ d₀之间等尺寸变化，起始尺寸和递进尺寸为d_b，其中，d₀是被测气固流化床床体的厚度，d_b是床料的粒径。

有益效果：与常规的测量气固流化床球形颗粒混合的方法和装置相比较，本发明具有如下的特色及优点：

1、本发明的气固流化床非球形颗粒测量方法，属于非浸入式测量，测量装置无需伸入床内干扰颗粒运动和气固相互作用，避免影响床内气固浓度场和速度场分布，有利于准确测量相关流动特征参数。

2、通过电机调整准直器窗口，使测量区域根据要求随时调整大小，这样不仅可以实现全场无死角测量，而且可以对床内特殊区域进行针对性地跟踪测量。

3、通过空心颗粒填充液态碘化剂造影剂制备物料，不仅使颗粒内部获得明显不同于其他床料的较高X射线吸收率这一物性，而且使颗粒外部呈现具有典型非球形颗粒的形状特征。

4、通过X线管发射X射线和检测器接受X射线，实时跟踪床内示踪颗粒的运动轨迹，不仅可以获得示踪颗粒在床内的浓度分布，而且可以实现颗粒快速运动过程中床料（球形颗粒）和物料（非球形颗粒）混合的测量。

附图说明

图1是本发明的气固流化床非球形颗粒混合的测量装置中物料制备过程示意图，其中有：X线管1、准直器2、升降电机3、气固流化床4、检测器5、A/D转换器6和计算机7，以及床料A和物料B。

图2是本发明的气固流化床非球形颗粒混合测量过程示意图，其中有：X线管1、准直器2、比对体8、检测器5、A/D转换器6和计算机7，以及床料A和物料B。

图3是本发明的气固流化床非球形颗粒混合对比过程示意图，其中有固态强力胶C、空心颗粒D和液态碘化剂造影剂E。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明针对气固流化床非球形颗粒混合测量的困难，提出了一种气固流化床非球形颗粒混合的测量方法和装置。该方法的思路是：自X线管发出的X射线首先经过升降电机调整准直器变成与测量区域等面积的平行X线束，用以穿透不透明的气固流化床被测区域，经床内气、固（球形颗粒和非球形颗粒）混合物衰减后射出的带有床层混合信息的X线束到达检测器，然后通过与分别穿过不同厚度全床料比对体和全物料比对体的X线束比对后，获得测量区域的颗粒混合信息。 

本发明提供的气固流化床非球形颗粒混合的测量装置，该装置包括用于发射X射线的X线管1、准直器2、用于调整准直器2大小且设置在其上的升降电机3、用于吸收X射线并将其衰减的气固流化床4、检测器5、A/D转换器6和计算机7，其中，

气固流化床4设置在准直器2和检测器5之间，X线管1设置在准直器2前方，气固流化床4设置在准直器2后方，检测器5设置在气固流化床4后方， A/D转换器6与检测器5连接，计算机7与A/D转换器6连接；

自X线管1发出的X射线经过升降电机3变成与测量区域等面积的平行X线束，以穿透不透明的气固流化床4被测区域，经气固流化床4内的气体、固体混合物衰减后射出的带有床层混合信息的X线束到达检测器5，衰减后的X线束经A/D转换器6后进入计算机7，计算机7通过与分别穿过不同厚度全床料比对体和全物料比对体的X线束比对后，获得测量区域的颗粒混合信息。

本发明还提供了气固流化床非球形颗粒混合的测量方法，该方法包括制备过程、比对过程和测量过程，制备过程为测量过程和比对过程准备物料；比对过程，为测量过程提供比对数据；测量过程，在制备过程和比对过程的基础上，获得测量区域的混合信息；

制备过程包括：准备空心颗粒D，壁厚为1/8～1/6D₀，D₀为空心颗粒D的等效直径；将液态碘化剂造影剂E放入烧杯加热，蒸发掉部分水分，使液态碘化剂造影剂E浓度量达到80～90％；采用注射器抽取造影剂，注入每一个空心颗粒D；然后采用固态强力胶C将注射孔封住，放入干燥箱加热8～12小时，待冷却后即可使用物料；

测量过程包括：首先将床料A和物料B分别放入气固流化床4，通入流化风使两者充分流化；待流化稳定后，打开X线管1，发射出强度为I₀的X射线，经过准直器2变成与测量区域等面积的平行X线束，直接穿透不透明的气固流化床4床体被测层面；X射线在透过气固流化床4内气固混合物时，发生光电效应和康普顿效应，能量发生衰减，强度变为I=I₀exp(-μ_md₀)，其中，μ_m为混合物的吸收系数，d₀为床体厚度，I₀为X射线的初始强度，I为X射线衰减后的强度；衰减后的X射线达到检测器5，检测器5将含有气固流化床4内混合信息的X线变为相应的电信号，并通过内含的测量电路将电信号放大，由A/D转换器6变为数字信号，送给计算机7系统处理；

比对过程包括：采用以上的方法，对比对体进行比对实验，比对体内分别填充全床料和全物料，比对体厚度d在0~ d₀之间等尺寸变化，起始尺寸和递进尺寸为d_b，其中，d₀是被测气固流化床床体的厚度，d_b是床料的粒径。

该方法操作简单、使用方便，检测装置不需要干扰流场，不会带来二次误差，可以实现在线全流场无死角检测。

本发明提出的气固流化床非球形颗粒混合的测量方法。该方法的思路是：

自X线管1发出的X射线首先经过升降电机3调整准直器2变成与测量区域等面积的平行X线束，用以穿透不透明的气固流化床4被测区域，经床内气、固（球形颗粒和非球形颗粒）混合物衰减后射出的带有床层混合信息的X线束到达检测器5，然后通过与分别穿过不同厚度全床料比对体8和全物料比对体8的X线束比对后，获得测量区域的颗粒混合信息。

该装置主要由X线管1、准直器2、升降电机3、气固流化床4、检测器5、A/D转换器6、计算机7和床料A、物料B组成。

该方法的具体执行过程分为三部分：第一部分为制备过程，为测量过程和比对过程准备物料；第二部分为比对过程，为测量过程提供比对数据；第三部分为测量过程，在制备过程和比对过程的基础上，通过此过程，最终获得测量区域的混合信息。对于固定的床体、床料和物料，比对过程只需进行一次，而测量过程在此基础上可进行多次。

执行物料的制备过程具体如下：准备空心颗粒D，壁厚为1/8～1/6D₀，D₀为颗粒的等效直径；将液态碘化剂造影剂E放入烧杯加热，蒸发掉部分水分，使液态碘化剂造影剂E浓度量达到80～90％；采用注射器抽取造影剂，注入每一个空心颗粒D；然后采用固态强力胶C将注射孔封住，放入干燥箱加热8～12小时，待冷却后即可使用物料。

执行测量过程具体如下：首先将床料A和物料B分别放入气固流化床4，通入流化风使两者充分流化；待流化稳定后，打开X线管1，发射出强度为I₀的X射线，经过准直器2变成与测量区域等面积的平行X线束，直接穿透不透明的气固流化床床体被测层面；X射线在透过床内气固混合物时，发生光电效应和康普顿效应，能量发生衰减，变为I=I₀exp(-μ_md₀)，其中，μ_m为混合物的吸收系数，d₀为床体厚度；衰减后的X射线达到检测器5，检测器5将含有床内混合信息的X线变为相应的电信号，并通过内含的测量电路将电信号放大，有A/D转换器变为数字信号，送给计算机7系统处理。

执行比对过程具体如下：采用以上的方法，对厚度为d（0＜d＜d₀），填充物分别是全床料和全物料的比对体进行比对实验。将d₀均分为n等分，d₁=d₂= d₃=…=d_n=d₀/n。当d_i=d₁，i=1，体内填充物全是床料时，X射线穿过后能量衰减为I_1b=I₀exp(-μ_bd₁)，体内填充物全是物料时，X射线穿过后能量衰减为I_1m=I₀exp(-μ_md₁)，其中，μ_b和μ_m分别为床料和物料的吸收系数；当d_i=d₁+ d₂，i=2，体内填充物全是床料时，X射线穿过后能量衰减为I_2b=I₀exp(-μ_bd₂)，体内填充物全是物料时，X射线穿过后能量衰减为I_2m=I₀exp(-μ_md₂)；当d_i=d₁+d₂+d₃，i=3，体内填充物全是床料时，X射线穿过后能量衰减为I_3b=I₀exp(-μ_bd₃)，体内填充物全是物料时，X射线穿过后能量衰减为I_3m=I₀exp(-μ_md₃)；依此类推，当d_i=d₁+d₂+…+d_n，i=n，体内填充物全是床料时，X射线穿过后能量衰减为I_nb=I₀exp(-μ_bd_n)，体内填充物全是物料时，X射线穿过后能量衰减为I_nm=I₀exp(-μ_md_n)。对于每一个d_i内，当填充物全是床料时，I_nb最大，当填充物全是物料时，I_nm最小，而当填充物是两者的混合物时，I_nm＜I＜I_nb。

将比对实验数据输入计算机7，并以此形成数据库。若测量区域内床料厚度为L₁，物料厚度为L₂，且L₁+ L₂= d_n＜d₀，则X射线穿过后能量衰减为I=I₀exp(-μ_b L₁-μ_m L₂)，衰减后的X射线达到检测器5，检测器5将X线变为相应的电信号，并通过内含的测量电路将电信号放大，由A/D转换器6变为数字信号，送给计算机7系统，经过与数据库中的数据比对，获得测量区域的混合程度，即混合指数M=（I- I_nb）/（I_nm-I_nb）。

以下参照图1~3详细说明本发明实施。本实施例在以本技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例物料制备过程中采用的物料为秸秆类柱形颗粒，直径D_m＝8mm，高H＝20mm，材料为聚氯乙稀，固态强力胶采用环氧树脂粘结胶，造影剂采用三碘苯甲酸酰胺。首先制备柱形物料颗粒。准备一长为1m的塑料圆形硬管，壁厚为1mm，外径8mm，用工具刀将硬管截断为长8mm的短管。对于每一个短管，用环氧树脂粘结胶封住短管的一头，放入干燥箱加热10个小时。待冷却后，采用注射器将三碘苯甲酸酰胺通过短管的另一头注入短管，同时用环氧树脂粘结胶封住，然后再放入干燥箱加热10个小时。待冷却后，柱形物料颗粒即制备完毕。

本实施例比对和测量过程采用的床料为球形聚丙烯颗粒，直径D_b＝2mm，测量用流化床床体为矩形，内尺寸厚d₀＝32mm，宽w＝300mm。根据床料、床体和物料尺寸，将d₀均分为n＝16等分，d₁= d₂= d₃=…= d_n= d₀/n＝32/16＝2mm，设比对用比对比基础尺寸为2mm，递进尺寸为2mm。这样，比对体内尺寸分别为d_b1=d₁＝2mm、d_b2=d₁＋d₂＝4mm、d_b3＝d₁＋d₂＋d₃＝6mm、…、d_b16=d₁＋d₂＋…＋d₁₆＝32mm，宽度统一为100mm。在比对体正前方放置X线管，正后方放置检测器，检测器与A/D转换器相连接，A/D转换器与计算机相连接。首先用d_b1厚比对体，分别填充满床料和物料，并用强度为I₀的X射线照射，获得衰减后X射线强度变为I_1b和I_1m。然后用d_b2厚比对体，分别填充满床料和物料，同样用强度为I₀的X射线照射，获得衰减后X射线强度变为I_2b和I_2m。依此类推，对于不同厚度的比对体，d_b3、d_b4、…d_bi…、d_b16，强度为I₀的X射线经过床料和物料衰减其强度分别变为I_3b、I_4b、…I_ib…、I_16b和I_3m、I_4m、…I_im…、I_16m。将这些数据输入计算机，形成比对数据库。

然后开始执行测量过程。将床料和物料分别放入气固流化床，通入流化风使两者充分流化；待流化稳定后，打开X线管，发射出强度为I₀的X射线，经过升降电机调整准直器变成与测量区域等面积的平行X线束，直接穿透不透明的气固流化床床体被测层面；X射线在透过床内气固混合物时，发生光电效应和康普顿效应，能量发生衰减，变为I=I₀exp(-μ_md₀)，其中，μ_m为混合物的吸收系数，d₀为床体厚度；衰减后的X射线达到检测器，检测器将含有床内混合信息的X线变为相应的电信号，并通过内含的测量电路将电信号放大，有A/D转换器变为数字信号，送给计算机系统处理。

若测量区域内床料厚度为L₁，物料厚度为L₂，且L₁+ L₂= d_n＜d₀，则X射线穿过后能量衰减为I=I₀exp(-μ_b L₁-μ_m L₂)，衰减后的X射线达到检测器，检测器将X线变为相应的电信号，并通过内含的测量电路将电信号放大，由A/D转换器变为数字信号，送给计算机系统，经过与数据库中的数据比对，获得测量区域的混合程度，即混合指数M=（I-I_ib）/（I_im-I_ib）。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。