电站煤粉细度在线测量技术综述

朱晓明

摘要：颗粒细度测量有广泛的应用前景，在生产应用中，颗粒细度的测量对评估生产治理效果起很大作用，前人在颗粒细度测量方面做了很多研究，也取得了很多理论成果，同时也推出了一些实际应用产品。本文综合列举了多种煤粉细度在线测量方法，对其利弊作出综合性分析，并对其可行性进行了相关研究。

关键词：细度 超声法 图像法

1 概述

在石油、冶金、化工、电力等诸多工业领域的生产过程中，气固两相流固相参数在线实时测量对生产过程的计算、控制和可靠运行均有重要意义。当前电厂的煤粉细（粒）度测量基本上是采用取样法，用等速取样管从煤粉管道中取出煤粉样品后在实验室用筛分法等得到煤粉的粒度。这种测量方法耗时长，实际上不能实现通过随时控制磨煤机及煤粉分离装置的运行来获得最佳煤粉粒度以利于燃烧。而煤粉细度的在线测量目前报道较少，限制煤粉细度在线测量技术发展的主要难点有：①两相流的流动情况比较复杂，存在难以控制的各种流型，在流动过程中，不同粒度的组分在流体混合物中的空间分布不均匀，而且分布随时间变化，因此很难找到其流动规律，无法采用数学建模，致使粒度的在线测量成为难题。②煤粉本身的物理特性（水量、组成成分等） 的改变也会影响传感器的输出信号，也给粒度的检测带来很大困难。③煤粉的高速冲刷作用使得基于接触式测量方法的插入式传感器的应用受到限制。④现场的恶劣环境和浓相输送时的不透光性使光学方法受到一定限制。因此在线工业用煤粉细度或粒径分布测量装置的研究多年来进展缓慢。

2 细度测量方法综述

以下测量方法的物理基础不同，同一样品用不同的测量方法得到的粒径的物理意义甚至粒径大小也不同。此外，不同的颗粒粒度测量方法的适用范围也不同。对于每种测量技术都有其最佳适应情况，但又有一定局限性。下面分别对上述方法进行介绍分析：

2.1 筛分法和沉降法。筛分法是利用筛孔大小不同的一系列筛子对物料筛分，可使物料筛出若干个粒级，n层筛子可将物料分成（n+1）个粒级，从而获得样品的粒度分布。筛分分析法的优点是设备简单，造价较低，易于操作，应用普遍。缺点是操作较麻烦、测量结果容易受环境温度、操作手法等因素影响。沉降法主要以郎白——比尔定律和斯托克斯公式为依据设计的仪器，其原理是颗粒悬浮于液体介质中，受重力作用逐渐沉淀（沉淀时间与粒径大小的平方成反比）从而引起光密度的变化，由此计算出粒径的大小分布。

2.2 激光衍射散射法。激光衍射散射理论主要有：夫朗和费（Fraunhofer）衍射理论、菲涅耳（Fresnel）衍射理论、米（Mie）散射理论和瑞利（Royleigh）散射理论等。光衍射散射的优点是动态范围大、测量速度快、重复性较好和操作方便，但分辨率较低，不宜测量粒度分布范围较窄的样品。

2.3 超声波法。超声波在颗粒两相介质传递过程的衰减谱含有颗粒的粒度大小和浓度信息。超声波具有穿透力强，频带宽，非接触的特性。

2.4 电感应法、静电法、电容法。电感应法，又称库尔特电阻式粒度分析法（简称库尔特法）。其工作原理相对比较简单：颗粒时电极间电阻的改变与颗粒截面积存在比例关系，将其转化成相应电压幅值输出即可测量出粒径大小。静电法是通过测量管道中气粒两相流流动时产生的静电电荷，经过有效的信号处理通过标定实施固相粒度的在线测量。而电容法是以气粒两相流作为电容介质，然后从电容信息中提取固相的粒度信息。静电法、电容法易受现场复杂电磁环境的干扰，且与粒径和粒径分布之间的函数关系比较复杂，不够明晰，目前仍处于深入研究中。

2.5 颗粒色谱法和质谱法。颗粒色谱法是使在管道中悬浮液的颗粒，沿管壁按粒径大小分离，形成一条所谓的颗粒色谱。颗粒束质谱仪主要用于测量气溶胶中微小颗粒的粒度。

2.6 显微镜和数字图像处理法。此法是利用显微镜观察细微颗粒的大小和形状，适用于0.1-50μm的物料，可检查分选产品或校正水力沉降分析结果，也可研究矿石的结构。其主要特点是直观。

3 可行的测量方案分析

对于电站煤粉细度在线测量而言，必须解决好以下问题才有可能真正解决好细度测量的问题：①典型的气粒两相流，在流动过程中，煤粉在气粒混合物中的空间分布是不均匀的，而且分布随时间变化，很难找到其流动规律。②煤粉本身的物理特性（水量、组成成分等）的改变也会影响传感器的输出信号，也给粒度的检测带来很大困难。③煤粉的高速冲刷作用使得基于接触式测量方法的插入式传感器的应用受到限制。④现场的恶劣环境和浓相输送时的不透光性使得光学方法受到一定的限制。⑤现场的环境恶劣、气粒混合物的温度较高，必须满足长期在线测量的要求。

综上所述，基于不需要在线取样，安装使用条件不是很苛刻，成本相对较低等方面的因素，推荐使用超声波法、显微镜和数字图像处理法。下面分别对这两种方法进行较详细的描述。

4 基于超声波的电站煤粉细度在线测量技术

超声法是通过测量两相体系中随频率变化的声衰减和声速，并通过反演计算与数学模型的预测结果相比较以获得颗粒相的粒度和浓度。在这一过程中，如何通过数学模型准确，快速地预测两相体系中的衰减和相速度尤为重要。为研究两相介质中的声学特性，先后有一些数学模型被发展。1953年Epstein在他的论文中提出了一个不仅考虑了液体介质的粘性和固体的弹性效应，同时还考虑到热传导影响的数学模型。Epstein和Carhart还通过一个详细的理论解推导出热损失对声衰减的影响。在此基础上，Allegra和Hawley发展了该模型，使其适用于悬浊液。所以这一模型被称为ECAH模型（或AN模型）。

4.1 理论模型。该模型的建立，首先要获取压缩波、剪切波、热波在弹性、各向同性、导热的固体介质及连续相介质中的波动方程，这可以通过守恒定律、应力应变关系及热力学状态方程得到。波动方程在球坐标下求解，按照球Bessel函数和球谐函数的级数展开，其中包含了特定系数。在颗粒表面运用边界条件求解，可以得到一个6阶的线性方程组。求解这一方程组即可得到与衰减和相速度有关的系数值。

4.1.1 波动方程。从线性化守恒律，热力学方程和应力应变关系出发，可以写出压缩波，热波，粘性波波动方程，分别为：

其中kc，kT，ks为波数。对于连续介质相和弥散颗粒相，上述波动方程均适用。但对连续介质，波数ks中μ由-i？棕ηs取代。

4.1.2 波的模式转变

当平面压缩波入射到一个半径为R的球形颗粒，球体的存在将会反射一个压缩波，在球内也产生一个压缩波。同样，在球内外也分别会有热波和剪切波产生（如图1所示）。对方程求解，即可得到颗粒两相介质中的复波数：

此处β=？棕/c（？棕）+jαs（？棕），为悬浊液中的复波数，？准为悬浮颗粒的体积浓度。αs和c分别为两相介质的等效衰减系数和声速。

4.2 测量方案的确定。上述理论模型表明超声波在气粒两相流中传播时，其振幅衰减系数和声速与声波的频率、颗粒相浓度、颗粒本身的大小紧密相关。研究结果表明：随着声波频率的增加，各种两相介质中声衰减均相应的增大，在一定频率范围内，声衰减和频率的关系近似线性变化。这个频率范围大小视具体两相介质而定。声速在一定频率范围内随着频率的增加而增大，这种递增随着频率增大而趋缓，并在达到某一频率后出现递减关系。也就是说，可以通过选择适合声波频率范围，认为在该波段范围内声速基本保持稳定，不随频率发生变化，而声衰减和频率呈线性变化。（10-100KHz的范围内声速随频率增加变化的幅度小于5%。）颗粒相的浓度影响到振幅衰减系数和声速，颗粒相的粒径影响到振幅衰减系数，也就是说振幅衰减系数是超声波频率，颗粒相浓度和颗粒相粒径的函数；声速是颗粒相浓度的函数。如果通过其他路径求解出声速，那振幅衰减系数将是颗粒相粒径的函数，通过式（2）就可以计算出颗粒相的当量直径。

具体测量方案如图2所示：

选择合适频率的超声波探头相对安置，测量超声波经过煤粉后的衰减系数，在已知煤粉浓度的情况下代入式（2）即可得到颗粒相的当量直径，或者说煤粉的细度。

5 基于图像处理的电站煤粉细度在线测量技术

如图3所示，通过一强光源（可选取大功率LED光源）打在煤粉管道中形成一光面，然后通过配有显微镜头的高速相机拍摄粒子图像，最后通过图像处理软件统计分析得到粒径分布。

6 结束语

以上两种方案的详细对比如下表1所示。

煤粉细度的在线测量是当今两相流检测技术的研究热点和难点，作者所述的煤粉细度检测方法各有优缺点。相比而言，超声法和图像法属于非接触式测量，具有易于安装，适用范围广等优点，适合于工业上实时应用，两者的对比如表1所示，在我国工业现有的条件下，作者认为超声法是最值得优先考虑的方法之一，具有广阔的工业应用前景。

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