摘 要： 介紹了煤粉固體質(zhì)量流量測量技術(shù)及產(chǎn)品，總結(jié)了固體質(zhì)量流量計(jì)在粉煤氣力輸送過程中的應(yīng)用情況，探討了電容式固體流量計(jì)工業(yè)規(guī)模下試驗(yàn)標(biāo)定方法和結(jié)果，對于氣固兩相流工業(yè)在線測量提供了參考。
關(guān)鍵字： 電容式 固體質(zhì)量流量計(jì) 氣固兩相流測量 核輻射
粉煤氣化是潔凈煤技術(shù)領(lǐng)域里最新型的技術(shù)之一。以粉煤干法進(jìn)料，加壓連續(xù)運(yùn)行為特點(diǎn)的Shell、GSP、航天爐等是較為成熟的粉煤氣化工藝。這類工藝具有純氧氣化，密相氣力輸送粉煤，液態(tài)排渣的特點(diǎn)，其冷煤氣效率高、煤種適應(yīng)性廣、碳轉(zhuǎn)化率高、操作自動化程度高、生產(chǎn)能力大、煤氣品質(zhì)好、能滿足環(huán)保要求，具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢［1］。
粉煤氣化工藝中煤粉流量是涉及系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的重要參數(shù)，煤粉質(zhì)量流量計(jì)是關(guān)鍵儀表。目前，干煤粉密相輸送的計(jì)量大體可以分為電容式與放射線式2種，主要有賽默飛世爾公司（原美國熱電公司，主要見于Shell）、德國斯威爾SWR（見于航天爐）、德國伯托及法國EDITFLOW等。
1 固體質(zhì)量流量測量技術(shù)及產(chǎn)品
1.1 電容式
該測量技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，具有代表性的是賽默飛世爾公司和德國SWR。從本質(zhì)上講，SWR的固體流量計(jì)和賽默飛世爾公司的電容式固體質(zhì)量流量計(jì)是基于同一種技術(shù)的產(chǎn)品，在測量適用的壓力、濃度、靈敏度和精度上類似。
1.1.1 測量原理
將電容極板安裝在流動管道外，當(dāng)管道內(nèi)氣固相比例發(fā)生變化時(shí)，介電常數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)變化，從而引起電容值改變。測量極板間電容值，再通過數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，即可得管道內(nèi)相濃度。圖1為電容極板系統(tǒng)。
圖1 電容極板系統(tǒng)
速度傳感器由2個(gè)電容傳感器構(gòu)成，兩傳感器間距為8mm，固體顆粒依次經(jīng)過2個(gè)傳感器，理想狀態(tài)下，固體物料流動形態(tài)經(jīng)過較短距離不發(fā)生變化，兩傳感器可捕捉到相同的物料流動形態(tài)信號，由信號間存在的時(shí)間差即可計(jì)算固體顆粒速度［2］。
依據(jù)物質(zhì)質(zhì)量與電容的比例關(guān)系，通過測量電容變化測量物料濃度，通過交相關(guān)模型測量物料的速度（測量基礎(chǔ)仍然是電容變化），物料質(zhì)量流量計(jì)算公式為：
Q=CAVK
式中，Q為質(zhì)量流量，kg/s；C為固體質(zhì)量濃度，kg/m3；A為傳感器截面積，m2；V為平均固體流速，m/s；K為校正因子，無因次。
賽默飛世爾公司的固體質(zhì)量流量計(jì)由濃度計(jì)DC13、速度計(jì)DK13、二次儀表MT2109或MT2107（當(dāng)需要PID調(diào)節(jié)時(shí)選用）組成。
儀表處理濃度、速度信號后輸出到用戶主機(jī)，其儀表直接輸出值為濃度、速度、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等主要參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)配置為兩路輸出。圖2為電容式固體質(zhì)量流量測量原理。
圖2 電容式固體質(zhì)量流量測量原理
SWR的固體流量計(jì)則是將速度計(jì)與密度計(jì)整合成一個(gè)模塊，長度較短（400mm左右），二次儀表相對功能較少，因此外形小巧。
1.1.2 應(yīng)用范圍
應(yīng)用物料范圍：濃相輸送的固體物料，主要是煤粉等。
固氣質(zhì)量比（以下簡稱固氣比）不小于5∶1的輸送狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，滿足其它使用條件精度可達(dá)0.5%～1%，國外用戶的普遍精度為1%～2%；固氣比介于4～5，精度降低，有可能到4%，甚至8%；固氣比介于3～4，精度進(jìn)一步降低；固氣比小于3，基本上難以滿足測量要求。
應(yīng)用壓力/溫度范圍：12MPa/150℃（可選200℃，特制）；
應(yīng)用危險(xiǎn)場合：適用于ClassI，Division1，GroupsA、B、C、D；
1.1.3 應(yīng)用情況
電容式固體質(zhì)量流量測量技術(shù)主要用戶分布在煤化工和鋼鐵行業(yè)。國外煤氣化都是典型的濃相輸送，絕大多數(shù)采用非核的測量方式，即采用固體質(zhì)量流量計(jì)由DC13（濃度計(jì)）+DK13（速度計(jì)）直接測量煤粉的質(zhì)量流量，Shell在國外采用濃相輸送工藝時(shí)也會選用非核的測量方式；國內(nèi)水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心中試裝置2004年訂購了8臺質(zhì)量流量計(jì)，目前尚在中試裝置和華東理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室裝置上使用［2］。國內(nèi)云南大維和中石化安慶的殼牌裝置上各購置了1臺電容式固體質(zhì)量流量計(jì)，目前尚未上線運(yùn)行。鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用主要是鋼廠煉鐵時(shí)高爐噴煤質(zhì)量測量與控制，國內(nèi)的用戶主要有上海寶鋼、重慶鋼鐵公司、沙鋼等。
目前，SWR的主要用戶在航天爐，包括河南濮陽龍宇化工有限責(zé)任公司、安徽臨泉化工有限公司。河南濮陽龍宇化工航天爐項(xiàng)目氣化裝置的每根煤粉管線上采用了2套美國熱電流量計(jì)和1套SWR流量計(jì)同時(shí)測量［3］，在滿足工藝要求的同時(shí)，也驗(yàn)證了在同樣工況下，2個(gè)廠家的流量計(jì)在煤粉流量計(jì)量上的準(zhǔn)確度和可靠性。安徽臨泉在航天爐裝置的每條煤粉管線上采用了2套SWR流量計(jì)。
1.2 核輻射測量方式
利用核密度計(jì)和速度計(jì)配合測量煤粉質(zhì)量的技術(shù)是20世紀(jì)90年代美國拉姆齊公司開發(fā)并成功應(yīng)用到殼牌煤氣化工藝上的。后來德國伯托（Bertohod）公司也開始涉足類似的領(lǐng)域。
1.2.1 測量原理
核輻射密度計(jì)也稱為核密度計(jì)、伽馬密度計(jì)等，其測量原理是利用能量衰減法對密度進(jìn)行測量。核密度計(jì)的放射源（137Cs或60Co）置入一個(gè)鉛罐內(nèi)，安裝在被測管道的一側(cè)，核密度計(jì)的探測器安裝在被測管道的另一側(cè)（對稱），放射源發(fā)出的伽馬射線穿過被測容器的管壁及介質(zhì)到達(dá)探測器，當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)的密度發(fā)生改變時(shí)，伽馬密度計(jì)探測器接收的射線能量也發(fā)生變化。核密度計(jì)將檢測到的射線能量的變化電量轉(zhuǎn)換成用戶需要的物理量———密度［2］。利用這種技術(shù)，核輻射密度計(jì)能夠進(jìn)行高精度的密度測量及快速反映被測密度的變化。密度計(jì)測量濃度之后輸出測量值給用戶主機(jī)，采用速度計(jì)測量速度輸出速度信號給總控系統(tǒng)，質(zhì)量計(jì)算由用戶主系統(tǒng)完成。
賽默飛世爾公司核輻射式質(zhì)量流量計(jì)DensityPRO，密度計(jì)包括2個(gè)主要部分：一是放射源及鉛罐；二是一體化變送器/探測器。密度計(jì)所用放射源一般情況下使用密封型的放射源137Cs，特殊情況下使用60Co。PRO核密度計(jì)基本測量提供一個(gè)獨(dú)立環(huán)路供電4～20mA輸出，輸出可設(shè)置為8個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)或范圍通道，單位可由用戶選擇，包括密度、固體質(zhì)量百分比、BRIX°、API°等。
DensityPRO核密度計(jì)具有測量精度高、響應(yīng)速度快及核密度計(jì)獨(dú)有的非接觸測量方式等優(yōu)點(diǎn)，滿足粉煤氣化在線介質(zhì)密度測量要求，在國內(nèi)殼牌裝置上應(yīng)用較為廣泛。德國伯托公司采用放射性密度計(jì)+靜電式速度計(jì)+計(jì)算及補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行計(jì)量。速度計(jì)為靜電感應(yīng)式，原理為粉煤在氣力輸送過程中，顆粒之間互相碰撞、摩擦，產(chǎn)生靜電，經(jīng)過速度計(jì)時(shí)引起靜電場的波動，感應(yīng)出一個(gè)電壓信號；相鄰的一些粉煤顆粒相繼經(jīng)過速度計(jì)，感應(yīng)出一個(gè)電壓波形。根據(jù)速度計(jì)內(nèi)部2個(gè)一定距離的電極接收到同一信號的時(shí)間差，計(jì)算出粉煤的流動速度。伯托速度主要影響因素有煤粉粒徑、水分含量、溫度等［4］。
1.2.2 應(yīng)用范圍
應(yīng)用物料范圍：稀相或者濃相輸送的所有固體物料包括煤粉，在固氣比不小于5∶1的輸送狀態(tài)，滿足其它使用條件，精度可達(dá)0.5%～1%，國外用戶的普遍精度為1%～2%；固氣比小于4∶1，則以密度測量值為主要控制依據(jù)。
應(yīng)用壓力/溫度范圍：12MPa/150℃（可選200℃，特制）；
應(yīng)用危險(xiǎn)場合：適用于ClassI，Division1，GroupsA、B、C、D；
1.2.3 應(yīng)用情況
賽默飛世爾公司核輻射式質(zhì)量流量計(jì)主要在國內(nèi)Shell裝置應(yīng)用，如大連大化集團(tuán)、中原大化集團(tuán)、中石化安慶公司、中石化柳州化工有限公司、湖北雙環(huán)化肥廠等均有應(yīng)用。
德國伯托公司核輻射式質(zhì)量流量計(jì)國內(nèi)主要應(yīng)用于Shell裝置，如岳陽中石化殼牌煤氣化有限公司、中石化湖北分公司、云南沾化責(zé)任有限公司、中國神華煤制油有限公司、神華寧煤、河南開祥化工有限公司、河南龍宇煤化工有限公司等單位。
1.3 微波固體流量測量
1.3.1 測量原理
微波固體流量測量儀適用于金屬管道內(nèi)固體物料流量的測量。利用微波能量場和固體顆粒對微波的反射和多普勒特性，通過傳感器和管道之間電磁場的特殊耦合，產(chǎn)生一個(gè)測量場。傳感器向金屬輸料管道固體顆粒發(fā)射低能量微波信號，信號被固體反射后又被傳感器接收到，這些信號的頻率和振幅被中央處理單元處理利用。通過移動物料的微波反射能量來測量物料的密度，相當(dāng)于一個(gè)微波計(jì)數(shù)器，記錄單位時(shí)間內(nèi)流動的物料顆粒數(shù)量，從而測量出物料的流量。由于采用特定的頻率，故僅流動的微粒數(shù)量能被測量，堆積的微粒數(shù)量不被測量。傳感器的標(biāo)定在安裝完成后進(jìn)行，簡單地按鍵并輸入?yún)⒖紨?shù)量即可［5］。圖3為測量原理示意。
圖3 微波固體流量測量儀測量原理
1.3.2 系統(tǒng)構(gòu)成
一套完整的微波固體測量系統(tǒng)包括：傳感器及安裝底座、中央處理單元FME、C－Box接線盒（連接傳感器與中央處理單元）［5］。圖4為系統(tǒng)組成。
圖4 微波固體測量系統(tǒng)組成
1.3.3 應(yīng)用情況
微波固體測量系統(tǒng)主要應(yīng)用于電廠鍋爐系統(tǒng)中的大型燃煤機(jī)組、煉鋼廠高爐粉煤的輸送。粉塵狀燃料被輸送到鍋爐中作二次燃料，在每根送料管上采用1臺固體流量探測儀測量流量，優(yōu)化燃燒；高爐粉煤的輸送應(yīng)用情況與之類似。
目前應(yīng)用較多的為法國EDIT固體流量計(jì)。該流量計(jì)采用的是微波式測量原理，精度可達(dá)到1%～2%，產(chǎn)品樣本上注明的測量精度為1%。該流量計(jì)在粉煤氣化工況中沒有應(yīng)用業(yè)績，國內(nèi)所有業(yè)績均在電廠、煉鋼廠高爐粉煤的輸送管道上取得。
2 電容式與核輻射測量方式的差別
2.1 濃度測量技術(shù)不同
核測量技術(shù)使用核密度計(jì)來測量煤粉濃度，用DK13測量速度。非核技術(shù)完全使用電容式的密度計(jì)測量濃度和速度計(jì)測量速度。表1為兩者的優(yōu)缺點(diǎn)對比。
表1 核測量技術(shù)與非核測量技術(shù)對比
2.2 設(shè)備承擔(dān)的任務(wù)不同
核輻射測量技術(shù)并不直接提供質(zhì)量流量的計(jì)算和顯示，而由用戶主系統(tǒng)根據(jù)工藝商模型計(jì)算得出，儀表只提供濃度，速度測量值；非核測量技術(shù)直接計(jì)算出瞬時(shí)流量、累積流量、濃度、速度，如果必要可以直接控制相關(guān)的給料設(shè)備（PID控制）。
2.3 測量精度不同
使用賽默飛世爾公司的核密度計(jì)+速度計(jì)的測量方式（核測量技術(shù)），核密度計(jì)用于測量濃度時(shí)標(biāo)稱的精度等級為0.2%，速度計(jì)一般利用電容式測量原理，精度等級1%。
使用賽默飛世爾公司的電容式固體質(zhì)量流量計(jì)（非核測量技術(shù)密度），型號GranucorDC/13、DK13，稀相輸送狀況時(shí)因?yàn)镈C13測量誤差較大（5%或更大），超濃相時(shí)煤粉由于發(fā)生柱塞、停滯、倒流，流動性偏離理想狀況很多，DC13的速度測量值會偏差較大，尤其當(dāng)DC13被安裝在水平管道甚至是物料從下往上流動的管道時(shí)誤差可以達(dá)到6%甚至更大；不過賽默飛世爾公司已經(jīng)更新了DC13的硬件和相應(yīng)的測量軟件（基于交相關(guān)原理）。
2.4 標(biāo)定方法不同
核輻射測量技術(shù)測量的準(zhǔn)確性需要靠實(shí)測數(shù)據(jù)來調(diào)整，需要在輸送工況下先用輸送載氣進(jìn)行標(biāo)定，而后通過循環(huán)輸送對煤粉進(jìn)行標(biāo)定。
賽默飛世爾公司（美國熱電）的非核測量技術(shù)根據(jù)水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心中試使用經(jīng)驗(yàn)，不需單獨(dú)對載氣進(jìn)行標(biāo)定，而是在輸送工況下進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后，僅在化工投料前簡單驗(yàn)證即可。
3 電容式固體質(zhì)量流量計(jì)使用研究
早在2004年，水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心、華東理工大學(xué)在承擔(dān)國家“十五”科技攻關(guān)重點(diǎn)課題“粉煤加壓氣化制備合成氣研究與開發(fā)”時(shí)就購置了8臺美國熱電（原美國拉姆齊）固體質(zhì)量流量計(jì)Model2109進(jìn)行煤粉輸送與計(jì)量。使用過程表明，質(zhì)量流量計(jì)的測量已經(jīng)達(dá)到了一定的精度，完全可以滿足工業(yè)應(yīng)用的要求；流量計(jì)的測量精度不僅與儀器本身的硬件及軟件設(shè)置有關(guān)，還與煤粉在管道中的流動形態(tài)有著密切的關(guān)系。華東理工大學(xué)和水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心對DC13與DK13組合用于煤粉密相氣力輸送質(zhì)量流率測量性能系統(tǒng)開展了固氣比、穩(wěn)定性、物料流向、物料濕含量等影響因素的研究［5］。結(jié)果表明，密相穩(wěn)定輸送條件下的總體測量偏差在10%以內(nèi)，優(yōu)化條件下可達(dá)5%以內(nèi)，并成功應(yīng)用于粉煤氣化中試裝置，完全滿足粉煤氣流床氣化的工藝要求。
在“十一五”863項(xiàng)目“高灰熔點(diǎn)煤氣流床加壓氣化”應(yīng)用研究中，水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心在2009年購置了1臺SWR的Densfow電容式流量計(jì)，與華東理工大學(xué)共同開展工業(yè)規(guī)模煤粉輸送研究。測量結(jié)果表明該固體質(zhì)量流量計(jì)的測量偏差可控制在7%以內(nèi)，與賽默飛世爾公司DC13與DK13組合的性能相當(dāng)，符合工業(yè)運(yùn)行要求。
4 結(jié)論與建議
（1）從使用業(yè)績上看，賽默飛世爾公司、德國伯托公司的放射性質(zhì)量流量計(jì)在國內(nèi)煤化工領(lǐng)域應(yīng)用較多；電容式主要應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)，煤化工領(lǐng)域賽默飛世爾公司主要在兗礦中試及殼牌云南大維裝置中使用；SWR主要在國內(nèi)航天爐上使用。
（2）美國熱電的電容式流量計(jì)和德國SWR流量計(jì)技術(shù)來源相同，測量原理相似，技術(shù)上沒有本質(zhì)區(qū)別。近年來的工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐表明，對于粉煤加壓氣化裝置中的煤粉流量的計(jì)量都是有效的。
（3）由于煤粉的密相輸送為氣固兩相流，測量和控制極為復(fù)雜，2種流量計(jì)由于測量原理的限制，對濃度的測量均存在局限性，在煤粉流型等發(fā)生變化時(shí)，均存在濃度測量的較大誤差。
（4）對于首次進(jìn)行粉煤加壓氣化應(yīng)用的企業(yè)，建議在每臺氣化爐的煤粉管線上設(shè)置至少1臺核密度計(jì)，在開車初期準(zhǔn)確測量煤粉流量，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
（5）上述儀表對工藝要求比較苛刻，設(shè)計(jì)、施工應(yīng)嚴(yán)格按照儀表的要求進(jìn)行，運(yùn)行時(shí)也應(yīng)從工藝上盡量滿足儀表的要求。
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