密相氣力輸送過程的固相流量測量系統與測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及氣固兩相流領域，具體涉及密相氣力輸送過程的固相流量測量系統與 測量方法，特別涉及到氣流床粉煤加壓氣化工藝中輸送系統的煤粉流量的測量。
【背景技術】
[0002] 氣力輸送是一項利用氣體能量輸送固體顆粒的古老而有效的技術，在化工、冶金、 食品加工、醫藥和能源等領域得到了廣泛應用。實際應用中，為了滿足生產過程中所需的連 續測量及自動化控制，達到安全、高效和經濟運行的要求，粉體質量流量的在線瞬時測量已 成為氣力輸送系統中亟待解決的關鍵課題。在氣流床粉煤加壓氣化工藝中，如果進入氣化 爐的煤粉質量流率不穩定，重要的操作參數如氧碳比等也就不穩定，結果會造成氣化爐內 局部過熱，影響反應的穩定進行和氣化爐的穩定操作，而且產生的局部高溫還有可能損壞 反應器襯里和噴嘴。如果能以一定的置信水平實現對煤粉質量流量的在線測量，便可建立 起煤粉流量的控制調節系統。因此，人們對氣固兩相流連續測量的重要性和需求不斷增加。
[0003] 然而，密相氣力輸送是一個非常復雜的氣固兩相流系統。盡管具有輸送能力強、輸 送能耗低、輸送固氣比大、氣固分離量小等優點，但是輸送過程中管道內的固體顆粒運動受 到氣流場分布、顆粒與管壁的摩擦以及顆粒與顆粒的相互碰撞等因素的影響，造成顆粒分 布狀態在時空尺度上不均勻，流動的波動與不穩定是該系統的主要特征之一。對于這一復 雜體系，固相流量測量一直是個難題。
[0004] 目前，冶金工業中高爐噴吹煤粉的質量流量是采用電子秤稱重的方法來計算一段 時間內的平均值，不能實現實時連續測量，直接獲得瞬時值。氣流床粉煤加壓氣化工藝采用 進口固體質量流量計測量煤粉的質量流量，儀表使用前需要對其進行使用工況下的實物標 定，操作復雜，儀器價格昂貴。而且標定結果受輸送煤粉性質影響，當煤粉物性發生變化時， 測量結果會出現不同程度的偏差。文丘里流量計由于結構簡單、性能穩定、經濟耐用且不受 輸送介質物性變化影響等優點，受到研究者和工程技術人員的關注。其中，Farbar提出的 壓差-氣固比經驗公式，APmix/APgas= 1+mZ，已經廣泛應用于低壓、稀相氣力輸送固相流 量的測量。但對于高壓密相氣力輸送過程，載氣密度和固氣比均較大，傳統的壓差流量關系 應用于固相流量測量時會產生較大的誤差，已經不再適用。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題在于克服現有的幾種測量技術具有局限性的缺陷，而 提供了一種適合于密相氣力輸送過程的固相流量測量系統與測量方法。本發明提供的測量 方法不僅滿足傳統氣力輸送領域中密相輸送（濃度為50~lOOKg?!!!，固相流量的測量要 求，而且能夠實時連續測量超濃相（濃度>300Kg?nT3)輸送時的固相流量。
[0006] 本發明提供了一種密相氣力輸送過程的固相流量測量系統；所述的固相流量測量 系統包括依次連通的一輸入管道、一文丘里管和一輸出管道；所述輸入管道、所述文丘里管 和所述輸出管道在一條直線上，所述輸入管道和所述輸出管道的長度分別獨立地為大于或 等于80D，D為所述輸入管道和所述輸出管道的直徑；所述的文丘里管包括依次連通的一收 縮段、一喉段和一擴張段，所述輸入管道與所述收縮段相連通，所述擴張段與所述輸出管道 相連通；所述的固相流量測量系統還包括一流速測量儀、一第一壓力測試儀、一第二壓力測 試儀和一溫度測量儀；其中，所述流速測量儀安裝于所述輸入管道上，用于測量所述收縮段 的入口處的固相流速Vsl;所述第一壓力測試儀安裝于所述輸入管道上，用于測量所述收縮 段的入口處的氣相壓力Pi;所述第二壓力測試儀安裝于所述喉段上，與所述喉段的入口處 的距離為3d以上，用于測量所述喉段處的氣相壓力P2,d為所述喉段的直徑（以下簡稱喉 徑）；所述溫度測量儀安裝于所述輸入管道上，用于測量所述收縮段的入口處的氣固相溫度 V
[0007] 本發明中，所述收縮段的收縮角0較佳地為3~25°，更佳地為3~10. 5°。所 述擴張段的擴張角a較佳地為1~12°，更佳地為1~8°。所述文丘里管的節流比d/D 較佳地為0. 3~0. 8,更佳地為0. 4~0. 7。所述文丘里管的長徑比Lt/d較佳地為不小于 3,更佳地為不小于20;所述長徑比是指喉段長度與喉徑之比Lt/d。
[0008] 本發明中，所述第二壓力測試儀安裝于所述喉段上，與所述喉段的入口處的距離 較佳地為20d以上，更佳地為22d。
[0009] 本發明中，所述輸入管道和所述輸出管道為本領域常規的用于輸送氣固相的管 道。
[0010] 本發明中，較佳地，所述固相流量測量系統還包括一數據采集系統，所述數據采集 系統還依次與一A/D轉換卡(模數轉換卡，用于將模擬信號轉換成數字信號）和一計算機連 接；所述流速測量儀包括一速度傳感器；所述第一壓力測試儀包括一第一壓力傳感器；所 述第二壓力測試儀包括一第二壓力傳感器；所述溫度測量儀包括一溫度傳感器；所述速度 傳感器、所述第一壓力傳感器、所述第二壓力傳感器和所述溫度傳感器分別與所述數據采 集系統連接，并將模擬信號輸入至所述數據采集系統。
[0011] 其中，所述的計算機較佳地包括存儲模塊和計算模塊，用于實時輸出處理后的固 相流量數據。其中，所述的存儲模塊用于存儲輸入的壓降方程，所述的計算模塊用于將采集 到的流速、壓力和溫度數據代入壓降方程中進一步求解固相流量。
[0012] 其中，所述速度傳感器安裝于所述輸入管道上，與所述文丘里管的入口處的距離 較佳地在20D以內，更佳地在ro以內。
[0013] 其中，所述第一壓力傳感器較佳地為第一膜片式壓力傳感器，且通過一第一引壓 孔安裝于所述輸入管道上；在沿所述文丘里管的延伸方向上，所述第一引壓孔與所述收縮 段的入口處的距離較佳地在20D以內，更佳地在ro以內。所述第二壓力傳感器較佳地為第 二膜片式壓力傳感器，且通過一第二引壓孔安裝于所述文丘里管的喉段上。
[0014] 其中，所述溫度傳感器較佳地通過一測溫孔安裝在所述輸入管道上，所述測溫孔 與所述收縮段的入口處的距離較佳地在20D以內，更佳地在ro以內。
[0015] 本發明還提供了一種密相氣力輸送過程的固相流量測量方法，所述的固相流量測 量方法包括以下步驟：
[0016] (1)將氣固兩相流通入上述固相流量測量系統，并啟動所述固相流量測量系統，測 量參數Vsl、Pi、P2和;
[0017] (2)將步驟（1)測得的參數Vsl、Pi、P2和代入文丘里管壓降方程①：
[0019] 計算出固氣兩相的質量比Z，再代入公式②：
[0020] Ms =ZMg ②
[0021] 公式②中，由
計算得氣相流量&的值(單位為Kg/s)，再計算得 固相流量Ms (單位為Kg/s);
[0022] 方程①中，0為文丘里管節流比，是所述文丘里管的喉徑d和所述輸入管道的直 徑D之比；M為所述氣相的氣體分子的摩爾質量(單位為g/mol) ;R為摩爾氣體常數；Vgl為 所述收縮段的入口處的氣相流速，在密相流動中近似等于同一位置處的固相流速Vsl (單位 為m/s) ;Ps為所述固相的密度（單位為Kg/m3);
[0023] 方程①中，C為流出系數，它是雷諾數Re的函數，函數關系可表示為公式③：
[0024]C=f(Re)=aReb③
[0025] 公式③中，雷諾數Re按照如下公式計算：Re = DVglPgl/i!gl，Pgl、1!81分別是所 述文丘里管的入口處的氣體密度(單位為Kg/m3)、氣體粘度(單位為Pa/s)，Pgl、ygl分別按 照如下公式進行計算：Pgl =PiM/RTi
，其中dg是氣體分子直徑 (單位為m)，查表可獲得；
[0026] 公式③中，系數a、b按照如下方法確定：采用所述的固相流量測量系統采集兩組 不同工況下純氣相流的測試數據，分別記為工況一和工況二，并在