氣固流化床中靜電檢測方法的研究進(jìn)展①

周 浩 孫旭輝

(中國石化上海石油化工股份有限公司塑料事業(yè)部)

氣固流化床中靜電檢測方法的研究進(jìn)展①

周 浩 孫旭輝

(中國石化上海石油化工股份有限公司塑料事業(yè)部)

比較了應(yīng)用于氣固流化床中的4種靜電檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，指出為了獲取更為精確的檢測結(jié)果，氣固流化床中靜電檢測方法的未來發(fā)展必將是尋求多種檢測手段或者多探頭結(jié)合的解決方案。

氣固流化床 靜電檢測 法拉第筒 靜電探頭 雙電極組合

氣固流化床被廣泛應(yīng)用于烯烴聚合、干燥及造粒等工業(yè)過程當(dāng)中[1]。在流化床的運(yùn)行過程中，流化顆粒與顆粒和流化顆粒與壁面之間不斷重復(fù)地碰撞摩擦，致使靜電荷在流化顆粒的表面產(chǎn)生并積累。過量的靜電荷積累將會(huì)導(dǎo)致聚團(tuán)、粘壁等危害的發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至引起流化床非正常停車，引發(fā)重大經(jīng)濟(jì)損失[2，3]。因此，對(duì)流化床內(nèi)靜電的檢測和控制能夠有效提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，具有重要的研究價(jià)值。流化床中靜電的檢測是指通過一定的手段，獲取流化床中表征靜電水平的物理參數(shù)，這些物理參數(shù)通常包括電荷量、靜電勢和靜電流。流化床中的靜電檢測方法可以分為法拉第筒法和靜電探頭法，其中法拉第筒法主要通過檢測流化顆粒的電荷量從而表征流化床內(nèi)的靜電水平；而靜電探頭法則通常是檢測流化床內(nèi)的靜電勢或者靜電流。靜電探頭法又可根據(jù)檢測原理的不同分為接觸式靜電探頭和感應(yīng)式靜電探頭。

1 法拉第筒法

通過法拉第筒可直接獲取取樣顆粒的荷電量，從而獲得流化床內(nèi)的靜電水平，因此法拉第筒法是流化床中最基礎(chǔ)、最常用的靜電檢測方法。然而，當(dāng)采用法拉第筒法檢測流化床中某一區(qū)域顆粒的荷電量時(shí)，將不得不通過某一手段將此位置的流化顆粒轉(zhuǎn)移至法拉第筒中。在這一轉(zhuǎn)移過程中，流化顆粒將不可避免地與其他物體(如取樣夾具與輸送管道)接觸，從而導(dǎo)致流化顆粒的二次荷電或者電荷耗散，影響最終檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，有研究者設(shè)計(jì)了特制的取樣裝置，也有研究者將法拉第筒直接安裝于流化床，從而降低或者避免取樣過程引起的誤差。

Mehrani P等制作了與流化顆粒材質(zhì)相同的夾具，他們認(rèn)為這種與流化顆粒材質(zhì)相同的夾具將會(huì)由于它與流化顆粒的功函數(shù)相同，從而減少顆粒取樣過程對(duì)最終檢測結(jié)果的影響，但是這一方法并不能完全消除取樣過程的影響[4]。Sowinski A等將法拉第筒直接安裝于流化床的下部和上部，分別對(duì)流化一段時(shí)間后的床層主體顆粒和揚(yáng)析顆粒的荷電量進(jìn)行了檢測，這種方法有效地避免了取樣過程，然而這種方法的局限性較為明顯，無法應(yīng)用于檢測某一特定局部顆粒的荷電量[5,6]。Mehrani P等直接將實(shí)驗(yàn)過程中的流化床與法拉第筒結(jié)合，制造了一種如圖1所示的用于實(shí)驗(yàn)過程中檢測流化床整體帶電水平的法拉第筒流化床[7,8]。可以看出，該流化床的結(jié)構(gòu)與法拉第筒一致，流化床的內(nèi)外兩層由黃銅制得，內(nèi)層既是流化區(qū)域又是檢測區(qū)域；外層為屏蔽層，檢測過程中接地。在內(nèi)外兩層中鑲嵌有厚厚的聚四氟乙烯，且流化床的分布板也同樣由聚四氟乙烯制得。該裝置能夠避免取樣過程造成的檢測誤差，能夠較好地檢測流化床內(nèi)的整體帶電水平。但是也很明顯，該裝置僅限于實(shí)驗(yàn)過程中，無法在實(shí)際工業(yè)過程中使用，并且同樣無法用于檢測特定局部顆粒的荷電量。

圖1 法拉第筒流化床

除此之外，采用法拉第筒檢測流化床內(nèi)顆粒的帶電量仍然存在著另一個(gè)較為明顯的問題。已有研究表明，流化床內(nèi)的顆粒存在著雙極帶電的現(xiàn)象，但是由法拉第筒直接檢測得到的顆粒荷電量為平均荷電量，無法獲取所取樣品中的正負(fù)電荷分布。針對(duì)這一問題，Mehrani P等提出了如圖2所示的檢測裝置[4]。該檢測裝置的主體由兩層法拉第筒構(gòu)成，上層法拉第筒的下底開有圓孔，且一側(cè)安裝有一根空氣吹掃管。在一定的吹掃氣速下，當(dāng)取樣顆粒由法拉第筒上部中心倒入，帶正電的小顆粒將會(huì)在吹掃氣的作用下向上層法拉第筒的壁面運(yùn)動(dòng)，而帶負(fù)電的大顆粒則進(jìn)入下層法拉第筒，實(shí)現(xiàn)正負(fù)電荷的分離。

圖2 荷電顆粒轉(zhuǎn)移和電荷檢測裝置

Zhao H等將多層串聯(lián)法拉第筒安裝于流化床下部，希望借助同極性顆粒之間的斥力，使得同一極性的顆粒能夠在沉降過程中向法拉第筒壁面運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)不同極性顆粒的分層分布[9]。但是這一方法的結(jié)果并不明顯，收集得到的同一法拉第筒中的顆粒并非由單一極性的荷電顆粒構(gòu)成。Waitukaitis S R等在Zhao H等的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了此檢測方法[10]，在研究過程中，他們采用了如圖3所示的檢測裝置。他們?cè)诤呻婎w粒自由沉降的過程中施加高壓直流電場，在直流電場中，不同極性、不同荷電量的顆粒將會(huì)以不同方向和不同的加速度運(yùn)動(dòng)。基于這一特點(diǎn)，他們采用高速攝像機(jī)跟蹤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過加速度計(jì)算進(jìn)一步獲得了每個(gè)單一顆粒的荷電量。但是很明顯，這種方法將受到攝像設(shè)備的局限，同時(shí)無法應(yīng)用于高濃度的場合。

圖3 基于自由沉降的顆粒雙極帶電檢測裝置

此外，還有研究者借助于靜電分選的概念，提出了如圖4所示的檢測裝置[11]。在取樣顆粒進(jìn)入法拉第筒之前，首先經(jīng)過一個(gè)由兩塊傾斜電極板構(gòu)成的直流電場，在直流外加電場的作用下，帶有不同極性靜電荷的顆粒將會(huì)往不同的極板運(yùn)動(dòng)，最終帶有正電的顆粒進(jìn)入右邊的法拉第筒，而帶有負(fù)電的顆粒進(jìn)入左邊的法拉第筒，實(shí)現(xiàn)了區(qū)分取樣顆粒中不同極性電荷的目的。

圖4 改進(jìn)型法拉第筒檢測裝置

2 接觸式靜電探頭

接觸式靜電探頭是一種在線靜電檢測方法。安裝于流化床內(nèi)某一位置的接觸式靜電探頭在顆粒流化的過程中，由于不斷地與局部荷電顆粒接觸，接觸式靜電探頭所在的檢測回路中將會(huì)有電荷運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生靜電勢或者靜電流信號(hào)。這一電荷運(yùn)動(dòng)既包含顆粒轉(zhuǎn)移至探頭的電荷，也包括荷電顆粒感應(yīng)和顆粒與探頭直接摩擦產(chǎn)生的電荷，信號(hào)的種類由檢測回路的結(jié)構(gòu)決定。因此，通過此種方式檢測得到的靜電流或者靜電勢信號(hào)并不能與流化床內(nèi)顆粒的真實(shí)荷電量建立一一對(duì)應(yīng)的定量關(guān)系，只能用于定性表征探頭所在區(qū)域靜電水平的相對(duì)大小。

接觸式靜電探頭可根據(jù)其形式不同分為球形探頭、環(huán)形探頭等。常見的球形靜電探頭[12～15]的結(jié)構(gòu)如圖5所示，探頭中使用了大量的陶瓷絕緣層和聚四氟乙烯屏蔽層，保證探頭的絕緣性和穩(wěn)定性，避免檢測得到的靜電信號(hào)在傳輸過程中耗散，同時(shí)避免探頭受到環(huán)境中其他電信號(hào)的干擾。在實(shí)際檢測過程中，前端的球形探頭伸入流化床中，后端通過信號(hào)線與檢測回路連接。由此可知，采用球形靜電探頭檢測流化床中的靜電水平是一種侵入式檢測方法，這種方法將不可避免地對(duì)流化床中的流場產(chǎn)生干擾。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，這種方式常常僅用于檢測壁面靜電。除了球形靜電碰撞探頭外，還有研究者提出了貼于床層內(nèi)壁面的環(huán)形探頭[16]，用以測量不同軸向高度處床層的平均帶電水平。

圖5 球形靜電探頭結(jié)構(gòu)

環(huán)形接觸式靜電檢測方法與球形接觸式檢測方法類似，僅僅是探頭的形式不同。相比于球形電極，環(huán)形電極可緊貼于床層內(nèi)壁面[16]，從而減小探頭對(duì)流場的干擾。但是有利必有弊，由于探頭需貼于床層內(nèi)壁面，因此這種方法也僅限于檢測壁面附近的平均帶電水平，而無法檢測流化床中不同徑向位置的帶電水平。

3 感應(yīng)式靜電探頭

感應(yīng)式靜電探頭是指利用靜電感應(yīng)原理檢測流化床內(nèi)靜電水平的檢測方法[17～19]。當(dāng)荷電顆粒經(jīng)過探頭檢測的敏感區(qū)時(shí)，將會(huì)在探頭處產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而在檢測電路中產(chǎn)生感應(yīng)靜電流或者感應(yīng)靜電勢信號(hào)。

在采用有機(jī)玻璃制得的床層壁面絕緣的流化床進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將接觸式靜電探頭貼附于床層外壁面即可獲得感應(yīng)式靜電探頭，但該方法無法應(yīng)用于工業(yè)裝置中，并且這種方法僅限于檢測壁面附近的靜電水平。在工業(yè)裝置中，可通過在接觸式靜電探頭的前端包覆聚四氟乙烯絕緣塑料制得感應(yīng)式靜電探頭[20]，如圖6所示。理論上，感應(yīng)式靜電探頭獲得的信號(hào)僅為感應(yīng)靜電信號(hào)，相比于接觸式靜電探頭獲得的信號(hào)更為純粹，更易于從中解析獲得直接表征顆粒荷電水平的電荷量。但感應(yīng)靜電信號(hào)的產(chǎn)生不僅受到顆粒荷電量的影響，同時(shí)還受到顆粒運(yùn)動(dòng)速度的影響，因此目前仍然沒有研究者通過解析感應(yīng)靜電信號(hào)直接獲得流化顆粒的荷電量的報(bào)道。與接觸式靜電探頭類似，此種方法也只能用于定性檢測流化床內(nèi)某一位置的靜電水平。

圖6 感應(yīng)式靜電采集系統(tǒng)

4 雙電極組合式靜電探頭

如前文所述，無論是感應(yīng)式靜電探頭還是接觸式靜電探頭，都無法直接獲得流化顆粒的荷電量。因此，有研究者提出了雙電極組合式靜電探頭的概念，期望通過此種方式直接檢測得到流化顆粒的荷電量。

圖7為He C等提出的雙電極靜電碰撞探頭[21,22]，此種靜電探頭的前端由兩個(gè)電極構(gòu)成，這兩個(gè)電極的材料可以是相同材料也可以是不同材料。當(dāng)荷電顆粒先后與兩個(gè)檢測電極接觸，將會(huì)產(chǎn)生不同的靜電信號(hào)，對(duì)這兩個(gè)信號(hào)的異同進(jìn)行解析將有可能得到被檢測顆粒的荷電量。目前，該方法仍處于開發(fā)階段，由此檢測方法建立的顆粒荷電量預(yù)測模型中含有由實(shí)驗(yàn)體系決定的模型參數(shù)。為了獲得這一模型參數(shù)，需要在特定實(shí)驗(yàn)體系下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。因此雖然該方法相比于已有方法具有較大的進(jìn)步，但目前仍無法推廣應(yīng)用。

圖7 雙材料探頭和探頭表面材質(zhì)

5 結(jié)束語

綜上所述，氣固流化床的各種單一靜電檢測手段均有明顯的缺點(diǎn)。法拉第筒法能夠直接獲得顆粒的荷電量，但對(duì)采樣顆粒進(jìn)行預(yù)處理即使可以得到采樣顆粒的正負(fù)電荷分布，也無法絕對(duì)消除采樣過程對(duì)最終結(jié)果的影響，且過多的前處理過程也會(huì)加大最終的檢測誤差。接觸式和感應(yīng)式靜電探頭的出現(xiàn)，雖解決了在線實(shí)時(shí)檢測的難題，但靜電探頭的使用一方面有可能對(duì)流場產(chǎn)生干擾，另一方面通過此方法檢測得到的僅為帶電水平的相對(duì)大小。因此，單一檢測方式或者單一探頭已無法滿足實(shí)驗(yàn)和工業(yè)中的種種檢測要求，氣固流化床中靜電檢測方法的未來發(fā)展趨勢必將是尋求多種檢測手段或者多探頭結(jié)合，從而通過相關(guān)性計(jì)算和數(shù)據(jù)融合，獲得更為準(zhǔn)確、更為多維的檢測結(jié)果。

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ResearchProcessinDetectionMethodsforElectrostaticChargesinGas-SolidFluidizedBed

ZHOU Hao, SUN Xu-hui

(PlasticsDivision,SinopecShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.)

Relative merits of four methods to detect the electrostatic charges in gas-solid fluidized bed were compared to indicate that, for purpose of obtaining exact detection results, having various detection methods or multi probe combined for the application becomes necessary.

gas-solid fluidized bed, detection of electrostatic charge, Faraday cup, electrostatic probe, dual-electrode combination

周浩(1970-)，高級(jí)工程師，從事聚烯烴生產(chǎn)管理與產(chǎn)品開發(fā)工作，Zhouh.shsh@sinopec.com。

TQ573+.4

A

1000-3932(2017)06-0523-05

2016-08-02,

2017-03-06)