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生物质热解气力进料光敏在线监测技术研究
摘要:为实现对热解用气力输送进料情况实时监测,以落叶松锯末颗粒为原料,采用遮光管内红外激光头与光敏传感器联用的方法,在自主研发的在线监测实验台上,考察了气体流量对进料率、固气比等的影响,分析了电平均值与进料率、固气比、颗粒速率的关系,并对管路各层的颗粒浓度进行了灰度图像重建。结果表明:该方法能有效实现在线监测;电平均值与进料率的变化关系和幂函数在第一象限的规律相似;电平均值与颗粒速率负相关;流体颗粒速率由管路下层到上层依次递增;距离喷嘴越远,电平均值越大,流体颗粒速率越小,颗粒分布更加分散,管路各层浓度更加均匀;圆管(DN20mm)流体颗粒平均速率约为0.2~0.6m/s。
引言
流化床快速热解技术是生物质高值化利用领域的热点之一[1]。气力输送有效避免了颗粒在热解高温进料的过程中机械挤压和结块,且缩短了进料过程颗粒被加热的时间,是一种较有效的热解进料方法[1-2]。但反应器的温度、压力、稳定性等特殊工艺会导致输送过程中产生反喷、炭化、堵塞等复杂情况[3-6],因此需对气力输送进料率、流体速率及堵塞情况进行实时监测。
非接触式在线监测技术能够避免在监测过程中对进料的干扰,因此得到了一定的应用[7-9]。电容层析(ECT)、电阻层析(RCT)、超声层析(UCT)、正电子颗粒追踪(PEPT)等技术是目前主要应用的气力输送非接触式在线监测成像方法[7-8,10-12],其基本原理是利用传感器监测微小信号的变化,通过信号处理及计算机图像处理实现管路浓度的近似图像重现,但大部分技术还处于实验室研究阶段[10,13-16]。
光敏传感器多用于肥料颗粒、种子等单体物实时监测,在细颗粒浓度监测方面的应用尚未见报道[17]。由于不同流体浓度、流速等因素对光强的影响较大,所以光敏传感器可应用于热解管路监测。
本文利用光敏传感器对热解用管路气力输送进料情况进行实时监测,在遮光管内采用光敏传感器与红外激光头联用的方法对管路流体进行脉冲式两点分层监测;基于在线监测原理在自主研发的气力输送实验台上进行实验,着重研究了气体流量、进料率、浓度等对光敏电平值曲线的影响规律;初步对管路流体浓度进行了线性灰度图像重建。
1实验部分
1.1实验装置
实验装置系统如图1所示,主要由风机、截止阀、压力表、流量计、料仓、光敏传感器、电子秤、信号处理系统及遮光进料管等构成。采用风机(ACO-002,35W,50Hz,40L/min,浙江森森集团股份有限公司)压缩空气;通过截止阀控制流量,并进入遮光进料管,同时物料从料仓中下落进入遮光进料管水平输送,最后用电子称(JM1000,1000kg/0.01g,浙江省余姚纪铭称重校验设备有限公司)称量;两个光敏传感器(5537,4mm×5mm,广东科比电子有限公司)间距为L,采用变压电源供电(SM-PK03A,220V转5V,广东三敏电子科技有限公司),输出电压精度依1%;采用光敏传感器信号放大模块(LM358,5V,广东天士凯电子有限公司)输出稳定模拟量;数据采集卡(YAV,8AD,采样率1kHz,采样长度128,湖北亚为电子科技有限公司)通过USB数据线与电脑连接,通过LabVIEW软件实现数据及曲线处理。
如图2所示,根据激光头(序号1~4)与光敏传感器(序号A~D)的对数和安装位置,分别采用当量直径为DN10mm或DN20mm遮光进料管进行实验,以避免环境光干扰;单对激光-光敏装置用于考察电平值与进料基本参数的关系;多对激光–光敏装置用于考察管路不同层的输送情况,为缩短传感器响应时间,将其与激光头(外径6mm,5V,广东科比电子有限公司)正对放置,周围采用软纸填充及锡纸遮光。由于激光头温度随时间略微升高的同时,光强不断降低,因此需保持激光头良好散热,使电平值初始值误差维持在依0.01V。
1.2实验原料
实验物料采用东北小兴安岭林厂提供的落叶松锯末(2014年2月生产),实验前通过细滤网筛分锯末颗粒。物料特性测试结果如表1所示。
实验地点在北京海淀区。环境因素如室内外气体的温度、压力、湿度等对实验结果影响较大,实验气源检测结果如表2所示。气体经过滤后,其气体密度ρa可由式(1)得到
1.3实验方案
实验装置的监测点间距L=220mm(DN10mm)或500mm(DN20mm);风机压力稳定在20依0.5kPa。具体方案如下:1)改变气体质量流量,获得固气比、输送质量及光敏电平值变化曲线;2)采用电磁阀控制气源,实现脉冲进料(电磁阀连续交替打开和关闭1.5s),监测不同直径管路的两点光敏电平值变化过程,获得流体不同分层的平均速率。实验组的气体体积流量及质量流量如表3所示。
2测量方法
2.1流体颗粒浓度图像重
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