雷達物位計在流化床反應器中的應用

張正國，楊晉，朱桂花，康慧芬，閔越，姜國平

(1. 北方民族大學 化學與化學工程學院，銀川 750021；2. 寧夏大學 化學化工學院，銀川 750021)

雷達物位計在流化床反應器中的應用

張正國1，楊晉1，朱桂花1，康慧芬2，閔越2，姜國平1

(1. 北方民族大學 化學與化學工程學院，銀川 750021；2. 寧夏大學 化學化工學院，銀川 750021)

多晶硅廠氣固流化床反應器的床層高度不易測量，且原料為硅粉，流化后極易磨損或干擾普通物位計，產(chǎn)品為氯硅烷混合氣，具有強腐蝕性。針對此難題，分析了雷達物位計的工作原理及適用范圍、優(yōu)點，總結(jié)了安裝雷達物位計時的注意事項和維護方法。實踐表明，雷達物位計在氣固流化床反應器中的應用效果良好。

雷達物位計 氣固流化床 反應器 多晶硅

雷達物位計是一種新型智能的物位計[1]，通過天線系統(tǒng)發(fā)射和接受能量很低的微波脈沖，準確測定物位[2]。雷達波以光速運行，運行時間可以通過電子部件被轉(zhuǎn)換成物位信號，并通過一種特殊的方法以確保極短時間內(nèi)穩(wěn)定和精確的測量[3]。即使在工況比較復雜的情況下，存在虛假回波，用最新的微處理技術和調(diào)試軟件也可以準確分析出物位的回波，因此雷達物位計較適應在氣固流化床中用來測量料位。

以國電寧夏太陽能有限公司2.5kt/a多晶硅裝置為研究背景。在多晶硅生產(chǎn)中，用到氣固流化床反應器的工藝主要有兩種，分別為SiHCl3合成反應器和冷氫化反應器。這兩種反應器外觀類似，底部為錐體，中部及上部為圓柱體，反應器外部使用夾套[4]，夾套內(nèi)為熱水，用來調(diào)節(jié)反應器內(nèi)溫度，反應器內(nèi)溫度約為300～500℃，壓力為3～ 5MPa。 該類氣固流化床反應器內(nèi)物料構成主要有硅粉(60～80目)，H2，HCl，SiHCl3，SiCl4等，除硅粉為固體小顆粒外，其他均為氣態(tài)。

反應器內(nèi)形成穩(wěn)定流化狀態(tài)后，流化床層高度的測量是一個難點[5]，高速流動的硅粉非常鋒利，對測量探頭的磨損較嚴重，而且細微的硅粉彌漫在反應器頂部，甚至包覆在探頭外部形成硅粉層，造成普通物位計故障或失效，而在多晶硅廠氣固流化床反應器上安裝雷達物位計則可有效避免此類問題。

1 雷達物位計

1.1工作原理及適用范圍

雷達物位計是采用發(fā)射—反射—接收的工作模式[7]。雷達物位計的天線發(fā)射出的電磁波，經(jīng)被測對象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時間與到固(液)面的距離成正比，關系式如下[6]：

D=ct/2

(1)

式中：D——雷達物位計到液面的距離；c——光速；t——電磁波運行時間。

圖1 雷達液位計在氣固流化床反應器中的應用

雷達物位計記錄脈沖波經(jīng)歷的時間，而電磁波的傳輸速度為常數(shù)，則可算出液面到雷達天線的距離，從而知道料位高度。

常見的雷達物位計有兩種技術模式，分別為調(diào)頻連續(xù)波式和脈沖波式?；谡{(diào)頻連續(xù)波技術的雷達物位計，須采用四線制，而且功耗大，電子電路復雜。而基于雷達脈沖波技術的物位計，可用二線制的24V(DC)供電，功耗低，輸出信號為4～ 20mA， 使用過程更加安全，且精確度高，適用范圍更大。雷達物位計可以測量液體、固體介質(zhì)，如原油、漿料、粉體及其他固體顆粒等。

1.2特點

1) 可以在真空中測量所有介電常數(shù)大于1.8的介質(zhì)、介電常數(shù)大于1.5的非導電介質(zhì)(空氣的介電常數(shù)為1.0)，也能夠保證足夠的反射波，介電常數(shù)越大，反射信號越強[7]。在實際應用中，幾乎所有的介質(zhì)都能反射足夠的反射波，而且測量范圍可達35m，分辨率可達1mm。

2) 供電和輸出信號通過1根兩芯線纜(回路電路)，采用4～20mA輸出或數(shù)字信號輸出。

3) 非接觸式測量，安裝方便，采用一體化設計，無可動部件，不存在機械磨損，使用壽命長；天線等關鍵部件采用高質(zhì)量的材料，抗腐蝕能力強，能適應腐蝕性很強的環(huán)境。

4) 幾乎能用于所有液體的液位測量。電磁波在液位表面反射時，信號會衰減。當信號衰減過小時，會導致雷達物位計無法測到足夠的電磁波信號。導電介質(zhì)能很好地反射電磁波，對VEGAPULS雷達物位計，甚至微導電的物質(zhì)也能夠反射足夠的電磁波[8]。

5) 既不受噪聲、蒸汽、粉塵、真空等工況影響，也不受介質(zhì)密度和溫度變化的影響，過程壓力可達4.0MPa。

6) 有頂部安裝、側(cè)面安裝、旁通管安裝、導波管安裝等方式。

7) 可選擇多種調(diào)試方式： 編程模塊調(diào)試(相當于一個分析處理儀表)、SOFT軟件調(diào)試、HART手持編程器調(diào)試。

8) 功能豐富，具有虛假波的學習功能。輸入液面的實際液位，軟件能自動地標識出液面到天線的虛假回波，排除這些波的干擾[9]。

2 安 裝

雷達物位計能否正確測量，依賴于反射波的信號。在氣固流化床反應器中，如果所選擇安裝的位置不當，硅粉顆粒床層不能將電磁波反射回雷達天線或在信號波的范圍內(nèi)有干擾物反射干擾波給雷達物位計，雷達物位計不能正確反映實際料位。因此，合理選擇安裝位置對硅粉料位測量十分重要，在安裝時應注意以下幾點：

1) 雷達物位計天線的軸線應與反應器內(nèi)硅粉料位的反射表面垂直。

2) 反應器含有加料口、排渣口，如果在雷達物位計的信號范圍內(nèi)產(chǎn)生干擾的反射波，就會影響液位測量。在安裝時要選擇合適的安裝位置，以避免加料口和排渣口的影響。

3) 喇叭型的雷達物位計的喇叭口要超過安裝孔的內(nèi)表面一定的距離(大于10mm)。棒式物位計的天線要伸出安裝孔，安裝孔的長度不能超過100mm。對于圓型或橢圓型的容器，應裝在離中心為1/2R(R為容器半徑)距離的位置，不可裝在圓型或橢圓型容器頂?shù)闹行奶帲駝t雷達波經(jīng)容器壁的多重反射后，匯集于容器頂?shù)闹行奶?，形成很強的干擾波，影響準確測量。

4) 為了檢修方便，雷達物位計應該安裝在易檢修的位置，且應該安裝2～3個，避免雷達物位計故障帶來的影響。

5) 位于室外的雷達物位計應加裝防曬防雨措施，以延長使用壽命。

安裝完畢以后，用裝有VEGA Visual Operating軟件的 PC機觀察反射波曲線圖，來判斷物位計安裝是否恰當，如不恰當，則進一步調(diào)整安裝位置，直到滿意為止。

對于有些安裝位置無法避免的干擾波，還可利用VEGAPULS 雷達物位計識別虛假波，該物位計能根據(jù)實際液位標識出干擾反射波，并存于雷達物位計的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，使雷達物位計在數(shù)據(jù)處理時能識別這些干擾波[10]，去除這些干擾反射波的影響。

因此，安裝時還應注意以下問題： 天線平行于反應器壁，利于微波的傳播；安裝位置距槽壁距離應大于30cm，以免將槽壁上的虛假信號誤做回波信號；盡量避開下料區(qū)、排渣區(qū)等干擾源，使波束范圍內(nèi)無固定物，提高信號的可信度；接管直徑應小于或等于屏蔽管長度。

3 雷達物位計的維護

雷達物位計主要由電子元件和天線構成，無可動部件，在使用中的故障極少。但在多晶硅廠中，氣固流化床反應器內(nèi)固體物料主要為硅粉和具有腐蝕性的HCl，SiHCl3，SiCl4，物位計主要會受到硅粉的磨損和HCl等介質(zhì)的腐蝕，在選型時必須選擇耐磨損和耐腐蝕的材質(zhì)。

在日常維護中，可以用 PC機(裝有VEGA Visual Operating軟件)遠程觀察反射波曲線圖，對于后來新產(chǎn)生的干擾波，可以利用物位計識別虛假波的功能，消除這些反射波的干擾，保證準確測量。

4 結(jié)束語

在多晶硅廠氣固流化床反應器中，采用性能良好、抗干擾能力強的雷達物位計實時測量流化床床層高度，可在極其苛刻的條件下對流化的物料進行精確的非接觸式測量，避免了反應器內(nèi)各種氣體和粉塵的干擾，物位計模塊內(nèi)嵌軟件程序，可對虛假測量值進行智能分析，輸出準確結(jié)果而且故障率低。國電寧夏太陽能有限公司2.5kt/a多晶硅裝置具有大型氣固流化床反應器3個，使用雷達物位計3年來基本未出現(xiàn)故障，使用效果良好。

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ApplicationofRadarLevelMeterinFluidizedBedReactor

Zhang Zhengguo1， Yang Jin1， Zhu Guihua1， Kang Huifen2，Min Yue2， Jiang Guoping1

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering， Northern University of Nationalities， Yinchuan， 750021， China； 2. School of Chemistry and Chemical Engineering， Ningxia University， Yinchuan， 750021， China)

The height of gas-solid fluidized bed reactor bed can’t be easily measured in polysilicon plant. The raw material is silicon powder， and the common material level meter would be abraded easily when fluidized. The product is mixture of chlorosilane which is strong corrosive. Aiming at the problem， the working principle， advantages and application field of radar level meter are evaluated， and considerations of installation for the radar level meter and maintenance methods are summarized. The application practice of radar level meters in gas-solid fluidized bed reactors shows the performance is good.

radar level meter； gas-solid fluidized bed； reactor； polysilicon

稿件收到日期： 2013-07-09。

國家民委重點實驗室資助項目(2010-SY14)；寧夏大學科學研究基金資助(NDZR10-42)。

張正國(1987—)，男，畢業(yè)于寧夏大學化學工程專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)任北方民族大學化學與化學工程學院實驗員，從事化工實驗室教學、管理工作。

TH816

A

1007-7324(2013)06-0061-03