氣固流化床中靜電檢測方法的研究進展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)

比較了應用于氣固流化床中的4種靜電檢測方法的優(yōu)缺點，指出為了獲取更為精確的檢測結果，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用于烯烴聚合、干燥及造粒等工業(yè)過程當中[1]。在流化床的運行過程中，流化顆粒與顆粒和流化顆粒與壁面之間不斷重復地碰撞摩擦，致使靜電荷在流化顆粒的表面產生并積累。過量的靜電荷積累將會導致聚團、粘壁等危害的發(fā)生，嚴重時甚至引起流化床非正常停車，引發(fā)重大經濟損失[2，3]。因此，對流化床內靜電的檢測和控制能夠有效提高裝置運行的穩(wěn)定性，具有重要的研究價值。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，這些物理參數通常包括電荷量、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的靜電水平；而靜電探頭法則通常是檢測流化床內的靜電勢或者靜電流。靜電探頭法又可根據檢測原理的不同分為接觸式靜電探頭和感應式靜電探頭。

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，從而獲得流化床內的靜電水平，因此法拉第筒法是流化床中最基礎、最常用的靜電檢測方法。然而，當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，將不得不通過某一手段將此位置的流化顆粒轉移至法拉第筒中。在這一轉移過程中，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，從而導致流化顆粒的二次荷電或者電荷耗散，影響最終檢測結果的準確性。因此，有研究者設計了特制的取樣裝置，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相同的夾具，他們認為這種與流化顆粒材質相同的夾具將會由于它與流化顆粒的功函數相同，從而減少顆粒取樣過程對最終檢測結果的影響，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，分別對流化一段時間后的床層主體顆粒和揚析顆粒的荷電量進行了檢測，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等直接將實驗過程中的流化床與法拉第筒結合，制造了一種如圖1所示的用于實驗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，該流化床的結構與法拉第筒一致，流化床的內外兩層由黃銅制得，內層既是流化區(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的整體帶電水平。但是也很明顯，該裝置僅限于實驗過程中，無法在實際工業(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顆粒的帶電量仍然存在著另一個較為明顯的問題。已有研究表明，流化床內的顆粒存在著雙極帶電的現象，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電荷分布。針對這一問題，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成，上層法拉第筒的下底開有圓孔，且一側安裝有一根空氣吹掃管。在一定的吹掃氣速下，當取樣顆粒由法拉第筒上部中心倒入，帶正電的小顆粒將會在吹掃氣的作用下向上層法拉第筒的壁面運動，而帶負電的大顆粒則進入下層法拉第筒，實現正負電荷的分離。

圖2 荷電顆粒轉移和電荷檢測裝置

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動，最終實現不同極性顆粒的分層分布[9]。但是這一方法的結果并不明顯，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成。Waitukaitis S R等在Zhao H等的基礎上進一步發(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。他們在荷電顆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以不同方向和不同的加速度運動?；谶@一特點，他們采用高速攝像機跟蹤顆粒運動軌跡，并通過加速度計算進一步獲得了每個單一顆粒的荷電量。但是很明顯，這種方法將受到攝像設備的局限，同時無法應用于高濃度的場合。

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]。在取樣顆粒進入法拉第筒之前，首先經過一個由兩塊傾斜電極板構成的直流電場，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往不同的極板運動，最終帶有正電的顆粒進入右邊的法拉第筒，而帶有負電的顆粒進入左邊的法拉第筒，實現了區(qū)分取樣顆粒中不同極性電荷的目的。

圖4 改進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有電荷運動，產生靜電勢或者靜電流信號。這一電荷運動既包含顆粒轉移至探頭的電荷，也包括荷電顆粒感應和顆粒與探頭直接摩擦產生的電荷，信號的種類由檢測回路的結構決定。因此，通過此種方式檢測得到的靜電流或者靜電勢信號并不能與流化床內顆粒的真實荷電量建立一一對應的定量關系，只能用于定性表征探頭所在區(qū)域靜電水平的相對大小。

接觸式靜電探頭可根據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]的結構如圖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在傳輸過程中耗散，同時避免探頭受到環(huán)境中其他電信號的干擾。在實際檢測過程中，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流化床中的流場產生干擾。因此，在工業(yè)生產過程中，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 球形靜電探頭結構

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壁面[16]，從而減小探頭對流場的干擾。但是有利必有弊，由于探頭需貼于床層內壁面，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 感應式靜電探頭

感應式靜電探頭是指利用靜電感應原理檢測流化床內靜電水平的檢測方法[17～19]。當荷電顆粒經過探頭檢測的敏感區(qū)時，將會在探頭處產生感應電荷，從而在檢測電路中產生感應靜電流或者感應靜電勢信號。

在采用有機玻璃制得的床層壁面絕緣的流化床進行實驗時，將接觸式靜電探頭貼附于床層外壁面即可獲得感應式靜電探頭，但該方法無法應用于工業(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式靜電探頭[20]，如圖6所示。理論上，感應式靜電探頭獲得的信號僅為感應靜電信號，相比于接觸式靜電探頭獲得的信號更為純粹，更易于從中解析獲得直接表征顆粒荷電水平的電荷量。但感應靜電信號的產生不僅受到顆粒荷電量的影響，同時還受到顆粒運動速度的影響，因此目前仍然沒有研究者通過解析感應靜電信號直接獲得流化顆粒的荷電量的報道。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某一位置的靜電水平。

圖6 感應式靜電采集系統(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電極構成，這兩個電極的材料可以是相同材料也可以是不同材料。當荷電顆粒先后與兩個檢測電極接觸，將會產生不同的靜電信號，對這兩個信號的異同進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測模型中含有由實驗體系決定的模型參數。為了獲得這一模型參數，需要在特定實驗體系下進行多次實驗。因此雖然該方法相比于已有方法具有較大的進步，但目前仍無法推廣應用。

圖7 雙材料探頭和探頭表面材質

5 結束語

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。法拉第筒法能夠直接獲得顆粒的荷電量，但對采樣顆粒進行預處理即使可以得到采樣顆粒的正負電荷分布，也無法絕對消除采樣過程對最終結果的影響，且過多的前處理過程也會加大最終的檢測誤差。接觸式和感應式靜電探頭的出現，雖解決了在線實時檢測的難題，但靜電探頭的使用一方面有可能對流場產生干擾，另一方面通過此方法檢測得到的僅為帶電水平的相對大小。因此，單一檢測方式或者單一探頭已無法滿足實驗和工業(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合，從而通過相關性計算和數據融合，獲得更為準確、更為多維的檢測結果。

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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-)，高級工程師，從事聚烯烴生產管理與產品開發(fā)工作，Zhouh.shsh@sinopec.com。

TQ573+.4

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1000-3932(2017)06-0523-05

2016-08-02,

2017-03-06)