朱曉明

摘要：顆粒細(xì)度測量有廣泛的應(yīng)用前景，在生產(chǎn)應(yīng)用中，顆粒細(xì)度的測量對評估生產(chǎn)治理效果起很大作用，前人在顆粒細(xì)度測量方面做了很多研究，也取得了很多理論成果，同時也推出了一些實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品。本文綜合列舉了多種煤粉細(xì)度在線測量方法，對其利弊作出綜合性分析，并對其可行性進(jìn)行了相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：細(xì)度 超聲法 圖像法

1 概述

在石油、冶金、化工、電力等諸多工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，氣固兩相流固相參數(shù)在線實(shí)時測量對生產(chǎn)過程的計算、控制和可靠運(yùn)行均有重要意義。當(dāng)前電廠的煤粉細(xì)（粒）度測量基本上是采用取樣法，用等速取樣管從煤粉管道中取出煤粉樣品后在實(shí)驗(yàn)室用篩分法等得到煤粉的粒度。這種測量方法耗時長，實(shí)際上不能實(shí)現(xiàn)通過隨時控制磨煤機(jī)及煤粉分離裝置的運(yùn)行來獲得最佳煤粉粒度以利于燃燒。而煤粉細(xì)度的在線測量目前報道較少，限制煤粉細(xì)度在線測量技術(shù)發(fā)展的主要難點(diǎn)有：①兩相流的流動情況比較復(fù)雜，存在難以控制的各種流型，在流動過程中，不同粒度的組分在流體混合物中的空間分布不均勻，而且分布隨時間變化，因此很難找到其流動規(guī)律，無法采用數(shù)學(xué)建模，致使粒度的在線測量成為難題。②煤粉本身的物理特性（水量、組成成分等） 的改變也會影響傳感器的輸出信號，也給粒度的檢測帶來很大困難。③煤粉的高速沖刷作用使得基于接觸式測量方法的插入式傳感器的應(yīng)用受到限制。④現(xiàn)場的惡劣環(huán)境和濃相輸送時的不透光性使光學(xué)方法受到一定限制。因此在線工業(yè)用煤粉細(xì)度或粒徑分布測量裝置的研究多年來進(jìn)展緩慢。

2 細(xì)度測量方法綜述

以下測量方法的物理基礎(chǔ)不同，同一樣品用不同的測量方法得到的粒徑的物理意義甚至粒徑大小也不同。此外，不同的顆粒粒度測量方法的適用范圍也不同。對于每種測量技術(shù)都有其最佳適應(yīng)情況，但又有一定局限性。下面分別對上述方法進(jìn)行介紹分析：

2.1 篩分法和沉降法。篩分法是利用篩孔大小不同的一系列篩子對物料篩分，可使物料篩出若干個粒級，n層篩子可將物料分成（n+1）個粒級，從而獲得樣品的粒度分布。篩分分析法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，造價較低，易于操作，應(yīng)用普遍。缺點(diǎn)是操作較麻煩、測量結(jié)果容易受環(huán)境溫度、操作手法等因素影響。沉降法主要以郎白——比爾定律和斯托克斯公式為依據(jù)設(shè)計的儀器，其原理是顆粒懸浮于液體介質(zhì)中，受重力作用逐漸沉淀（沉淀時間與粒徑大小的平方成反比）從而引起光密度的變化，由此計算出粒徑的大小分布。

2.2 激光衍射散射法。激光衍射散射理論主要有：夫朗和費(fèi)（Fraunhofer）衍射理論、菲涅耳（Fresnel）衍射理論、米（Mie）散射理論和瑞利（Royleigh）散射理論等。光衍射散射的優(yōu)點(diǎn)是動態(tài)范圍大、測量速度快、重復(fù)性較好和操作方便，但分辨率較低，不宜測量粒度分布范圍較窄的樣品。

2.3 超聲波法。超聲波在顆粒兩相介質(zhì)傳遞過程的衰減譜含有顆粒的粒度大小和濃度信息。超聲波具有穿透力強(qiáng)，頻帶寬，非接觸的特性。

2.4 電感應(yīng)法、靜電法、電容法。電感應(yīng)法，又稱庫爾特電阻式粒度分析法（簡稱庫爾特法）。其工作原理相對比較簡單：顆粒時電極間電阻的改變與顆粒截面積存在比例關(guān)系，將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電壓幅值輸出即可測量出粒徑大小。靜電法是通過測量管道中氣粒兩相流流動時產(chǎn)生的靜電電荷，經(jīng)過有效的信號處理通過標(biāo)定實(shí)施固相粒度的在線測量。而電容法是以氣粒兩相流作為電容介質(zhì)，然后從電容信息中提取固相的粒度信息。靜電法、電容法易受現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，且與粒徑和粒徑分布之間的函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，不夠明晰，目前仍處于深入研究中。

2.5 顆粒色譜法和質(zhì)譜法。顆粒色譜法是使在管道中懸浮液的顆粒，沿管壁按粒徑大小分離，形成一條所謂的顆粒色譜。顆粒束質(zhì)譜儀主要用于測量氣溶膠中微小顆粒的粒度。

2.6 顯微鏡和數(shù)字圖像處理法。此法是利用顯微鏡觀察細(xì)微顆粒的大小和形狀，適用于0.1-50μm的物料，可檢查分選產(chǎn)品或校正水力沉降分析結(jié)果，也可研究礦石的結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是直觀。

3 可行的測量方案分析

對于電站煤粉細(xì)度在線測量而言，必須解決好以下問題才有可能真正解決好細(xì)度測量的問題：①典型的氣粒兩相流，在流動過程中，煤粉在氣粒混合物中的空間分布是不均勻的，而且分布隨時間變化，很難找到其流動規(guī)律。②煤粉本身的物理特性（水量、組成成分等）的改變也會影響傳感器的輸出信號，也給粒度的檢測帶來很大困難。③煤粉的高速沖刷作用使得基于接觸式測量方法的插入式傳感器的應(yīng)用受到限制。④現(xiàn)場的惡劣環(huán)境和濃相輸送時的不透光性使得光學(xué)方法受到一定的限制。⑤現(xiàn)場的環(huán)境惡劣、氣?；旌衔锏臏囟容^高，必須滿足長期在線測量的要求。

綜上所述，基于不需要在線取樣，安裝使用條件不是很苛刻，成本相對較低等方面的因素，推薦使用超聲波法、顯微鏡和數(shù)字圖像處理法。下面分別對這兩種方法進(jìn)行較詳細(xì)的描述。

4 基于超聲波的電站煤粉細(xì)度在線測量技術(shù)

超聲法是通過測量兩相體系中隨頻率變化的聲衰減和聲速，并通過反演計算與數(shù)學(xué)模型的預(yù)測結(jié)果相比較以獲得顆粒相的粒度和濃度。在這一過程中，如何通過數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確，快速地預(yù)測兩相體系中的衰減和相速度尤為重要。為研究兩相介質(zhì)中的聲學(xué)特性，先后有一些數(shù)學(xué)模型被發(fā)展。1953年Epstein在他的論文中提出了一個不僅考慮了液體介質(zhì)的粘性和固體的彈性效應(yīng)，同時還考慮到熱傳導(dǎo)影響的數(shù)學(xué)模型。Epstein和Carhart還通過一個詳細(xì)的理論解推導(dǎo)出熱損失對聲衰減的影響。在此基礎(chǔ)上，Allegra和Hawley發(fā)展了該模型，使其適用于懸濁液。所以這一模型被稱為ECAH模型（或AN模型）。

4.1 理論模型。該模型的建立，首先要獲取壓縮波、剪切波、熱波在彈性、各向同性、導(dǎo)熱的固體介質(zhì)及連續(xù)相介質(zhì)中的波動方程，這可以通過守恒定律、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及熱力學(xué)狀態(tài)方程得到。波動方程在球坐標(biāo)下求解，按照球Bessel函數(shù)和球諧函數(shù)的級數(shù)展開，其中包含了特定系數(shù)。在顆粒表面運(yùn)用邊界條件求解，可以得到一個6階的線性方程組。求解這一方程組即可得到與衰減和相速度有關(guān)的系數(shù)值。

4.1.1 波動方程。從線性化守恒律，熱力學(xué)方程和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系出發(fā)，可以寫出壓縮波，熱波，粘性波波動方程，分別為：

其中kc，kT，ks為波數(shù)。對于連續(xù)介質(zhì)相和彌散顆粒相，上述波動方程均適用。但對連續(xù)介質(zhì)，波數(shù)ks中μ由-i？棕ηs取代。

4.1.2 波的模式轉(zhuǎn)變

當(dāng)平面壓縮波入射到一個半徑為R的球形顆粒，球體的存在將會反射一個壓縮波，在球內(nèi)也產(chǎn)生一個壓縮波。同樣，在球內(nèi)外也分別會有熱波和剪切波產(chǎn)生（如圖1所示）。對方程求解，即可得到顆粒兩相介質(zhì)中的復(fù)波數(shù)：

此處β=？棕/c（？棕）+jαs（？棕），為懸濁液中的復(fù)波數(shù)，？準(zhǔn)為懸浮顆粒的體積濃度。αs和c分別為兩相介質(zhì)的等效衰減系數(shù)和聲速。

4.2 測量方案的確定。上述理論模型表明超聲波在氣粒兩相流中傳播時，其振幅衰減系數(shù)和聲速與聲波的頻率、顆粒相濃度、顆粒本身的大小緊密相關(guān)。研究結(jié)果表明：隨著聲波頻率的增加，各種兩相介質(zhì)中聲衰減均相應(yīng)的增大，在一定頻率范圍內(nèi)，聲衰減和頻率的關(guān)系近似線性變化。這個頻率范圍大小視具體兩相介質(zhì)而定。聲速在一定頻率范圍內(nèi)隨著頻率的增加而增大，這種遞增隨著頻率增大而趨緩，并在達(dá)到某一頻率后出現(xiàn)遞減關(guān)系。也就是說，可以通過選擇適合聲波頻率范圍，認(rèn)為在該波段范圍內(nèi)聲速基本保持穩(wěn)定，不隨頻率發(fā)生變化，而聲衰減和頻率呈線性變化。（10-100KHz的范圍內(nèi)聲速隨頻率增加變化的幅度小于5%。）顆粒相的濃度影響到振幅衰減系數(shù)和聲速，顆粒相的粒徑影響到振幅衰減系數(shù)，也就是說振幅衰減系數(shù)是超聲波頻率，顆粒相濃度和顆粒相粒徑的函數(shù)；聲速是顆粒相濃度的函數(shù)。如果通過其他路徑求解出聲速，那振幅衰減系數(shù)將是顆粒相粒徑的函數(shù)，通過式（2）就可以計算出顆粒相的當(dāng)量直徑。

具體測量方案如圖2所示：

選擇合適頻率的超聲波探頭相對安置，測量超聲波經(jīng)過煤粉后的衰減系數(shù)，在已知煤粉濃度的情況下代入式（2）即可得到顆粒相的當(dāng)量直徑，或者說煤粉的細(xì)度。

5 基于圖像處理的電站煤粉細(xì)度在線測量技術(shù)

如圖3所示，通過一強(qiáng)光源（可選取大功率LED光源）打在煤粉管道中形成一光面，然后通過配有顯微鏡頭的高速相機(jī)拍攝粒子圖像，最后通過圖像處理軟件統(tǒng)計分析得到粒徑分布。

6 結(jié)束語

以上兩種方案的詳細(xì)對比如下表1所示。

煤粉細(xì)度的在線測量是當(dāng)今兩相流檢測技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，作者所述的煤粉細(xì)度檢測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。相比而言，超聲法和圖像法屬于非接觸式測量，具有易于安裝，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適合于工業(yè)上實(shí)時應(yīng)用，兩者的對比如表1所示，在我國工業(yè)現(xiàn)有的條件下，作者認(rèn)為超聲法是最值得優(yōu)先考慮的方法之一，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣曉光，陳若梅，李衛(wèi)剛，林忠，周川.光透沉降法測定冶金用氧化鋁粒度分布的研究.檢驗(yàn)檢疫科，2005（12）：12-15.

[2]藺雷亭，魏德軍.不同光學(xué)模型對顆粒測量結(jié)果的影響.遼寧化工，2006，35（4）：242-244.

[3]周雯，曹文熙，孫兆.基于shifrin變換反演粒度分布的理論分析.光散射學(xué)報，2007，19（4）：236-241.

[4]何桂春，毛益平，倪文.超聲波技術(shù)在選礦中的應(yīng)用.金屬礦山，2003，12：40-43，63.

[5]王慶偉，黃海.吉林化工學(xué)院學(xué)報，2004，24（3）：37-38.

[6]王慶偉，張進(jìn)明.吉林化工學(xué)院學(xué)報，2005，22（4）：28-39.

[7]趙建廉，朱炳辰.華東化工學(xué)院學(xué)報，1989，1：48-55.

[8]王衛(wèi)東，徐志強(qiáng)，王振鐘.基于ARMUC OS-II的超聲波水煤漿粒度檢測儀的設(shè)計[J].工礦自動化，2008，1：41-43.

[9]Harker A H，Temple J a G.Velocity and attenuation of ultrasound in suspensions of particles in fluids[J].J Phys D： Appl Phys，1988，21：1576～1588.

[10]DEMETRIADES K，McCLEMENTS D J.Ultrasonic atte-nuation spectroscopy study of flocculation in protein stabilized emulsions[J].Colloid sand Surfaces，1999，150：45-54.

[11]薛明華，蘇明旭，蔡小舒.寬頻超聲衰減法測量泥沙粒徑分布[J].中國粉體技術(shù)，2009，15（1）：4-7，12.

[12]鄭剛，蔡小舒，王乃寧.Mie散射的數(shù)值計算[J].應(yīng)用激光， 1992，12（5）：220-222.

[13]Austin J C，Holmes A K，Tebbutt J S et al.Ultrasonic wave propagation in colloid suspensions and emulsions： recent experimental results[J].Ultrasonics，1996，34：369-374.

[14]張勛，許文海，董麗麗，唐文彥.多分散顆粒懸濁液聲傳播衰減模型研究[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2009，28（2）：186-189.

[15]KY TOEMAA H K.Theory of sound propagation in suspensions：aguide to particle size and concentration characterization[J].Powder Technology，1995，82：115-121.

[16]蘇明旭，蔡小舒.超細(xì)顆粒懸濁液中聲衰減和聲速的數(shù)值模擬——4種模型的比較[J].2004，24（1）：21-25，30.

[17]Riebel U，Kiüuter U.Ultrasonic extinction and velocity in dense suspensions.Workshop on ultrasonic & dielectric characterization techniques forsuspended particulates，1997：4-6.

[18]封光寅，章厚玉，張孝軍等.泥沙群體顆粒平均粒徑及平均沉速計算方法的修正[J].南水北調(diào)與水利科技，2003，1（6）：36-38.

[19]蘇明旭.顆粒兩相介質(zhì)中顆粒粒徑及濃度的超聲測量理論研究.上海理工大學(xué)，2002.