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基于智能狀態檢測的超音速旋流凈化系統

項目成果/簡介:摘要超音速旋流凈化技術是濕煙氣經超音速分離器絕熱膨脹至超音速，降溫50-100℃后，其中夾帶的水蒸汽、SOx與溶解性鹽、凝膠粉塵、微塵等成分發生非均質凝結后予以分離的一種新型氣體凈化技術，脫除效率最高可達90%，能夠高效地實現煙氣脫白。該技術同時借助多傳感器融合方法智能診斷和動態測量流場數據，優化煙氣“脫白”過程，必要時輔以高壓微霧增強技術，強化分離凈化效果。相較于傳統的電磁法、煙氣加熱法、煙氣噴淋法等脫白工藝，獨創的基于智能狀態檢測與診斷控制的分離效率增強技術能實現煙氣的高效率穩定脫白。團隊創新成果與技術應用展示本項目團隊，近十幾年一直從事超音速旋流分離技術和多相流流場參數檢測與電學成像技術的研究，已分別構建了超音速分離裝置和電阻成像（ERT）、電容成像（ECT）及電磁（EMT）等多套系統。現有成熟技術已為國內多家單位，如上海交通大學、北京石油化工學院、北方工業大學、太原理工大學、西門子（北京）研究院等，提供了相應的電學成像系統。本項目中所采用的技術和提出的方法均為自主設計和開發，對于已研制超音速旋流分離技術和流場參數檢測系統中的一些關鍵技術已申請了專利，具有完全的知識產權。同時開發過程中使用的所有部件和器件沒有限制級產品，可避免不必要的知識產權爭端，以及國外技術壁壘的限制。獨創的基于智能狀態檢測的超音速旋流凈化系統利用靜電（Electrical Tomography，ES）傳感器和電學層析成像（Electrical Tomography，ET）傳感器，結合多源信息融合算法，實現管道內氣體的非侵入式流場參數測量和狀態診斷。系統將檢測到的信息進行處理和融合，分析超音速分離器內的流場情況和濕氣出口的成分變化，并建立異常狀態檢測與診斷方法，診斷系統狀態。可被廣泛應用于石油、化工、電力、冶金、建材、食品等工業，如煙氣脫白；石油工業中油／氣／水混輸過程；冶金、電力工業中各種氣力物料輸送過程；以及化工、醫藥、能源等領域中的干燥過程、混合過程、流態化過程、擴散過程、反應過程等普遍涉及多相流測量問題。相較于傳統的處理工藝，超音速旋流凈化技術中的設備可靠，工藝過程簡單，投資成本和維護成本很低。核心傳感器和技術包括靜電（Electrical Tomography，ES）傳感器、電學層析成像（Electrical Tomography，ET）傳感器和超音速旋流分離技術。靜電傳感器靜電傳感器具有結構簡單、靈敏度高，可以非侵入測量等特點，近幾十年來發展迅速，英國貿工部認為在煤粉的流速、濃度或質量流量測量手段中，靜電法是最有前途的方法之一。在檢測機理方面，目前靜電法氣固兩相流檢測可分為接觸電荷轉移法與靜電感應法兩條路線，對于應用最廣泛的內壁嵌裝電極式傳感器結構，本團隊發現轉移電荷和感應電荷經電荷放大電路后，不僅體現出不同的信號波形特征，而且從頻域來看，轉移電荷形成的信號在整體信號中也占有重要比重。以此為基礎，提出了一系列的感應電荷信息和轉移電荷信息的解耦方法，提高了顆粒流動參數測量精度。本團隊建立了帶式靜電感應實驗裝置與氣固兩相流計量實驗裝置。帶式靜電感應實驗裝置用來模擬帶靜電顆粒流動情況以及相關測速方法標定。氣固兩相流計量裝置為參數可調的氣力輸送系統，用于氣固兩相流研究以及顆粒質量流量計量標定。兩套裝置計量精度均經過了天津市計量監督檢測科學研究院的測試。圖1 靜電法技術成果展示電學層析成像傳感器電學層析成像技術類似醫學的CT技術，通過外圍測量，重構截面電學參數（電導率/磁導率/介電常數）分布信息。電學層析成像技術根據測量模態的不同，主要分為電容層析成像技術（Electrical Capacitance Tomography，簡稱ECT）、電阻層析成像技術（Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT）和電磁層析成像技術（Electromagnetic Tomography，簡稱EMT）。系統具備高速測量、多電極組合、多測量模態切換、可視化、高信噪比和可定制化等特點。本團隊針對重質劣質油的加工轉化的核心設備——三相流化床，轉化效率和產量還存在難以突破設計瓶頸的問題，在首次提出基于TMR的磁導率EMT方法的基礎上，結合ECT 和ERT 等多種模態的電學層析成像系統，設計了基于電/磁雙模層析成像的高固含率氣液固三相流態化實驗裝置，可實現高固含率條件下，氣液固三相的識別和分相分布參數的實時測量。圖2 電學層析成像技術成果展示圖3 ERT/ECT/EMT系統展示圖4 ECT對油氣潤滑系統中油膜厚度檢測超音速旋流分離技術超音速旋流分離技術是結合旋流分離技術和冷凝分離技術的多組分氣體冷凝分離法，具有工藝流程簡單、穩定性好、效率高、能耗低等特點，成為近二十年來非常有應用價值和商業前景的新分離技術。該技術集膨脹機、氣液分離器和壓縮機于一體，主要由旋流發生器、超音速噴嘴、分離段和擴壓管組成。其工作原理如下：經過前級處理后的含濕氣體導入到超音速分離器內，經過旋流發生器，產生加速度為106m/s2的旋轉流場；旋轉的氣體通過拉伐爾噴管時，會絕熱膨脹至超音速，同時降溫降壓，溫度最大可降低50-100℃，低溫的流場環境能夠使氣體中的水蒸氣開始凝結產生相變，出現小液滴；在旋轉流場中，凝結產生的小液滴不斷碰撞、聚并，在強離心力的作用下，被甩至壁面，并在氣體的帶動下，從濕氣出口排出；經過處理的干氣在管道中心流動，經過擴壓器內降速升壓，進行排放。本團隊首次采用Young經典成核理論和C-C相平衡方程推導獲得了水蒸汽自發凝結Wilson位置解析式，在此基礎上，提出了基于液滴成核和生長模型的非均質凝結模型和跨聲速濕空氣凝結SST湍流模型，揭示了跨音速兩相凝結現象“非穩態”不同振蕩模式的流動特性，獲得了使分離效率最大化的最優外界核心半徑，深入研究了超音速分離器的流場特性、處理效率和分離特性。圖5 超音速旋流分離器流場測量系統圖6 凝結液滴參數測量圖7 中國計量測試學會科學技術進步獎圖8 超音速分離器液相分布仿真預測針對煙氣的智能狀態檢測與診斷控制的超音速旋流凈化工藝濕法脫硫后的濕煙氣直接排放會產生“白色煙羽”，由于在脫硫過程中，脫硫漿液與高溫煙氣直接接觸，發生傳熱傳質；一方面水分蒸發，增加煙氣的含濕量；另一方面，煙氣溫度降低，煙氣攜帶水蒸汽的能力降低。煙氣達到飽和狀態后，會攜帶部分小液滴，這些攜帶小液滴的飽和濕煙氣經除霧器除去絕大部分液滴后，直接經煙囪排入大氣，由于環境溫度比煙氣溫度低，飽和濕煙氣中的水分就會凝結成小液滴形成“白色煙羽”。白煙中含有較多的溶解性鹽、SO3、凝膠粉塵和微塵等成分，會造成環境污染。針對上述問題，本團隊首創的基于智能檢測與診斷的超音速旋流凈化工藝解決了傳統煙氣脫白技術（如煙氣加熱方法、煙氣冷凝再加熱技術和電磁脫白技術等）成本高，工藝流程復雜，維護費勁的問題，具有設備可靠，工藝過程簡單，投資成本和維護成本很低的特點。該技術主要是利用超音速旋流分離器的增速降溫原理，將煙氣中的水蒸氣進行凝結并旋轉分離，通過引射器將液滴引至超音速分離器入口，輔以高壓微霧增強技術，強化脫白效果。在超音速分離器分離段和濕氣出口處安裝本團隊自主研發的多相流可視化及參數測量系統（靜電層析成像系統和電學層析成像系統），結合智能化成像算法和多元信息融合算法，對管道內煙氣的流場參數進行非侵入式智能測量。系統可根據測量結果，分析超音速旋流分離器內的流場情況和濕氣出口的成分變化，建立異常狀態檢測與診斷方法，診斷脫白系統的運行狀態，同時，指導引射器對液滴量引入的精確控制，進而實現高效穩定的煙氣脫白。圖9 針對白煙氣的智能檢測與診斷控制超音速旋流凈化工藝流程知識產權類型:發明專利知識產權編號:2018114554307，2020102445880，ZL2016106973850技術成熟度:已有樣品技術先進程度:達到國內先進水平成果獲得方式:獨立研究獲得政府支持情況:國家級計劃/專項類別:國家自然科學基金獲得經費:61.00萬元

天津大學 2021-04-11

基于智能狀態檢測的超音速旋流凈化系統

摘要超音速旋流凈化技術是濕煙氣經超音速分離器絕熱膨脹至超音速，降溫50-100℃后，其中夾帶的水蒸汽、SOx與溶解性鹽、凝膠粉塵、微塵等成分發生非均質凝結后予以分離的一種新型氣體凈化技術，脫除效率最高可達90%，能夠高效地實現煙氣脫白。該技術同時借助多傳感器融合方法智能診斷和動態測量流場數據，優化煙氣“脫白”過程，必要時輔以高壓微霧增強技術，強化分離凈化效果。相較于傳統的電磁法、煙氣加熱法、煙氣噴淋法等脫白工藝，獨創的基于智能狀態檢測與診斷控制的分離效率增強技術能實現煙氣的高效率穩定脫白。團隊創新成果與技術應用展示本項目團隊，近十幾年一直從事超音速旋流分離技術和多相流流場參數檢測與電學成像技術的研究，已分別構建了超音速分離裝置和電阻成像（ERT）、電容成像（ECT）及電磁（EMT）等多套系統。現有成熟技術已為國內多家單位，如上海交通大學、北京石油化工學院、北方工業大學、太原理工大學、西門子（北京）研究院等，提供了相應的電學成像系統。本項目中所采用的技術和提出的方法均為自主設計和開發，對于已研制超音速旋流分離技術和流場參數檢測系統中的一些關鍵技術已申請了專利，具有完全的知識產權。同時開發過程中使用的所有部件和器件沒有限制級產品，可避免不必要的知識產權爭端，以及國外技術壁壘的限制。獨創的基于智能狀態檢測的超音速旋流凈化系統利用靜電（Electrical Tomography，ES）傳感器和電學層析成像（Electrical Tomography，ET）傳感器，結合多源信息融合算法，實現管道內氣體的非侵入式流場參數測量和狀態診斷。系統將檢測到的信息進行處理和融合，分析超音速分離器內的流場情況和濕氣出口的成分變化，并建立異常狀態檢測與診斷方法，診斷系統狀態。可被廣泛應用于石油、化工、電力、冶金、建材、食品等工業，如煙氣脫白；石油工業中油／氣／水混輸過程；冶金、電力工業中各種氣力物料輸送過程；以及化工、醫藥、能源等領域中的干燥過程、混合過程、流態化過程、擴散過程、反應過程等普遍涉及多相流測量問題。相較于傳統的處理工藝，超音速旋流凈化技術中的設備可靠，工藝過程簡單，投資成本和維護成本很低。核心傳感器和技術包括靜電（Electrical Tomography，ES）傳感器、電學層析成像（Electrical Tomography，ET）傳感器和超音速旋流分離技術。靜電傳感器靜電傳感器具有結構簡單、靈敏度高，可以非侵入測量等特點，近幾十年來發展迅速，英國貿工部認為在煤粉的流速、濃度或質量流量測量手段中，靜電法是最有前途的方法之一。在檢測機理方面，目前靜電法氣固兩相流檢測可分為接觸電荷轉移法與靜電感應法兩條路線，對于應用最廣泛的內壁嵌裝電極式傳感器結構，本團隊發現轉移電荷和感應電荷經電荷放大電路后，不僅體現出不同的信號波形特征，而且從頻域來看，轉移電荷形成的信號在整體信號中也占有重要比重。以此為基礎，提出了一系列的感應電荷信息和轉移電荷信息的解耦方法，提高了顆粒流動參數測量精度。本團隊建立了帶式靜電感應實驗裝置與氣固兩相流計量實驗裝置。帶式靜電感應實驗裝置用來模擬帶靜電顆粒流動情況以及相關測速方法標定。氣固兩相流計量裝置為參數可調的氣力輸送系統，用于氣固兩相流研究以及顆粒質量流量計量標定。兩套裝置計量精度均經過了天津市計量監督檢測科學研究院的測試。圖1 靜電法技術成果展示電學層析成像傳感器電學層析成像技術類似醫學的CT技術，通過外圍測量，重構截面電學參數（電導率/磁導率/介電常數）分布信息。電學層析成像技術根據測量模態的不同，主要分為電容層析成像技術（Electrical Capacitance Tomography，簡稱ECT）、電阻層析成像技術（Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT）和電磁層析成像技術（Electromagnetic Tomography，簡稱EMT）。系統具備高速測量、多電極組合、多測量模態切換、可視化、高信噪比和可定制化等特點。本團隊針對重質劣質油的加工轉化的核心設備——三相流化床，轉化效率和產量還存在難以突破設計瓶頸的問題，在首次提出基于TMR的磁導率EMT方法的基礎上，結合ECT 和ERT 等多種模態的電學層析成像系統，設計了基于電/磁雙模層析成像的高固含率氣液固三相流態化實驗裝置，可實現高固含率條件下，氣液固三相的識別和分相分布參數的實時測量。圖2 電學層析成像技術成果展示圖3 ERT/ECT/EMT系統展示圖4 ECT對油氣潤滑系統中油膜厚度檢測超音速旋流分離技術超音速旋流分離技術是結合旋流分離技術和冷凝分離技術的多組分氣體冷凝分離法，具有工藝流程簡單、穩定性好、效率高、能耗低等特點，成為近二十年來非常有應用價值和商業前景的新分離技術。該技術集膨脹機、氣液分離器和壓縮機于一體，主要由旋流發生器、超音速噴嘴、分離段和擴壓管組成。其工作原理如下：經過前級處理后的含濕氣體導入到超音速分離器內，經過旋流發生器，產生加速度為106m/s2的旋轉流場；旋轉的氣體通過拉伐爾噴管時，會絕熱膨脹至超音速，同時降溫降壓，溫度最大可降低50-100℃，低溫的流場環境能夠使氣體中的水蒸氣開始凝結產生相變，出現小液滴；在旋轉流場中，凝結產生的小液滴不斷碰撞、聚并，在強離心力的作用下，被甩至壁面，并在氣體的帶動下，從濕氣出口排出；經過處理的干氣在管道中心流動，經過擴壓器內降速升壓，進行排放。本團隊首次采用Young經典成核理論和C-C相平衡方程推導獲得了水蒸汽自發凝結Wilson位置解析式，在此基礎上，提出了基于液滴成核和生長模型的非均質凝結模型和跨聲速濕空氣凝結SST湍流模型，揭示了跨音速兩相凝結現象“非穩態”不同振蕩模式的流動特性，獲得了使分離效率最大化的最優外界核心半徑，深入研究了超音速分離器的流場特性、處理效率和分離特性。圖5 超音速旋流分離器流場測量系統圖6 凝結液滴參數測量圖7 中國計量測試學會科學技術進步獎圖8 超音速分離器液相分布仿真預測針對煙氣的智能狀態檢測與診斷控制的超音速旋流凈化工藝濕法脫硫后的濕煙氣直接排放會產生“白色煙羽”，由于在脫硫過程中，脫硫漿液與高溫煙氣直接接觸，發生傳熱傳質；一方面水分蒸發，增加煙氣的含濕量；另一方面，煙氣溫度降低，煙氣攜帶水蒸汽的能力降低。煙氣達到飽和狀態后，會攜帶部分小液滴，這些攜帶小液滴的飽和濕煙氣經除霧器除去絕大部分液滴后，直接經煙囪排入大氣，由于環境溫度比煙氣溫度低，飽和濕煙氣中的水分就會凝結成小液滴形成“白色煙羽”。白煙中含有較多的溶解性鹽、SO3、凝膠粉塵和微塵等成分，會造成環境污染。針對上述問題，本團隊首創的基于智能檢測與診斷的超音速旋流凈化工藝解決了傳統煙氣脫白技術（如煙氣加熱方法、煙氣冷凝再加熱技術和電磁脫白技術等）成本高，工藝流程復雜，維護費勁的問題，具有設備可靠，工藝過程簡單，投資成本和維護成本很低的特點。該技術主要是利用超音速旋流分離器的增速降溫原理，將煙氣中的水蒸氣進行凝結并旋轉分離，通過引射器將液滴引至超音速分離器入口，輔以高壓微霧增強技術，強化脫白效果。在超音速分離器分離段和濕氣出口處安裝本團隊自主研發的多相流可視化及參數測量系統（靜電層析成像系統和電學層析成像系統），結合智能化成像算法和多元信息融合算法，對管道內煙氣的流場參數進行非侵入式智能測量。系統可根據測量結果，分析超音速旋流分離器內的流場情況和濕氣出口的成分變化，建立異常狀態檢測與診斷方法，診斷脫白系統的運行狀態，同時，指導引射器對液滴量引入的精確控制，進而實現高效穩定的煙氣脫白。圖9 針對白煙氣的智能檢測與診斷控制超音速旋流凈化工藝流程

天津大學 2021-05-12

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