催化劑激光顆粒分析系統(tǒng)

發(fā)布時間：2007-3-2發(fā)布者：北京王曉娟李宏李心義黃元忠摘要：介紹了催化劑激光在線監(jiān)測分析系統(tǒng)的研制，并對系統(tǒng)原理進行了分析，對設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進行了論述。關(guān)鍵詞：催化劑激光光散射顆粒粒度濃度信號處理計算機煙氣輪機是催化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，煙氣輪機是否正常運轉(zhuǎn)直接關(guān)系到催化裝置的能耗、效率和效益而煙氣輪機的運行壽命與高溫煙氣中所含催化劑的粒度和濃度有直接關(guān)系，監(jiān)測煙氣管道中催化劑的粒度和濃度，對保證煙氣輪機的正常運轉(zhuǎn)將起到重大作用。目前，國內(nèi)外的監(jiān)測手段有離線和在線兩種。離線監(jiān)測就是現(xiàn)場動態(tài)多點采樣，然后在分析儀上進行分析。由于其采樣環(huán)境溫度高、采樣時間長，不能適應現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的要求。我們研制的催化劑顆粒激光在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用激光技術(shù)和計算機技術(shù)實時在線測出煙氣管道中催化劑顆粒的濃度和粒度分布，同時在線記錄催化劑系統(tǒng)顆粒濃度的變化趨勢，并提供報警服務(wù)，為全面及時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)提供科學依據(jù)。1系統(tǒng)測量原理任何物質(zhì)分得很細時就會呈現(xiàn)出明顯的光學特性，即微小顆粒的散射現(xiàn)象。梅氏(Mie)在本世紀初曾從電磁理論出發(fā)，導出了由球形無吸收粒子對平面單色光散射的嚴格表達式。梅氏理論對于給定折射率的單一散射粒子的處理，是以散射光與入射光波長相同，并假定粒子間相互獨立為前提的。獨立性要求a)球體之間的距離至少在3倍半徑以上；b)由單個粒子所散射的強度具有可加性;C）假定粒子僅受原光束輻射，即沒有多次散射發(fā)生，因此總散射率應與粒子數(shù)成正比。煙氣管道中的催化劑顆粒場，完全符合梅氏散射理論的條件。早期人們用衰減法來測量非均勻分布顆粒場中顆粒的濃度和粒度大小，即首先用雙波長測出顆粒場的濃度，然后在假設(shè)了粒子分布的前提下,再測量并計算出粒子的平均直徑。這顯然不能準確地測量。在梅氏理論的基礎(chǔ)上，人們又設(shè)想通過散射光來監(jiān)測顆粒或顆粒場，仍然不能同時對非均勻分布顆粒場中的體積濃度和大小分布進行監(jiān)測。我們的設(shè)計思想是將散射和衰減同時考慮，通過適當標定和設(shè)計激光發(fā)射功率信號、接收光功率信號和散射光功率信號的增益，由微機采集透射光能信號和散射光能信號，計算出催化劑顆粒場的體積濃度；再將發(fā)射光能信號、接收光能信號、濃度值和實際工況（煙氣流量和煙氣管道直徑）送入計算機，通過軟件根據(jù)實際工況對濃度作適當修正，同時計算出平均顆粒直徑大小，并在分析得出的分布模型上，估計出催化劑顆粒直徑分布的直方圖。2系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由發(fā)射和接收系統(tǒng)；信號處理系統(tǒng)；計算機控制中心系統(tǒng)；吹掃系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。址如盤2 厲氣人;」親牝冀2圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖2.1發(fā)射和接收系統(tǒng)（見圖2）疋9疋9熾圖2發(fā)射器和接收器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，發(fā)射激光管和接收激光管對稱安裝在煙道兩側(cè)，系統(tǒng)的計算機控制中心供給發(fā)射器和接收器低壓直流電源信號及散射功率和參考信號。由發(fā)射器發(fā)出的激光束沿管道徑向橫穿煙氣管道進入接收系統(tǒng)；接收器檢測透射光能，收集并檢測某一環(huán)帶孔徑內(nèi)的散射光能。由于電子系統(tǒng)不能直接對光學量進行處理，因此所有的光學信號須經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換。這部分工作由光電探測器、斬光器完成。2.1.1光電探測器根據(jù)總體要求，進行發(fā)射光功率探測時，為減少光能損失，只能用光學方法分出很小一部分光來進行，而散射光信號則更弱。為能使用同一種探測器檢測發(fā)射光功率和散射光功率，我們研制了一種特別的光電探測器。其性能如圖3和圖4所示?！鰓E !■wE !-*-rooonV盞芒直云菽?童fl.ID.6 G很 l.C圖3光譜響應曲線

咚FW諾誓靈咚FW諾誓靈圖4Voc和良與受光面積關(guān)系曲線oV/2.1.2斬光器的研制斬光器是一種將連續(xù)光變成脈沖光的器件，可以將直流光電信號調(diào)制成交流信號，可消除光電探測器的暗電流和放大器的直流漂移對信號的影響，也便于信號長距離傳輸時的信號隔離和抗干擾。斬光的方式我們選擇了電磁共振式，其頻率為400Hz。2.2信號處理系統(tǒng)（見圖5）圖5信號處理系統(tǒng)方框圖圖5信號處理系統(tǒng)方框圖圖中L,T，S，R見圖2所示信號處理系統(tǒng)主要處理來自接收系統(tǒng)的透射光能信號和散射光能信號。光點打在位敏器（即在1個硅片上沿X,y軸線分割成4個象限面積相同的器件）上后，經(jīng)電路的數(shù)學處理，就可以判別光束打在哪個象限。處理器共處理X,-X,Y,-Y，散射光信號和激光光能信號6路電信號。信號處理后，各路信號除了用作狀態(tài)顯示外，還要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，傳送到計算機控制中心，并由控制系統(tǒng)輸出必要的信息。其中模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，需要考慮在線監(jiān)測的速率和精度。本系統(tǒng)采用ACD1140專用16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。2.3計算機控制中心系統(tǒng)計算機控制中心系統(tǒng)包括計算機主機、顯示器、鍵盤、打印機、記錄儀、報警儀、顯示儀表、控制電路。其工作程序框圖如圖6所示。!遊找丁怖!遊找丁怖圖6計算機控制中心工作程序框圖2.4吹掃系統(tǒng)為防止高溫煙氣腐蝕激光管和石英玻璃窗在熱態(tài)工作環(huán)境下表面被催化劑顆粒污染粘糊，以及防爆的要求，特設(shè)計了吹掃系統(tǒng)。吹掃系統(tǒng)一方面保證發(fā)射和接收系統(tǒng)電子組件的工作溫度，使發(fā)射、接收子系統(tǒng)內(nèi)形成空氣正壓，以隔離高溫環(huán)境的影響，另一方面保證石英玻璃窗不被催化劑顆粒粘糊。吹掃風采用凈化的壓縮空氣。3結(jié)論1）本系統(tǒng)是目前國內(nèi)研制成功的最先進的催化劑激光在線監(jiān)測分析系統(tǒng)，已在眾多煉油廠得到應用，準確有效地實現(xiàn)了煙氣管道中催化劑顆粒濃度、粒度分布和變化趨勢的實時在線監(jiān)測，為我國煉油廠催化裝置關(guān)鍵設(shè)備安全、穩(wěn)定、長周期的運行提供了現(xiàn)代化監(jiān)測手段。2）本系統(tǒng)還可應用在下列場合。a） 催化裝置風機排出口，監(jiān)測催化劑從再生器返流的信息并提供報警服務(wù)；b） 廢熱鍋爐或除塵器的出、入口，監(jiān)測顆粒負荷狀況；c） 反應器出口，監(jiān)測、計算旋風分離器的工作性能和催化劑損失情況；d） 大氣環(huán)境中粉塵顆粒濃度的測量。*本項目獲1994年度國家級新產(chǎn)品獎和1995年聯(lián)合國技術(shù)信息促進系統(tǒng)“發(fā)明創(chuàng)新科技之星獎”。作者簡介：王曉娟女，副教授，1963年生，