張朋剛，董 輝

(東北大學(xué) 國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819)

散料層的空隙率檢測(cè)方法

張朋剛，董 輝

(東北大學(xué) 國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819)

燒結(jié)料層的分布不僅是典型的固定床，實(shí)際上也是非均勻顆粒的散料床式分布，但它類(lèi)似于填充床反應(yīng)器，所以對(duì)填充床的空隙率研究對(duì)燒結(jié)料層空隙率的分布有重要意義.填充床中料層空隙率分布關(guān)系到整個(gè)料層氣體流動(dòng)規(guī)律和氣固傳熱傳質(zhì)特性.近年來(lái)，隨著核磁共振成像技術(shù)、高速攝像技術(shù)、電容層析成像技術(shù)、計(jì)算算法的更新及計(jì)算機(jī)運(yùn)算和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，空隙率的檢測(cè)手段越來(lái)越多樣化，并且相對(duì)以往的檢測(cè)方法更加可靠、準(zhǔn)確.本文通過(guò)對(duì)填充床空隙率的分析研究，提出了一種適合檢測(cè)燒結(jié)料層空隙率的方法.

散料床;空隙率;燒結(jié)礦;檢測(cè)

空隙率是指在顆粒物料層中，顆粒與顆粒之間的空隙體積與整個(gè)顆粒物料層體積的比率.從數(shù)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，由于一般顆粒的大小尺寸不同、填充方式各異，所以很難進(jìn)行一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的定性描述.而在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用方面，空隙率又受到各種因素(如氣流速度、壁面效應(yīng)、顆粒大小、顆粒的堆積方式等等)的綜合影響而呈現(xiàn)出不同的分布狀態(tài).因此，對(duì)于填充床中空隙率的檢測(cè)是一項(xiàng)十分重要的工作，目前對(duì)填充床的空隙率檢測(cè)研究從大方向可以分為光電測(cè)量和圖像分析檢測(cè)兩大類(lèi).

1 空隙率分布的理論研究概述

Govindarao(1988)［1］在同心等厚度的圓柱散料床層中對(duì)隨機(jī)填充的粒徑均勻的顆?？障堵蔬M(jìn)行了分析研究，并且預(yù)測(cè)了在兩倍的長(zhǎng)寬比范圍內(nèi)的空隙率的變化規(guī)律.E.A.Foumeny and F. Benyahia［2］研究了圓柱形顆粒填充的散料層的廣義平均空隙率，并用幾何的方法將研究結(jié)果應(yīng)用到了空心顆粒填充的散料層中.與此同時(shí)，E.A. Foumeny等人［3］研究了單一非多孔球形散料顆粒對(duì)于床層空隙率的影響.在E.A.Foumeny的另一篇文章［4］，介紹了他們?cè)趫A柱形顆粒散料層中建立了一個(gè)空隙率和床徑比相關(guān)的關(guān)聯(lián)模型，并且在模型的基礎(chǔ)上找出了一種預(yù)測(cè)散料層空隙率的方法.A.C.Hoffmann和H.J.Finkers［5］在松散的散料層中建立起了一個(gè)空隙率隨著床層高度和直徑變化的關(guān)聯(lián)式，以此來(lái)分析空隙率的分布方式.Song［6］建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)此數(shù)學(xué)模型和一組數(shù)學(xué)公式來(lái)計(jì)算空隙率的變化關(guān)系，他們引進(jìn)了兩種假設(shè)，率先在模型中使用系統(tǒng)誤差概念，使堆積密度的散料層平均空隙率低于實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)值.國(guó)內(nèi)對(duì)于散料層空隙率的研究較少，主要集中在流化床的研究中.羅方荃曾經(jīng)在2000年對(duì)散料層空隙率的研究做過(guò)綜述，簡(jiǎn)述了國(guó)外空隙率研究的實(shí)驗(yàn)和方法，而對(duì)于本世紀(jì)的研究成果，國(guó)內(nèi)尚處在比較初步的階段.

2 光電檢測(cè)手段在空隙率研究中的應(yīng)用

空隙率分布的光學(xué)和電容測(cè)試方法主要是利用光學(xué)技術(shù)、光纖探頭及電容等裝置，針對(duì)床層的不同截面、不同位置的空隙率進(jìn)行檢測(cè)，以獲得空隙率分布的一些分布圖和曲線.

2.1 空隙率的光學(xué)檢測(cè)法

早在1977年，J.M.Buchlin等人［7］就提出了一種熒光法測(cè)量隨機(jī)填充床的局部空隙率.這是一種比較原始的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，即在隨機(jī)填充床中視覺(jué)觀測(cè)相同的球形顆粒，然后通過(guò)光電過(guò)程測(cè)量局部空隙率分布.該方法基于非純凈有機(jī)液體的熒光折射率與填充床各部分的匹配關(guān)系.Schneider FA等人［8］用一種新開(kāi)發(fā)的光學(xué)方法對(duì)填充床中的空隙率分布進(jìn)行了檢測(cè).此法快速且易證實(shí)，可用于更復(fù)雜的固定床.研究結(jié)果表明，該方法檢測(cè)到的單管中的空隙率分布和其他昂貴方法檢測(cè)的結(jié)果一致;并且該方法可以對(duì)空隙率徑向分布提出優(yōu)化配置，這是其他方法無(wú)法做到的.圖1給出了該實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的空隙率分布情況.

張曉杰等人9］對(duì)顆粒流體兩相逆流床中顆粒徑向濃度分布進(jìn)行了研究，并用光纖探頭測(cè)量了逆流床中部的徑向空隙率分布情況.上行床直徑90 mm，逆流床直徑113 mm，設(shè)備總高10 m.逆流進(jìn)氣口到一級(jí)旋風(fēng)分離器底部為逆流操作區(qū)，長(zhǎng)4.5 m.逆流床中的固體顆粒循環(huán)量采用逆流進(jìn)氣口下部1.2 m處的蝶形閥來(lái)測(cè)量.在正常運(yùn)行工況下突然關(guān)閉蝶閥，蝶閥上將形成一個(gè)流化床，記下在一定時(shí)間內(nèi)蝶閥上方堆積的物料高度，就可測(cè)得循環(huán)量.Klaus Spindler等人［10］利用光纖探針測(cè)量了斜管中氣－水兩相流沿徑向的空隙率分布情況.結(jié)果表明，在鉆取泡狀流(coring bubble flow)狀態(tài)，當(dāng)管道由垂直變?yōu)樗綍r(shí)，最大空隙率沿著管軸方向移動(dòng)到橫截面以上的位置;在滑動(dòng)泡狀流(sliding bubble flow)狀態(tài)，當(dāng)管道由垂直變?yōu)樗綍r(shí)，最大空隙率在管道橫截面以上部分逐漸增大，在橫截面以下部分逐漸減小.

圖1 Schneider FA等人檢測(cè)到的單管中空隙率的分布Fig.1 Voidage distribution in a pipe measured by Schneider FA et al

盧春喜等人［11］對(duì)大型氣－固湍流床的徑向空隙率分布進(jìn)行了研究.試驗(yàn)在一套大型有機(jī)玻璃循環(huán)湍流流化床中，對(duì)工業(yè)FCC(催化裂化)催化劑采用光導(dǎo)纖維系統(tǒng)測(cè)定了密相區(qū)徑向空隙率的分布(該催化劑的平均粒徑為75 μm).徑向密度分布采用PC－3型光導(dǎo)纖維空隙度測(cè)定儀測(cè)定.在距離分布器600 mm的密相區(qū)中部徑向5個(gè)不同位置測(cè)定了密相區(qū)沿徑向的密度分布.最后，盧等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合多項(xiàng)式模型，給出了一個(gè)空隙率的關(guān)聯(lián)式:

當(dāng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中密相區(qū)的表觀氣流速度為0.954 m/s時(shí)，式中a0=0.868，a1=－0.891，a2= 0.383，a3=1.308，a4=－1.218.

值得注意的是，盧春喜等人通過(guò)計(jì)算指出湍流床密相截面平均空隙率可近似用徑向位置r/R =0.765處的空隙率表示.

靳海波等人［12］在直徑為148 mm的振動(dòng)圓柱形流化床內(nèi)，采用樹(shù)脂、玻璃珠、小米及砂子等物料，測(cè)定了振動(dòng)強(qiáng)度為1～8 g，流化數(shù)為1～3條件下氣固床的床層空隙率的變化.該文采用了PV－4光導(dǎo)纖維測(cè)濃儀對(duì)振動(dòng)流化床床層空隙率進(jìn)行測(cè)量.他們還考察振動(dòng)條件下床層軸向和徑向的空隙率分布，探討了床層空隙率的一些影響因素，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)振動(dòng)流化床的平均空隙率給出了定性的無(wú)因次數(shù)式關(guān)聯(lián).楊虎［13］采用PV－4A型光纖顆粒測(cè)速儀在直徑為90 mm的床層中測(cè)定了不同顆粒在床層不同位置處及不同氣速下空隙率的時(shí)間序列，采用統(tǒng)計(jì)分析法、功率譜分析法分析了空隙率的時(shí)間序列，并重構(gòu)出空隙率時(shí)間序列的吸引子.

2.2 空隙率的電容檢測(cè)法

C.Acree Riley和M.Louge［14］用一種新的電容探針定量測(cè)量了氣－固流中空隙率隨時(shí)間的變化，主要研究了小平行板之間的空隙率和近壁面處空隙率測(cè)量無(wú)擾動(dòng)設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)裝置基于一種保護(hù)電路，幾乎消除了雜散、有限電容的影響，并且這些探針不需要現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn).蔡梅英等人［15］研制了能從一定程度上反映氣固兩相運(yùn)動(dòng)的換熱表面局部瞬態(tài)空隙率的測(cè)量裝置.在床內(nèi)埋設(shè)換熱表面上嵌入兩個(gè)電容極片，換熱表面附近氣體和固體顆粒則是電容器的電介質(zhì)，任意兩個(gè)相隔一定距離的導(dǎo)體都可以構(gòu)成一個(gè)電容器，在導(dǎo)體的幾何形狀與位置確定后其電容量只與其周?chē)娊橘|(zhì)的介電常數(shù)有關(guān).流化床在流化過(guò)程中，空隙不斷變化導(dǎo)致?lián)Q熱表面附近的介電常數(shù)不斷變化.通過(guò)研究，蔡梅英等人給出了空隙率隨著電壓變化的比例關(guān)系式:

式中，V1、V2分別是空床和顆粒成固定床堆積時(shí)分別測(cè)試的電壓值，分別對(duì)應(yīng)的空隙率為1和εmf.上式顯示出空隙率和鑒頻器的輸出電壓成線性關(guān)系.這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，易于操作;缺點(diǎn)是測(cè)量精度相對(duì)較低，是否能得到有效的空隙率分布尚待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

L.Reh等人［16］通過(guò)計(jì)算兩個(gè)電極間流動(dòng)粒子的電容變化，考慮系統(tǒng)的介電常數(shù)，應(yīng)用有效介質(zhì)理論計(jì)算了兩相流中粒子的濃度，應(yīng)用電容探針對(duì)空隙率值進(jìn)行了預(yù)算.Martine Poux等人［17］也采用電容式傳感器，在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)工廠的Lodige式攪拌機(jī)中對(duì)催化劑粉末的空隙率進(jìn)行了測(cè)試.孟振振等人［18］基于ECT(電容層析成像)技術(shù)和偏最小二乘回歸方法建立了一套新型的兩相流空隙率測(cè)量系統(tǒng).圖2給出了空隙率測(cè)量的結(jié)果.

圖2 空隙率測(cè)量值分布結(jié)果Fig.2 Value of measurement of voidage

孟振振的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元以DSP處理器為核心，并采用USB2.0技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，克服了當(dāng)時(shí)條件下ECT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集速度的瓶頸.與此同時(shí)，他直接使用測(cè)量電容值并基于偏最小二乘回歸方法建立了空隙率測(cè)量模型，克服了以往ECT空隙率測(cè)量時(shí)需要復(fù)雜費(fèi)時(shí)的精確圖像重建的缺點(diǎn)，提高了測(cè)量速度.D.J.Holland等人［19］通過(guò)對(duì)核磁共振成像法(MRI)及電容層析成像技術(shù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)這兩種方法在測(cè)量時(shí)間平均空隙率時(shí)是一致的(在采用快照技術(shù)拍攝得到的氣泡頻率是一致的).但是，利用核磁共振法在氣泡中測(cè)量時(shí)獲得的數(shù)字信號(hào)強(qiáng)度更加精確，并且能更好地解釋微弱結(jié)構(gòu)的空隙率分布.

3 圖像分析法在空隙率檢測(cè)中的應(yīng)用

所謂圖像分析法，就是首先通過(guò)檢測(cè)和空隙率相關(guān)的一些參數(shù)或者通過(guò)現(xiàn)代化手段獲得空隙率分布的圖像，然后利用數(shù)學(xué)方法和圖像處理的軟件對(duì)空隙率進(jìn)行計(jì)算分析，得到其最終的數(shù)值結(jié)果.

3.1 圖像分析軟件在空隙率檢測(cè)中的應(yīng)用

Montillet A.等人［20］利用圖像分析的方法檢測(cè)了充滿(mǎn)各向異性粒子的固定床中空隙率的分布.具體先在床層空隙填滿(mǎn)了具有低黏度的商業(yè)環(huán)氧樹(shù)脂，并且保證在硬化時(shí)不收縮，然后對(duì)其染色，保證空隙和顆粒的色彩反差，再用CCD相機(jī)觀測(cè)每個(gè)檢測(cè)位置橫截面或縱截面，進(jìn)一步通過(guò)商業(yè)圖像處理軟件處理并計(jì)算出空隙率.S.Sharma和M.D.Mantle等人［21］采用水替代法來(lái)確定床層空隙率.對(duì)于圓柱的氧化鋁載體，易于觀察其床層高度和空隙率之間的獨(dú)立關(guān)系.典型床層空隙率在內(nèi)徑為0.1～0.19 m時(shí)為0.49～0.51(virgin trilobe)，0.46～0.52(crushed trilobe)和0.28～0.31(cylindrical);然而，由于邊緣空隙的影響，在內(nèi)徑為0.05 m時(shí)床層空隙率高出大約6%;該文對(duì)三維磁共振技術(shù)成像(MRI)和水替代法做了比較，發(fā)現(xiàn)MRI測(cè)得的空隙率總是比水法數(shù)值要高.圖3給出了該實(shí)驗(yàn)中空隙率隨高度的變化圖.羅方荃［22］在其綜述文章中介紹了一種采取了幾何計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)空隙率分布的方法.具體步驟是先把固定床層分成一系列等厚度的同心層，然后分析中心位于其他層中的顆粒對(duì)某層的固體體積的貢獻(xiàn)，便可得到該層的空隙率.

孫國(guó)剛等人［23］采用激光相位多普勒顆粒分析儀(PDPA)對(duì)流化床氣固兩相流動(dòng)中稀相局部空隙率進(jìn)行了測(cè)量.通過(guò)測(cè)量瞬時(shí)顆粒直徑、速度及顆粒通過(guò)測(cè)量體的渡越時(shí)間，分析導(dǎo)出了一種計(jì)算局部瞬時(shí)空隙率的方法.周云龍等人［24］采用現(xiàn)代高速攝像技術(shù)來(lái)測(cè)量并計(jì)算得出流化床空隙率的數(shù)值，先使用高速攝影系統(tǒng)，對(duì)流化床的氣固稀相流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝和圖像采集，利用圖像處理技術(shù)對(duì)不同時(shí)刻的圖像進(jìn)行消噪、邊緣提取、二值化、分割等處理，然后計(jì)算出圖像中目標(biāo)顆粒的周長(zhǎng)、面積、體積等參數(shù).統(tǒng)計(jì)得出每幅圖像中顆粒粒徑分布曲線.利用數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出了稀相流動(dòng)不同時(shí)刻的體積空隙率.程文等人［25］采用圖像處理的方法測(cè)量在高密度氣泡下的瞬時(shí)空隙率分布.

圖3 床層空隙率沿著高度方向的變化規(guī)律Fig.3 Bed voidage distribution along the height

對(duì)拍攝的圖片進(jìn)行預(yù)處理，得到其灰度圖像和灰度值，建立其局部灰度值與投影空隙率間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步計(jì)算出氣泡羽流的不同位置處的空隙率值分布，在此基礎(chǔ)上分析不同工況下空隙率值的分布情況及其對(duì)氣泡羽流結(jié)構(gòu)的影響.D.K.Casleton和A.A.Ross［26］通過(guò)圖像分析測(cè)量了床層的空隙率，在實(shí)驗(yàn)中，他們采用了一種基于視頻序列的測(cè)試新技術(shù).通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算，給出了一個(gè)空隙率計(jì)算的公式:

式中，Vp是顆粒的體積，VT是整個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本的總體積，dp是平均顆粒當(dāng)量直徑，l是實(shí)驗(yàn)管子的長(zhǎng)度，w是實(shí)驗(yàn)中管子的寬度，t是管子的厚度.

3.2 計(jì)算算法在空隙率計(jì)算中的應(yīng)用

Huang ZY等人［27］基于電容層析成像技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套空隙率測(cè)量的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空隙率分布顯示.系統(tǒng)采用背投影算法來(lái)進(jìn)行圖像重建算法以滿(mǎn)足空隙率分布顯示，再結(jié)合帶有ART算法的Tikhnov正則化，建立了一個(gè)定量混合圖像重建算法以測(cè)定氣固床層中的空隙率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空隙率分布圖像重建速度大于每秒20幀，空隙率測(cè)量的最大誤差小于5%，所研制的測(cè)量系統(tǒng)是成功的.

彭珍瑞等［28］基于改進(jìn)的最小二乘支持向量機(jī)(LS－SVM)，以ECT電容傳感器獲取的66個(gè)獨(dú)立電容值作為空隙率模型的輸入，計(jì)算即可得空隙率.彭等人采取的測(cè)量方法得到的空隙率精度與常用的ECT成像方法的精度相當(dāng)，但因省去了復(fù)雜費(fèi)時(shí)的圖像重建過(guò)程，測(cè)量時(shí)間小于0.1 s，實(shí)時(shí)性有顯著的提高.

J.Yu［29］基于ERT電阻層析成像技術(shù)和Ostu算法，研制了一種測(cè)試兩相流空隙率的新方法.一個(gè)16電極ERT系統(tǒng)用做數(shù)據(jù)收集和圖像重建，Ostu算法用來(lái)選擇自適應(yīng)閾值及進(jìn)行二值化的圖像重建，根據(jù)二值化圖像，可計(jì)算截面氣液兩相流空隙率，然后在連續(xù)采樣中獲得平均空隙率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)得的平均空隙率值的誤差在8%以?xún)?nèi)，方法是有效的.

J.Hinkley和A.G.Waters等人［30］提出了一種針對(duì)濕變形顆粒填充床的空隙率測(cè)量新技術(shù).該方法不是在原位測(cè)量空隙率，而是通過(guò)對(duì)床容重的精確測(cè)量和顆粒表觀密度的測(cè)量來(lái)計(jì)算出空隙率，該方法可重現(xiàn)±0.005的空隙率.他們給出了空隙率計(jì)算的一個(gè)公式:

其中，ρa(bǔ)是顆粒材料的表觀密度，ρb是散料層的堆積密度，ε是料層的空隙率.該方法的優(yōu)點(diǎn)就是避免了直接檢測(cè)空隙率，而是通過(guò)料層的堆積密度等來(lái)計(jì)算空隙率.

Keishi Takeshima和Terushige Fujii等人［31］在內(nèi)徑為25 mm的垂直管中，利用電線圈管徑和節(jié)距的變化，對(duì)兩相流的空隙率分布特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè).結(jié)果表明，帶有線圈的管道平均空隙率比光滑管道的平均空隙率要低;在管道中心，由于線圈周?chē)麟x心力的減小，平均空隙率也會(huì)相應(yīng)減小.L.Kwiatkowski［32］采用電化學(xué)方法對(duì)磷化膜層的空隙率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空隙率范圍在0.1至0.25之間變化.并且他推薦在實(shí)驗(yàn)中，最好盡量降低實(shí)驗(yàn)的振幅.N.J.Titchener－Hooker等人［33］采用實(shí)驗(yàn)分析的手段測(cè)定了擴(kuò)張床吸附系統(tǒng)軸向高度方向的空隙率變化.使用一個(gè)特制的帶有側(cè)邊的擴(kuò)張床，采樣顆粒沿著床層垂直軸分布.根據(jù)顆粒在床層中的停留時(shí)間分布來(lái)估計(jì)床層的空隙率，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同流速下軸向和徑向的顆粒大小及空隙率分布.結(jié)果表明，空隙率從床層設(shè)定的0.39開(kāi)始增加到一個(gè)接近高流速下的空隙率數(shù)值，并隨著持續(xù)的流速增加而增大.Jing－yu Xu［34］對(duì)斜管中流動(dòng)的氣體/非牛頓流體的平均空隙率進(jìn)行了調(diào)查，實(shí)驗(yàn)研究了管傾角對(duì)于平均空隙率的影響，根據(jù) Farooqi、Richardson因子及管傾角來(lái)預(yù)測(cè)氣體/非牛頓流體的平均空隙率的分布.J.B.Pahk等人［35］研究了密相氣力輸送運(yùn)動(dòng)體中的空隙率.他們采用了兩種方法:一種是散裝固體法(bulk solid method)，對(duì)單一運(yùn)動(dòng)體，通過(guò)測(cè)量其長(zhǎng)度和寬度獲得平均空隙率;另外一種是厄根法(Ergun’s method)，利用Ergun方程獲得運(yùn)動(dòng)體沿長(zhǎng)度方向從頭至尾的空隙率.通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)體長(zhǎng)度、氣流速度及材料來(lái)進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，空隙率隨運(yùn)動(dòng)體速度改變微弱，但在運(yùn)動(dòng)體內(nèi)部變化較大(比如頭部、中間及尾部).

4 結(jié)語(yǔ)

散料層中空隙率的檢測(cè)手段目前主要是通過(guò)光、電及圖像分析處理的方法得到檢測(cè)結(jié)果.光學(xué)方法，包括采用光纖探頭的檢測(cè)方法，對(duì)于流化床的檢測(cè)相對(duì)固定床來(lái)說(shuō)更方便實(shí)用，光纖探頭在檢測(cè)填充床空隙率時(shí)候，往往需要在散料床層中通入氣體介質(zhì)，通過(guò)改變氣體的流速來(lái)獲得料層不同位置的速度場(chǎng)矢量，然后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得空隙率的分布，目前空隙率計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式千差萬(wàn)別，獲得的最終結(jié)果差異也較大，該方法有效性和精度還有待進(jìn)一步考證;而電容法除了存在上述改變氣體流速的弊端之外，一般為了提高精度還需要加入LC振蕩器，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中電容極片的位置也不好布置，所以在散料床的空隙率測(cè)量中并不實(shí)用.

對(duì)于圖像分析處理的檢測(cè)方法，在能夠拍攝高清晰度的料層斷面圖像的前提下，可以采用圖片分析軟件對(duì)獲得的高清圖像進(jìn)行處理和數(shù)據(jù)導(dǎo)出，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是避免了在散料床中布置探頭或者電容極片的麻煩，并且能比較直接地獲得不同高度斷面的空隙率分布規(guī)律.在利用圖像分析軟件進(jìn)行處理的過(guò)程中，還可以標(biāo)定斷面的徑向位置，對(duì)空隙率沿料層徑向的分布給出一個(gè)合理的分布曲線.圖像分析處理的檢測(cè)手段也有一定的弊端，就是需要進(jìn)行大量的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)料層的不同斷面進(jìn)行拍攝，進(jìn)而需要處理大量的圖片和數(shù)據(jù).

綜上分析，豎罐中燒結(jié)礦散料層的空隙率測(cè)量需要首先對(duì)燒結(jié)礦顆粒進(jìn)行篩分，本實(shí)驗(yàn)篩分的粒徑范圍為10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm及未篩分對(duì)比組，然后在不同高度平面上，利用淀粉溶液作為燒結(jié)礦散料層的背景色，利用高清相機(jī)(14 million pixel)采集不同直徑豎罐(PVC管材制成)中各個(gè)平面上的圖像，利用Image J對(duì)獲取的平面空隙率分布進(jìn)行處理，再應(yīng)用圖像和數(shù)據(jù)分析軟件Origin對(duì)獲得圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，由此可以獲得燒結(jié)料層空隙率在不同高度和徑向的空隙率分布規(guī)律.與此同時(shí)，也可以得到燒結(jié)料層空隙率隨粒徑和床徑比的變化規(guī)律及其邊緣效應(yīng)的厚度分布規(guī)律.為了更好地研究豎罐中燒結(jié)散料層的空隙率分布規(guī)律，實(shí)驗(yàn)還采用激光多普勒測(cè)速儀，對(duì)流過(guò)散料層徑向不同位置處的氣體流速場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，然后根據(jù)雷諾數(shù)和阿基米德數(shù)計(jì)算空隙率的分布規(guī)律，與上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成對(duì)比，進(jìn)一步確定散料層的空隙率分布.

［1］Govindarao V M H，Ramrao K V S.Prediction of location of particles in the wall region of a randomly packed bed of spheres［J］.Chemical Engineering Science，1988，43(9):2544－2545.

［2］Foumeny E A，Benyahia F.Predictive characterization of mean voidage in packed beds［J］.Heat recovery systems＆amp，CHP，1991，11(2－3):127－130.

［3］Foumeny E A，Moallemi H A，McGreavy C，et al.Elucidation of mean voidage in packed beds［J］.Canadian Journal of Chemical Engineering，1991，69(4):1010－1015.

［4］Foumeny E A，Roshani S.Mean voidage of packed beds of cylindrical particles［J］.Chemical Engineering Science，1991，46(9):2363－2364.

［5］Hoffmann A C，F(xiàn)inkers H J.A relation for the void fraction of randomly packed particle beds［J］.Powder Technology，1995，82(2):197－203.

［6］Song M，Chuang K T，Nandakumar K.Theoretical correction of the Ouchiyama and Tanaka formula for predicting average porosity of packed beds consisting of nonuniform spheres［J］.Industrial and Engineering Chemistry Research，1998，37 (8):3490－3496.

［7］Buchlin J M，Reithmuller，M Ginoux J J.A fluorescent method for the measurement of the local voidage in random packed beds［J］.Chemical Engineering Science，1977，32 (9):1116－9.

［8］Schneider F A，Rippin D W T.Determination of the local voidage distribution in random packed bedsofcomplex geometry［J］.Industrial and Engineering Chemistry Research，1988，27(10):1936－1941.

［9］張曉杰，吳文淵，楊勵(lì)丹，等.顆粒流體兩相逆流徑向空隙率分布的實(shí)驗(yàn)研究［J］.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，1995 (01):92－95.

(Zhang Xiao－jie，Wu Wen－yuan，Yang Gui－dan，et al.Experimental study on distribution of particulate in two phase flow［J］.Chemical Reaction Engineering And Technology，1995(01):92－95.)

［10］Spindler K，Hahne E.An experimental study of the void fraction distribution in adiabatic water－air two－phase flows in an inclined tube［J］.InternationalJournalofThermal Sciences，1999，38(4):305－314.

［11］盧春喜，徐亦方，時(shí)銘顯.大型氣－固湍流流化床徑向空隙率分布的研究［J］.石油化工，1996(05):7－10.

(Lu Chun－xi，Xu Yi－fang，Shi Ming－xian.Radial porosity distribution of large gas－solid turbulent flow in fluidized bed［J］.Petrochemical Technology，1996(05):7－10.)

［12］靳海波，趙增立，張濟(jì)宇.振動(dòng)流化床中床層空隙率的分布［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，1998(02):130－135.

(Jin Hai－bo，Zhao Zeng－li，Zhang Ji－yu.Voidage distribution in vibration fluidized beds［J］.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，1998(02):130－135.)

［13］楊虎，石炎福.氣固流化床中空隙率研究［J］.四川輕化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001(01):5－9.

(Yang Hu，Shi Yan－fu.Void fraction study in gas－solid fludized beds［J］.Journal of Sichuan Institute of Light Industry and Chemical Technology，2001(01):5－9.)

［14］Acree Riley C，Louge M.Quantitative capacitive measurements of voidage in gas－solid flows［J］.Particulate Science and Technology，1989，7(1－2):51－59.

［15］蔡梅英，符鑫堯，范旭東.流化床埋管表面局部空隙率測(cè)試裝置的研制［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1991(01):149－152.

(Cai Mei－ying，F(xiàn)u Xin－yao，F(xiàn)an Xu－dong.The study on measurement of local voidage for surface of tube in fludized beds［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology，1991(01):149－152.)

［16］Reh L，Li J.Measurement of voidage in fluidized beds by optical probes［J］.Circulating fluidized bed technology，1991，3:163－170.

［17］Poux M，Mouton J O，F(xiàn)aure R，et al.Measurement of the voidage in a ploughshare mixer by a capacitive sensor［J］.Powder Technology，1999，103(1):65－70.

［18］孟振振，王保良，黃志堯.油氣兩相流空隙率測(cè)量系統(tǒng)［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2008(02):256－258.

(Meng Zhen－zhen，Wang Bao－liang，Huang Zhi－yao.System of voidage measurement in gas－oil flow［J］.Journal of Egineering Thermophysics，2008(02):256－258.)

［19］Holland D J，Marashdeh Q，Mueller C R，et al.Comparison of ECVT and MR measurements of voidage in a gas－fluidized bed［J］.Industrial＆Engineering Chemistry Research，2009，48 (1):172－181.

［20］MontilletA，Le Coq L.Characteristics of fixed beds packed with anisotropic particles－use of image analysis［J］.Powder Technology，2001，121(2－3):138－148.

［21］Sharma S，Mantle M D，Gladden L F，et al.Determination of bed voidage using water substitution and 3D magnetic resonance imaging，bed density and pressure drop in packed－bed reactors［J］.Chemical Engineering Science，2001，56(2): 587－595.

［22］羅方荃.填充床中空隙率分布的研究綜述［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2000(04):231－234+252.

(Luo Fang－quan.Summarization of the study on the porosity distribution in packed beds［J］.Chemical Industry and Engineering，2000(04):231－234+252.)

［23］孫國(guó)剛，錢(qián)貴華，李靜海.循環(huán)流化床稀相流動(dòng)局部空隙率的測(cè)量［J］.化工冶金，1996(03):242－247.

(Sun Guo－gang，Qian Gui－ hua，LiJing－ hai.Measurement of local porosity in dilute phase flow in circulating fluidized beds［J］.Engineering Chemistry＆Metallurgy，1996 (03):242－247.)

［24］周云龍，范振儒.流化床氣固稀相流動(dòng)體積空隙率的圖像檢測(cè)方法［J］.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2009(05):431－436.

(Zhou Yun－long，F(xiàn)an Zhen－ru.Image detection method of volume porosity in the dilute phase flow in fluidized beds［J］.Chemical Reaction Engineering And Technology，2009(05): 431－436.)

［25］宋策，程文，胡保衛(wèi).氣泡羽流空隙率的計(jì)算及其不穩(wěn)定規(guī)律的研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2011(04):419－424.

(Song Ce，Cheng Wen，Hu Bao－wei.Calculation of the bubble plume porosity and its unstable law［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2011(04):419－424.)

［26］Casleton D K，Shadle L J，Ross A A.Measuring the voidage of a CFB through image analysis［J］.Powder Technology，2010，203(1):12－22.

［27］Huang ZY，WangB L，LiHQ.Dynamicvoidage measurements in a gas solid fluidized bed by electrical capacitance tomography［J］. Chemical Engineering Communications，2003，190(10):1395－1410.

［28］彭珍瑞，王保良，黃志堯，等.基于改進(jìn)的LS－SVM測(cè)量油氣兩相流空隙率［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2008(01): 18－22.

(Peng Rui－zhen，Wang Bao－liang，Huang Zhi－yao，et al.Improved LS－SVM based voidage measurement of oil－gas two－phase flow［J］.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2008(01):18－22.)

［29］Yu J.In Study on a voidage measurement method based on ERT system and Otsu algorithm［C］//Chinese Control and Decision Conference 2008.CCDC 2008 Yantai，Shandong，China:Inst of Elec and Elec Eng Computer Society，2008: 4939－4942.

［30］Hinkley J，Waters A G，O＇Dea D，et al.Voidage of ferrous sinter beds:New measurement technique and dependence on feed characteristics［J］.International Journal of Mineral Processing，1994，41(1－2):53－69.

［31］Takeshima K，F(xiàn)ujiiT，TakenakaN，etal.Theflow characteristics of an upward gas－liquid two－phase flow in a vertical tube with a wire coil:Part 2.Effect on void fraction and liquid film thickness［J］.Heat Transfer－Asian Research，2002，31(8):652－64.

［32］Kwiatkowski L.Phosphate coatings porosity:Review of new approaches［J］.Surface Engineering，2004，20(4):292－298.

［33］Willoughby N，Hjorth R，Titchener－Hooker N.Experimental measurement of particle size distribution and voidage in an expanded bed adsorption system［J］.Biotechnology and bioengineering，2000，69(6):648－653.

［34］Xu J－y.Investigation on average void fraction for air/non－Newtonian power－law fluids two－phase flow in downward inclined pipes［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34(8):1484－1487.

［35］Pahk J B，Klinzing G E.Voidage measurement for a moving plug in dense phase pneumatic conveying using two different methods［J］.Particulate Science and Technology，2010，28 (6):511－519.

Measurement of void fraction in packed beds

ZHANG Peng-gang，DONG Hui
(State Environmental Protection Key Laboratory of Eco－Industry，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Sinter layer is not only a typical fixed bed，but also a bulk bed with non－uniform particles in fact.However，it is more like a packed bed reactor，so it is significant to study the voidage of the packed beds for bulk material bed.The distribution of the voidage in the packed beds has relationship to characteristics of the flow pattern and heat and mass transfer in gas－solid flow.More and more methods appear as the development of Nuclear Magnetic Resonance Imaging(MRI)，High Speed Video Camera，Electrical Capacitance Tomography Technique(ECT)，Calculation Algorithm and Image Processing Software in recent years，and most of these methods are useful and effective than before.A method for measurement of the voidage in sinter layer is presented in this paper based on the analysis for previous researches.

bulk beds;voidage;sinter ore;measurement

TQ 051.1

A

1671-6620(2012)02-0146-06

2012-03-20.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃)(2009AA05Z215);遼寧省自然科學(xué)基金 (20102069)，沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(110184).

張朋剛 (1985—)，男，東北大學(xué)博士研究生，E－mail:newconceptcompany@163.com.