張正國，楊晉，朱桂花，康慧芬，閔越，姜國平

(1. 北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，銀川 750021；2. 寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，銀川 750021)

雷達(dá)物位計(jì)在流化床反應(yīng)器中的應(yīng)用

張正國1，楊晉1，朱桂花1，康慧芬2，閔越2，姜國平1

(1. 北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，銀川 750021；2. 寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，銀川 750021)

多晶硅廠氣固流化床反應(yīng)器的床層高度不易測量，且原料為硅粉，流化后極易磨損或干擾普通物位計(jì)，產(chǎn)品為氯硅烷混合氣，具有強(qiáng)腐蝕性。針對此難題，分析了雷達(dá)物位計(jì)的工作原理及適用范圍、優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)了安裝雷達(dá)物位計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)和維護(hù)方法。實(shí)踐表明，雷達(dá)物位計(jì)在氣固流化床反應(yīng)器中的應(yīng)用效果良好。

雷達(dá)物位計(jì) 氣固流化床 反應(yīng)器 多晶硅

雷達(dá)物位計(jì)是一種新型智能的物位計(jì)[1]，通過天線系統(tǒng)發(fā)射和接受能量很低的微波脈沖，準(zhǔn)確測定物位[2]。雷達(dá)波以光速運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間可以通過電子部件被轉(zhuǎn)換成物位信號(hào)，并通過一種特殊的方法以確保極短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定和精確的測量[3]。即使在工況比較復(fù)雜的情況下，存在虛假回波，用最新的微處理技術(shù)和調(diào)試軟件也可以準(zhǔn)確分析出物位的回波，因此雷達(dá)物位計(jì)較適應(yīng)在氣固流化床中用來測量料位。

以國電寧夏太陽能有限公司2.5kt/a多晶硅裝置為研究背景。在多晶硅生產(chǎn)中，用到氣固流化床反應(yīng)器的工藝主要有兩種，分別為SiHCl3合成反應(yīng)器和冷氫化反應(yīng)器。這兩種反應(yīng)器外觀類似，底部為錐體，中部及上部為圓柱體，反應(yīng)器外部使用夾套[4]，夾套內(nèi)為熱水，用來調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)溫度，反應(yīng)器內(nèi)溫度約為300～500℃，壓力為3～ 5MPa。 該類氣固流化床反應(yīng)器內(nèi)物料構(gòu)成主要有硅粉(60～80目)，H2，HCl，SiHCl3，SiCl4等，除硅粉為固體小顆粒外，其他均為氣態(tài)。

反應(yīng)器內(nèi)形成穩(wěn)定流化狀態(tài)后，流化床層高度的測量是一個(gè)難點(diǎn)[5]，高速流動(dòng)的硅粉非常鋒利，對測量探頭的磨損較嚴(yán)重，而且細(xì)微的硅粉彌漫在反應(yīng)器頂部，甚至包覆在探頭外部形成硅粉層，造成普通物位計(jì)故障或失效，而在多晶硅廠氣固流化床反應(yīng)器上安裝雷達(dá)物位計(jì)則可有效避免此類問題。

1 雷達(dá)物位計(jì)

1.1工作原理及適用范圍

雷達(dá)物位計(jì)是采用發(fā)射—反射—接收的工作模式[7]。雷達(dá)物位計(jì)的天線發(fā)射出的電磁波，經(jīng)被測對象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間與到固(液)面的距離成正比，關(guān)系式如下[6]：

D=ct/2

(1)

式中：D——雷達(dá)物位計(jì)到液面的距離；c——光速；t——電磁波運(yùn)行時(shí)間。

圖1 雷達(dá)液位計(jì)在氣固流化床反應(yīng)器中的應(yīng)用

雷達(dá)物位計(jì)記錄脈沖波經(jīng)歷的時(shí)間，而電磁波的傳輸速度為常數(shù)，則可算出液面到雷達(dá)天線的距離，從而知道料位高度。

常見的雷達(dá)物位計(jì)有兩種技術(shù)模式，分別為調(diào)頻連續(xù)波式和脈沖波式?；谡{(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的雷達(dá)物位計(jì)，須采用四線制，而且功耗大，電子電路復(fù)雜。而基于雷達(dá)脈沖波技術(shù)的物位計(jì)，可用二線制的24V(DC)供電，功耗低，輸出信號(hào)為4～ 20mA， 使用過程更加安全，且精確度高，適用范圍更大。雷達(dá)物位計(jì)可以測量液體、固體介質(zhì)，如原油、漿料、粉體及其他固體顆粒等。

1.2特點(diǎn)

1) 可以在真空中測量所有介電常數(shù)大于1.8的介質(zhì)、介電常數(shù)大于1.5的非導(dǎo)電介質(zhì)(空氣的介電常數(shù)為1.0)，也能夠保證足夠的反射波，介電常數(shù)越大，反射信號(hào)越強(qiáng)[7]。在實(shí)際應(yīng)用中，幾乎所有的介質(zhì)都能反射足夠的反射波，而且測量范圍可達(dá)35m，分辨率可達(dá)1mm。

2) 供電和輸出信號(hào)通過1根兩芯線纜(回路電路)，采用4～20mA輸出或數(shù)字信號(hào)輸出。

3) 非接觸式測量，安裝方便，采用一體化設(shè)計(jì)，無可動(dòng)部件，不存在機(jī)械磨損，使用壽命長；天線等關(guān)鍵部件采用高質(zhì)量的材料，抗腐蝕能力強(qiáng)，能適應(yīng)腐蝕性很強(qiáng)的環(huán)境。

4) 幾乎能用于所有液體的液位測量。電磁波在液位表面反射時(shí)，信號(hào)會(huì)衰減。當(dāng)信號(hào)衰減過小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)物位計(jì)無法測到足夠的電磁波信號(hào)。導(dǎo)電介質(zhì)能很好地反射電磁波，對VEGAPULS雷達(dá)物位計(jì)，甚至微導(dǎo)電的物質(zhì)也能夠反射足夠的電磁波[8]。

5) 既不受噪聲、蒸汽、粉塵、真空等工況影響，也不受介質(zhì)密度和溫度變化的影響，過程壓力可達(dá)4.0MPa。

6) 有頂部安裝、側(cè)面安裝、旁通管安裝、導(dǎo)波管安裝等方式。

7) 可選擇多種調(diào)試方式： 編程模塊調(diào)試(相當(dāng)于一個(gè)分析處理儀表)、SOFT軟件調(diào)試、HART手持編程器調(diào)試。

8) 功能豐富，具有虛假波的學(xué)習(xí)功能。輸入液面的實(shí)際液位，軟件能自動(dòng)地標(biāo)識(shí)出液面到天線的虛假回波，排除這些波的干擾[9]。

2 安 裝

雷達(dá)物位計(jì)能否正確測量，依賴于反射波的信號(hào)。在氣固流化床反應(yīng)器中，如果所選擇安裝的位置不當(dāng)，硅粉顆粒床層不能將電磁波反射回雷達(dá)天線或在信號(hào)波的范圍內(nèi)有干擾物反射干擾波給雷達(dá)物位計(jì)，雷達(dá)物位計(jì)不能正確反映實(shí)際料位。因此，合理選擇安裝位置對硅粉料位測量十分重要，在安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1) 雷達(dá)物位計(jì)天線的軸線應(yīng)與反應(yīng)器內(nèi)硅粉料位的反射表面垂直。

2) 反應(yīng)器含有加料口、排渣口，如果在雷達(dá)物位計(jì)的信號(hào)范圍內(nèi)產(chǎn)生干擾的反射波，就會(huì)影響液位測量。在安裝時(shí)要選擇合適的安裝位置，以避免加料口和排渣口的影響。

3) 喇叭型的雷達(dá)物位計(jì)的喇叭口要超過安裝孔的內(nèi)表面一定的距離(大于10mm)。棒式物位計(jì)的天線要伸出安裝孔，安裝孔的長度不能超過100mm。對于圓型或橢圓型的容器，應(yīng)裝在離中心為1/2R(R為容器半徑)距離的位置，不可裝在圓型或橢圓型容器頂?shù)闹行奶帲駝t雷達(dá)波經(jīng)容器壁的多重反射后，匯集于容器頂?shù)闹行奶?，形成很?qiáng)的干擾波，影響準(zhǔn)確測量。

4) 為了檢修方便，雷達(dá)物位計(jì)應(yīng)該安裝在易檢修的位置，且應(yīng)該安裝2～3個(gè)，避免雷達(dá)物位計(jì)故障帶來的影響。

5) 位于室外的雷達(dá)物位計(jì)應(yīng)加裝防曬防雨措施，以延長使用壽命。

安裝完畢以后，用裝有VEGA Visual Operating軟件的 PC機(jī)觀察反射波曲線圖，來判斷物位計(jì)安裝是否恰當(dāng)，如不恰當(dāng)，則進(jìn)一步調(diào)整安裝位置，直到滿意為止。

對于有些安裝位置無法避免的干擾波，還可利用VEGAPULS 雷達(dá)物位計(jì)識(shí)別虛假波，該物位計(jì)能根據(jù)實(shí)際液位標(biāo)識(shí)出干擾反射波，并存于雷達(dá)物位計(jì)的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，使雷達(dá)物位計(jì)在數(shù)據(jù)處理時(shí)能識(shí)別這些干擾波[10]，去除這些干擾反射波的影響。

因此，安裝時(shí)還應(yīng)注意以下問題： 天線平行于反應(yīng)器壁，利于微波的傳播；安裝位置距槽壁距離應(yīng)大于30cm，以免將槽壁上的虛假信號(hào)誤做回波信號(hào)；盡量避開下料區(qū)、排渣區(qū)等干擾源，使波束范圍內(nèi)無固定物，提高信號(hào)的可信度；接管直徑應(yīng)小于或等于屏蔽管長度。

3 雷達(dá)物位計(jì)的維護(hù)

雷達(dá)物位計(jì)主要由電子元件和天線構(gòu)成，無可動(dòng)部件，在使用中的故障極少。但在多晶硅廠中，氣固流化床反應(yīng)器內(nèi)固體物料主要為硅粉和具有腐蝕性的HCl，SiHCl3，SiCl4，物位計(jì)主要會(huì)受到硅粉的磨損和HCl等介質(zhì)的腐蝕，在選型時(shí)必須選擇耐磨損和耐腐蝕的材質(zhì)。

在日常維護(hù)中，可以用 PC機(jī)(裝有VEGA Visual Operating軟件)遠(yuǎn)程觀察反射波曲線圖，對于后來新產(chǎn)生的干擾波，可以利用物位計(jì)識(shí)別虛假波的功能，消除這些反射波的干擾，保證準(zhǔn)確測量。

4 結(jié)束語

在多晶硅廠氣固流化床反應(yīng)器中，采用性能良好、抗干擾能力強(qiáng)的雷達(dá)物位計(jì)實(shí)時(shí)測量流化床床層高度，可在極其苛刻的條件下對流化的物料進(jìn)行精確的非接觸式測量，避免了反應(yīng)器內(nèi)各種氣體和粉塵的干擾，物位計(jì)模塊內(nèi)嵌軟件程序，可對虛假測量值進(jìn)行智能分析，輸出準(zhǔn)確結(jié)果而且故障率低。國電寧夏太陽能有限公司2.5kt/a多晶硅裝置具有大型氣固流化床反應(yīng)器3個(gè)，使用雷達(dá)物位計(jì)3年來基本未出現(xiàn)故障，使用效果良好。

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ApplicationofRadarLevelMeterinFluidizedBedReactor

Zhang Zhengguo1， Yang Jin1， Zhu Guihua1， Kang Huifen2，Min Yue2， Jiang Guoping1

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering， Northern University of Nationalities， Yinchuan， 750021， China； 2. School of Chemistry and Chemical Engineering， Ningxia University， Yinchuan， 750021， China)

The height of gas-solid fluidized bed reactor bed can’t be easily measured in polysilicon plant. The raw material is silicon powder， and the common material level meter would be abraded easily when fluidized. The product is mixture of chlorosilane which is strong corrosive. Aiming at the problem， the working principle， advantages and application field of radar level meter are evaluated， and considerations of installation for the radar level meter and maintenance methods are summarized. The application practice of radar level meters in gas-solid fluidized bed reactors shows the performance is good.

radar level meter； gas-solid fluidized bed； reactor； polysilicon

稿件收到日期： 2013-07-09。

國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2010-SY14)；寧夏大學(xué)科學(xué)研究基金資助(NDZR10-42)。

張正國(1987—)，男，畢業(yè)于寧夏大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)任北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)員，從事化工實(shí)驗(yàn)室教學(xué)、管理工作。

TH816

A

1007-7324(2013)06-0061-03