3 tygodni temu
Transport pyłu w rurociągach jest zjawiskiem skomplikowanym, jako iż jest to przepływ dwufazowy oznacza to, iż przez przewód przepływa faza gazowa oraz faza stała w postaci transportowanego pyłu. Fazą gazową w tego typu transporcie jest najczęściej sprężone powietrze, natomiast transportowaną fazą stałą mogą być produkty o różnym stopniu rozdrobnienia.
Pomiar strumienia masy pyłu w rurociągach transportu pneumatycznego
Proces transportu pneumatycznego jest zmienny w czasie: zmieniać się może natężenie przepływu powietrza, skład ziarnowy oraz skład chemiczny transportowanego pyłu. Transport pneumatyczny materiałów sypkich jest wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu, m.in. w przemyśle spożywczym (transport artykułów spożywczych, np. cukru lub mąki), przemyśle chemicznym (transport odczynników chemicznych), hutnictwie (transport wsadu i dodatków do pieców), górnictwie (transport pneumatyczny do suszarni) oraz przemyśle energetycznym (transport węgla do palników pyłowych, transport sorbentów do oczyszczania spalin). Zgodnie z definicją Y (koncentracja pyłu w rurociągu) jest stosunkiem strumienia masy pyłu (m ̇_pył) do strumienia masy gazu (m ̇_gaz) płynącego w rurociągu [1]:
Do wyznaczenia strumienia masy pyłu konieczna jest znajomość strumienia masy gazu płynącego w rurociągu:
Pomiary przepływów niejednorodnych są zagadnieniem bardzo złożonym, gdyż obecność drugiej fazy zmienia charakterystyki aerodynamiczne ruchu płynu w otoczeniu przepływomierza. Prawie zawsze istnieje pewien poślizg międzyfazowy, który zwiększa się wraz ze zmniejszeniem prędkości fazy nośnej, dodatkowo komplikując pomiar. Na przestrzeni lat powstało wiele koncepcji układów pomiarowych do realizacji ciągłego pomiaru strumienia masy pyłu w rurociągach transportu pneumatycznego, do których można zaliczyć następujące metody:
- pomiar strumienia masy pyłu metodą pojemnościową [2] (zmiana pojemności kondensatora elektrycznego w zależności od przenikalności elektrycznej ε ośrodka znajdującego się pomiędzy okładkami kondensatora),
- pomiar strumienia masy dzięki indukcji elektrostatycznej [3] (mierzone są ładunki elektryczne niesione w strudze gazu przez ziarna pyłu),
- pomiar strumienia masy pyłu sondą tryboelektryczną [1] (wykorzystuje zjawisko elektryzowania przez tarcie i kontakt),
- pomiar strumienia masy pyłu metodą radioizotopową [4] (obie fazy solgazu działają w różny sposób na propagację promieniowania jonizującego, a źródłem tego promieniowania są izotopy promieniotwórcze),
- pomiar strumienia masy metodą fotometryczną [5] (wykorzystuje osłabienie wiązki promieniowania elektromagnetycznego do pomiarów koncentracji fazy stałej),
- pomiar strumienia masy metodą ultradźwiękową [6] (opiera się na zjawisku tłumienia dźwięku, im wyższa koncentracja fazy stałej w rurociągu tym większe tłumienie),
- pomiar strumienia masy metodą zwężkową [7] (pomiar spadku ciśnienia na zwężce pomiarowej).
Wśród przedstawionych metod pomiaru strumienia masy przemysłowe zastosowanie w rurociągach transportu pneumatycznego znalazła głównie metoda radioizotopowa, tryboelektryczna oraz metodą zwężkowa (np. pomiar z zastosowaniem dwóch zwężek). Metody zwężkowe wydają się mieć szersze zastosowanie w porównaniu do metody radioizotopowej i tryboelektrycznej ze względu na niższe koszty stosowania. Sondy tryboelektryczne są powszechnie wykorzystywane przy pomiarze stężenia pyłu przed filtrami workowymi. W przypadku rurociągów transportu pneumatycznego takiego typu sondy są wrażliwe na erozyjne działanie pyłu. Zastosowanie metody fotometrycznej jest ograniczone dla wysokich koncentracji pyłów w rurociągu, dla pomiarów stężenia pyłu w spalinach jest to powszechnie stosowana metoda.
Pomiar strumienia masy zwężką trójimpulsową
Przeprowadzone rozpoznanie problematyki wskazuje na duże zapotrzebowanie przemysłu na proste i niezawodne układy do ciągłego pomiaru strumienia masy materiału sypkiego w sieciach transportu pneumatycznego. Z tego względu na Politechnice Wrocławskiej została opracowana metoda pomiaru z wykorzystaniem zwężki trójimpulsowej (zgłoszenie patentowe nr P.452777). Zasada działania zwężki trójimpulsowej została przedstawiona na rys. 1 na przykładzie zwężki typu Venturiego.
Rys. 1. Zwężka Venturiego w układzie trójimpulsowym – A, B, C miejsca pomiaru ciśnienia, T- pomiar temperatury gazu (opcja)
W metodzie trójimpulsowej oprócz tradycyjnie mierzonej różnicy ciśnienia pomiędzy wlotem do zwężki (przekrój A), a najwęższą jej częścią (przekrój B) występuje dodatkowy pomiar ciśnienia umiejscowiony za zwężką (przekrój C). Informacja na temat przepływu gazu jest uzyskiwana na podstawie pomiaru różnicy ciśnień (A-B), natomiast informacja o koncentracji pyłu w rurociągu pochodzi od stosunku różnic ciśnień (A-B) i (A-C). Istnieje liniowa zależność pomiędzy koncentracją pyłu w rurociągu (Y), a stosunkiem różnic ciśnień mierzonych dzięki zwężki (π=(∆P_((A-C)))/〖∆P〗_((A-B))). Nachylenie charakterystyki zwężki trójimpulsowej zależy od rodzaju pyłu i jego składu ziarnowego. Przykładową charakterystykę dla zwężki trójimpulsowej przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Przykładowa charakterystyka zwężki trójimpulsowej wykonana dla piasku kwarcowego
Strumień masy gazu jest wyznaczany na podstawie pomiarów różnicy ciśnień na zwężce (A-B), ciśnienia absolutnego gazu przed zwężką, temperatury gazu przed zwężką oraz wartości współczynnika Gasterstädta. Współczynnik Gasterstädta uwzględnia wpływ obecności pyłu na straty ciśnienia. Określa się go porównując spadek ciśnienia dla zapylonego gazu i gazu czystego. Współczynnik Gasterstädta jest cechą charakterystyczną instalacji i każdorazowo powinien być wyznaczany dla danej geometrii układu transportu pneumatycznego. Opracowana przez Politechnikę Wrocławską zwężka trójimpulsowa nadaje się do ciągłego pomiaru strumienia objętości gazu, strumienia masy pyłu oraz koncentracji pyłu dla rurociągów transportu pneumatycznego. Przykładowy przebieg zmian podczas ciągłego pomiaru przedstawiono na rys. 3 (pomiary wykonano dla transportu piasku kwarcowego w układzie laboratoryjnym).
Rys. 3. Przykładowa rejestracja wyników pomiarów dla zwężki trójimpulsowej
Przykład realizacji pomiaru dzięki zwężki trójimpulsowej
Pracownicy Katedry Techniki Cieplnej Politechniki Wrocławskiej dysponują odpowiednim doświadczeniem i zapleczem aparaturowym do wdrożenia systemu do pomiaru strumienia masy pyłu w warunkach przemysłowych. Przykładowo na rys. 4 przedstawiono zwężkę pomiarową (wersja ATEX) zainstalowaną w celu sterowania pracą palnika pyłowego (węgiel kamienny).
Rys. 4. Zwężka impulsowa na pyłoprzewodzie zasilającym palnik pyłowy (wersja ATEX)
Zainstalowana na instalacji zwężka przeznaczona jest do sterowania pracą palnika, na podstawie wyników pomiaru ze zwężki obliczana jest moc cieplna palnika, ilość powietrza kierowana do palnika oraz ilość paliwa kierowanego do komory paleniskowej.
Przedstawiony sposób jednoczesnego pomiaru strumienia masy pyłu i powietrza, może znaleźć zastosowanie we wszystkich typach instalacji transportu pneumatycznego. Ciągły pomiar strumienia masy stwarza możliwość do optymalizacji pracy instalacji pod kątem zużycia mediów procesowych i energii. Informacja ze zwężki, może stanowić cenny sygnał dla układu automatycznej regulacji, umożliwiając sterowanie i kontrolę procesem. Do przykładowych zastosowań zwężki trójimpulsowej można zaliczyć:
- pomiar strumienia masy pyłu i powietrza w pneumatycznych układach dozowania reagentów w przemyśle chemicznym (np. transport nawozów),
- pomiar strumienia masy pyłu i powietrza w pneumatycznych układach transportu w przemyśle spożywczym (np. transport mąki, cukru lub przypraw),
- pomiar strumienia masy pyłu i powietrza w pneumatycznych układach dozowania i transportu w cementowniach (np. transport kruszyw i cementu),
- pomiar strumienia masy pyłu węglowego w elektrowniach i elektrociepłowniach,
- pomiar strumienia masy pyłu i powietrza w pneumatycznych układach dozowania sorbentów dla instalacji oczyszczania spalin w elektrowniach i elektrociepłowniach (np. transport mączki kamienia wapiennego),
- pomiar strumienia masy pyłu i powietrza w pneumatycznych układach odprowadzania pyłów z urządzeń odpylających (np. transport popiołu lotnego lub pyłu drzewnego),
- pomiar strumienia masy pyłu i powietrza w pneumatycznych układach dozowania wsadu i dodatków do pieców w hutach.
Przykładowo przy zastosowaniu ciągłego pomiar strumienia masy pyłu węglowego w elektrowniach i elektrociepłowniach, możliwa jest bieżąca kontrola nad rozpływem mieszaniny pyłowo – powietrznej do poszczególnych palników kotła (wyrównanie obciążenia cieplnego). Ciągły monitoring równomierności rozpływu mieszanki paliwowo-powietrznej do kotła stwarza możliwość szybkiej identyfikacji problemów w układzie paliwowo-powietrznym. Ciągły pomiar strumienia masy pyłu węglowego kierowanego do kotła pozwala na bieżące sporządzanie bilansów masowych paliwa oraz określania mocy cieplnej kotła. Zastosowanie tych pomiarów otwiera również możliwość do optymalizajci pracy palników pyłowych, np. poprzez wyrówanie zasilania poszczególnych palników, co przekłada się na wyrówanie profilu temperatury w kotle, mniejsze straty ciepła (wzrost sprawności kotła) i zmniejszenie jego emisyjności poprzez lepszą pracę instalacji SNCR (Selective Non Catalityc Reduction).
Rozwój technologii i zastosowanie sztucznej inteligencji
W przemysłowych układach transportu pneumatycznego adekwatności transportowanego pyłu, takie jak: skład ziarnowy, wilgotność, skłonność do aglomeracji, rzadko są niezmienne w czasie. Zmiana tych parametrów w czasie jaki upłynął od momentu kalibracji zwężki przekłada się na zmianę charakterystyki zwężki trójimpulsowej oraz wyznaczonego współczynnika Gasterstädta. Ta sytuacja wymusza na użytkownikach konieczność okresowych kalibracji układu pomiarowego. Implementacja nowoczesnych metod sztucznej inteligencji, w szczególności technik uczenia maszynowego, pozwala na stworzenie adaptacyjnego algorytmu do interpretacji sygnałów ze zwężki trójimpulsowej. Układ taki jest w stanie na bieżąco identyfikować charakterystykę mieszaniny gaz-pył na podstawie zarejestrowanych sygnałów i ich zmian w czasie, bez konieczności bezpośredniego pomiaru wybranych adekwatności materiału. Zastosowanie takiego podejścia umożliwia dostosowywanie charakterystyki kalibracyjnej do aktualnych, rzeczywistych parametrów procesu. Pozwala to na zwiększenie dokładności pomiaru w warunkach zmieniających się adekwatności transportowanego pyłu, jak również na wykrywanie stanów nieprawidłowych w instalacji (np. zmiany trybu transportu, zatykania rurociągu, czy nierównomierności rozpływu). Zwiększając wiarygodność wyznaczanego strumienia masy pyłu, ogranicza się ryzyko sytuacji, w których błędne wskazania mogłyby np. prowadzić do nieprawidłowej pracy palnika, kotła lub całej instalacji technologicznej.
- Mazur M., Teisseyre M. Zasilanie palników pyłowych kotła energetycznego – zagadnienia pomiarowe oficyna wydawnicza Pwr, Wrocław 2008.
- Kesova L.A., Kontrol i avtomatičeskoe upravlenie pylepodačej na TEC, Wyd. Višča Škola, Kiev 1991.
- Williams T.H., Wilmshurst T.H., Bailey A.G., An in-flight. particle charge detector, Proc. The 7th Conf. On Electrostatic Phenomena „ Electrostatics ‘87”, Oxford, England, 1987, in: Inst. Phys. Conf. Ser. No.85, s. 273.
- Lech M., Metoda radioizotopowa w metrologii przepływu dwufazowego, Prace Naukowe Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej, seria: Monografie, Wrocław 1990.
- Teisseyre M., Pyłomierze przemysłowe. Pomiary i aparatura, Wyd. Fundacji Ochrony Powietrza Atmosferycznego, Warszawa 1995.
- Teisseyre M., Kozłowski Z., Wstępne wyniki badań ultradźwiękowego miernika koncentracji pyłu węglowego, Prace Naukowe Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, Politechnika Wrocławska, 1970, nr 5.
- Teisseyre M., Pomiar natężenia przepływu mieszaniny pyłu węglowego z powietrzem przy użyciu kryz mierniczych, Pomiary, Automatyka, Kontrola, Nr 10/11, 1963, s. 589-591.
Źródło: Dr. inż. Dariusz Łuszkiewicz, Dr hab. inż. Arkadiusz Świerczok, Prof. PWr, Mgr inż. Jarosław Niewczas, Mgr inż. Karol Nycz, Zespół Ochrony Atmosfery i Techniki Pyłowej, Katedra Techniki Cieplnej, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska
Artykuł pochodzi z wydania 1/2026 magazynu ,,Nowa Energia”
