基于超声波衰减谱的石膏浆液粒度测量方法薛明华1，夏多兵2，胡子健2，田昌2，苏明旭21. 上海明华电力科技有限公司，上海 200090；2. 上海理工大学 颗粒与两相流测量研究所，上海 200093摘 要为控制脱硫副产品石膏生成粒度，提高脱硫石膏的品质，有必要对石膏浆液的密度、浓度及粒度进行快速准确测量，为此设计了一种基于超声波衰减谱的非浸入式脱硫石膏浆液粒度测量方法（简称超声波法），并用该法对不同电厂6种石膏浆液进行对比测量。在ECAH理论模型的基础上，通过对超声脉冲时域信号进行快速傅立叶变换（FFT）获得超声波衰减谱，基于MATLAB语言编写不同的反演程序，分别用最优正则化算法（ORT）和投影算法（Projection）以及非独立的遗传算法（GA）计算得到石膏浆液粒度分布，并与常规测试方法进行比对分析，其中正则化算法所得偏差值在20以内，证明了该算法的可靠性。所设计的脱硫石膏浆液粒度测试超声波法，可为后续开展脱硫石膏浆液粒度分布在线测量仪的研制提供借鉴。关键词超声波；衰减谱；石灰石-石膏湿法烟气脱硫；石膏浆液；反演程序；粒度分布中图分类号 TB559；TM621.9 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2019030330 引言石灰石-石膏湿法烟气脱硫（WFGD）是目前燃煤电厂的主流烟气脱硫技术。脱硫系统通常布置于锅炉引风机之后，用石灰石（CaCO3）作吸收剂。将石灰石制成浆液，喷嘴将其雾化并使雾化浆液覆盖吸收塔断面，烟气与喷淋浆液逆向接触，烟气中的SO2及其他酸性气体得以去除。烟气中的SO2与石灰石浆液反应生成亚硫酸钙，再被空气氧化，最终生成石膏晶体[1]。随着中国石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术的大力推广，其副产物脱硫石膏的排放量与日俱增。预计2020年中国脱硫石膏的排放量将达到1亿t[2]。由于部分燃煤电厂石膏品质不稳定，部分地区市场需求不足，加之可推广的石膏关键利用技术有限，使得脱硫石膏利用率较低。目前，脱硫石膏主要用作水泥缓释剂，建筑装修材料（如粉刷石膏、纤维石膏板、石膏矿渣板等），工业原材料（如高强石膏、石膏空心条板）以及土壤改性剂等[3]。为提高脱硫石膏的利用率，有必要研制一种对石膏浆液的密度、浓度及粒度进行系统且快速的测量方法。现有的颗粒测试原理可以分为筛分[4]、重力或离心式沉降[5]、电阻法[6]、（静态）激光散射法、动态光散射[7]和图像分析法等，这些方法受到测量原理（如筛分、沉降）或因技术条件（如图像分析）所限，不易实现高浓度颗粒两相流的准确测量，有可能因稀释不恰当产生误差。超声波在高浓度（如固体体积分数50）液固两相介质中仍具有较强透射能力，其装置耐用、成本较低，易实现非接触式无损检测，尤其适合高浓度条件下光学不透明对象的在线测量[8]。近些年来，采用超声谱分析的方法进行颗粒测试研究在多个领域中得到了较好的发展，例如文献[9-11]通过对后散射信号、宽频超声衰减谱分析，测得了颗粒粒度分布和速度以及高浓度浆料浓度，用以对微粉浆料、管道污水以及河床泥沙进行模拟和实时在线测量。文献[12-13]也采用超声后向散射法测量了亚微米范围高浓度悬浊液颗粒粒度。结合作者前期研究基础，本文着重研究基于超声波衰减谱测量石膏浆液粒度分布的方法，同时与颗粒图像分析仪和激光粒度分布仪测量结果进行对比，以评价该法的可用性。收稿日期2019−03−19； 修回日期2019−07−08。基金项目国家自然科学基金面上资助项目基于蒙特卡罗原理的超声法颗粒两相流测量理论模型研究，51776129。第 52 卷 第 9 期中国电力Vol. 52, No. 92019 年 9 月ELECTRIC POWER Sept. 20191731 石膏浆液粒度分布测量1.1 测量方法针对非接触测量的背景，本文采用反射式超声脉冲法，并通过时域信号的快速傅立叶变换（FFT），分析出超声波衰减谱。如图1所示，超声换能器本身与测量对象无须接触，从换能器发射出的超声波经过缓冲块、样品、缓冲块后反射，被换能器接收。反射信号波形如图2所示，其中A0为始波，A1、A2、A3则分别为缓冲块-样品界面、样品-缓冲块界面及缓冲块-外部界面的反射信号。w样品池中装满水并保持温度20 ℃，吸收系数为，由于水中的声衰减比较小，20 ℃时约为2.210–2 Np/m，可忽略不计，故衰减系数可表示为 12L ln AwAs（1）式中Aw为经水衰减后换能器接收的样品-缓冲块界面的反射信号幅值，V；As为经浆料衰减后换能器接收的样品-缓冲块界面的反射信号幅值，V；L为换能器与样品-缓冲块界面之间的距离，m；为浆液的吸收系数，Np/m。为了简化计算，Aw采用20 ℃时超声波在水中衰减后换能器所接收的脉冲声波幅值。如果进一步采用宽带超声波换能器，即可通过频谱分析获得其衰减谱，再根据石膏浆液的声学特性利用ECAH超声模型反演计算出粒度分布。1.2 测量装置和实验测量、采样、计算装置（1）NDT Model5800PR型超声波脉冲发射/接收器（见图3，最大输入功率为250 mW，Panametrics公司产）；（2）V310型水浸系列超声纵波探头（标称中心频率为5 MHz，Panametrics公司产）（3）PCI-5114型双通道高速数字化仪（最高采样率250 MS/s，单通道存储容量8 MB，NI公司产）；（4）有机玻璃样品池；（5）计算机。通过对石膏浆液超声信号进行频谱分析，获得其衰减谱（见图4）。缓冲块缓冲块A3A2A0A1超声换能器图 1 超声波传播示意Fig. 1 Diagram of ultrasound propagation时间/μs幅值/V−2−10123190 200 210 220 230A0 A1 A2 A3图 2 反射信号波形Fig. 2 Diagram of reflection signal wave图 3 超声波脉冲发射/接收器Fig. 3 Ultrasound pulser/receiver频率/MHz2 3 4 5 6衰减/Np m−12030405060图 4 石膏浆液超声信号衰减谱Fig. 4 Ultrasound attenuation spectrum of gypsum slurry中国电力第 52 卷174实验中，将超声换能器接触面涂抹超声耦合剂，紧贴在有机玻璃样品池外壁并固定。调节发生器产生脉冲波信号，激励超声换能器，使用LabVIEW软件编写的数据采集程序并调节采样频率为250 MHz，采样点数为1105（足够储存整个声波信号），采样由同步信号触发。在样品池中加入适量的石膏浆液，搅拌均匀后即停止搅拌并开始测量，测量过程中保持温度恒定、颗粒形态不变、分散均匀，待超声信号相对稳定后保存数据，通过对原始脉冲时域信号进行快速傅立叶变换（FFT）获得超声衰减谱，代入由MATLAB编写的反演算法计算石膏浆液粒度分布。1.3 测量结果选取电厂A和电厂B脱硫系统正常运行时的石膏浆液进行实验。在电厂A取1、2号吸收塔2018年10月9日的石膏浆液样品，分别称之为A1和A2；在电厂B取1号吸收塔2018年9月16日、9月24日、10月8日、10月11日的石膏浆液样品，分别称之为B1、B2、B3、B4。对6份石膏样品浓度进行测量。将每个石膏浆液摇匀后，各取20 ml倒入烧杯，对干燥烧杯及装石膏浆液烧杯进行称重，得到对应石膏浆液质量；将烧杯内石膏浆液烘干外水，降至室温后称重，得到对应石膏质量。多次重复测量取平均值，算出石膏浆液密度、质量分数（见表1）。根据目前较通用的石膏浆液品质标准表[14]，石膏浆液密度合理的控制范围为1 0801 150 kg/m3。表1中除样品A2石膏浆液密度略高外，其余均符合该指标。由于超声波穿透能力强，可以在表1给出浓度条件下直接对石膏浆液中的晶体粒度进行测量分析。2 粒度反演计算粒度的求解需要以物理模型（正向模型）建立颗粒系与超声波衰减谱敏感系数矩阵为基础，继而以正则化方法进行独立模式求解，或者以最优化算法进行非独立模式求解。本文采用经典ECAH理论模型[15]，为更好地分析超声波衰减谱求解颗粒粒度分布的过程，基于MATLAB语言编写3种反演算法程序，包括2种独立算法，即最优正则化算法（ORT）和投影算法（Projection），以及非独立的遗传算法（GA）。ORT算法是一种求解病态方程算法，该法特点为在传统Twomey求解方法的基础上，利用L-Curve准则等方式进一步优化正则化因子，以改善结果的光顺程度；Projection算法属于迭代算法，将方程组的解看成一个多维空间点，在给定初始点后，通过不断求方程组各超平面上的投影点获得逼近真值；GA算法是一种全局优化算法，通过模拟自然进化过程，其可以在没有给定初始值的情况下快速在解空间中全局搜索，不会陷入局部最优解的快速下降陷阱，利用它的内在并行性，可以方便地进行分布式计算，加快求解速度[16]。求解时，将超声波衰减谱导入模型，输入石膏的各项物性参数，设定对应的反演算法，然后可获得石膏浆液的粒度分布。为节省篇幅，只给出3种脱硫石膏浆液粒度反演结果（见图5）。观察图5可知，Projection算法与GA算法所得中位径均在25 μm左右，明显小于ORT算法所得结果。3 对比分析为验证ECAH模型中反演算法各项粒度测试结果的准确性，以样品B1为例进行验证。将所取样品稀释后，利用OLYMPUS CX21型显微镜拍摄并利用分析软件进行粒度分析，同时基于Mie散射原理应用BT-9300ST 型激光粒度分布仪予以测试，多次重复测量结果的平均值如表2所示。表2中，D40指石膏样品中的累计粒度分布百分数为40时对应的粒径，即小于该值的石膏颗粒占40，反之为60；同理可以定义D10、D50、D90；D50又称体积中位径，指代石膏颗粒统计平均粒度；D[4,3]则是体积4次矩平均粒度，表示表 1 烘干法石膏浆液测量结果Table 1 Measurement results of gypsum slurry bydrying 石膏浆液样品名称石膏浆液质量/g石膏浆液密度/kgm–3石膏质量/g石膏质量分数/A1 22.95 1 147.5 4.20 18.30A2 23.00 1 152.5 5.10 22.12B1 22.85 1 142.5 5.15 22.53B2 22.90 1 145.0 4.95 21.62B3 22.75 1 137.5 5.05 22.20B4 22.80 1 140.0 5.25 23.03第 9 期 薛明华等基于超声波衰减谱的石膏浆液粒度测量方法175将多分散状态颗粒用尺寸均一的颗粒群替代以保持石膏颗粒群某些原有特性不变，其值和D50较为接近，表明测量结果较为准确。由表2可见，Projection算法与GA算法除D10外其他粒径参数均明显小于ORT算法结果，而显微镜与激光粒度仪测量结果与ORT算法结果较为接近，最大偏差小于20。这一结果说明，ORT算法所得结果较为准确。因此以下均以ORT为反演算法，计算出6种脱硫石膏浆液的各特征粒度（见表3）。按照欧洲石膏行业协会的规定[17]大于32 μm脱硫石膏颗粒应占60。由表3可知，电厂A、B中石膏浆液的D40均小于32 μm，粒度比欧洲石膏行业协会规定的值偏小；但根据对国内石膏粒度分布的长期监测发现，一般D40大于28 μm则不会影响石膏脱水性能。电厂B石膏粒度分布较为稳定，运行控制工艺合理；电厂A石膏粒度偏小，可能会影响真空皮带机脱水性能，造成石膏附着水含量偏高，建议对电厂A脱硫运行状况进行评价。此外，电厂A中1、2号吸收塔在2018年10月9日的石膏浆液粒度分布较为相似，表明2个吸收塔的工艺流程较为稳定一致；而样品B1、B2、B3、B4中各项粒度分布较为接近，即在一定时间段内颗粒粒度分布较为近似，表明电厂B中1号吸收塔的湿法脱硫工艺流程运行较为稳定。4 结语本文设计的基于超声波衰减谱的石膏浆液粒度分布测量方法，为非浸入式浆液粒度测量法。研究结果表明，该超声测量法可有效、快速地开展其他方法难以做到的高浓度石膏浆液在线粒度分布测量，能够为石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺提供良好的粒度数据，对脱硫系统安全稳定运行表 2 3种方法粒度分布验证性结果Table 2 Verified results of the size distribution粒度指标3种算法所得结果/μm验证方法测试结果/μmProjection GA ORT显微镜图像激光粒度仪D10 23 21 21 25 23D40 24 24 28 33 31D50 25 25 29 35 33D90 27 29 37 41 39D[4,3] 25.9 26.4 30.2 33.1 32.4表 3 反演算法计算得到的脱硫石膏浆液试样粒度分布Table 3 Gypsum slurry size distribution calculated byinversion algorithmμm 粒度指标A1 A2 B1 B2 B3 B4D10 15 16 21 20 19 19D40 23 22 28 29 28 27D50 25 26 29 30 31 29D90 31 32 37 38 38 37粒径/μm0 5 10 15 20 25体积分布/010203040ORT；Projection；GAa A1 粒度反演结果b B1粒度反演结果c B4粒度反演结果粒径/μm0 10 20 30 40 50体积分布/010203040 ORT；Projection；GA粒径/μm0 5 10 15 20 25体积分布/01020304050 ORT；Projection；GA图 5 3种石膏浆液粒度反演结果Fig. 5 Inversion results of particle size of three kinds ofgypsum slurry中国电力第 52 卷176有益，同时可为后续开展脱硫石膏浆液在线粒度分布测量仪的研制提供借鉴。参考文献岳春妹, 陶雷行, 陈洪涛, 等. 脱硫浆液硫酸钙过饱和度的研究[J].华东电力, 2012, 406 1082–1084.YUE Chunmei, TAO Leixing, CHEN Hongtao, et al. Supersaturationof calcium sulfate dihydrate in desulfurization slurry[J]. East ChinaElectric Power, 2012, 406 1082–1084.[1]邓庆德, 车建炜, 岳益锋, 等. 影响脱硫石膏品质的因素及其改善措施[J]. 发电与空调, 2014, 355 14–17, 9.DENG Qingde, CHE Jianwei, YUE Yifen, et al. Influence factors onthe quality of desulfurized gypsum and its control technology[J].Power Generation 2. Institute of Particle and Two-PhaseFlow Measurement, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, ChinaAbstract In order to control the particle size of desulfurization by-product gypsum and improve the quality of desulfurizationgypsum, it is necessary to measure the density, concentration and particle size of gypsum slurry quickly and accurately. In this papera non-destructive desulfurization gypsum slurry particle size measurement using ultrasonic attenuation spectrum wasdesigned a.k.a ultrasonic , and then implemented to examine and compare the contents of six samples of gypsum slurry fromdifferent power plants. Based on the ECAH theoretical model, the ultrasonic attenuation spectrum was obtained by Fast FourierTrans FFT of ultrasonic time-domain pulse signal. Different inversion programs were written in MATLAB language. Then bytaking advantage of the optimal regularization algorithm ORT, projection algorithm Projection and non-independent geneticalgorithm GA, the gypsum slurry particle size distribution were calculated respectively, and compared with the conventional testings. Among them the reliability of the regularization algorithm is verified with the deviation below 20. The present ultrasonic for measuring the particle size of desulfurized gypsum slurry can provide reference for the upcoming development of on-linemeasuring instrument for the particle size distribution of desulfurized gypsum slurry.This work is supported by National Natural Science Foundation Surface Projection of China Study on Theoretical Model of ParticleTwo-Phase Flow Measurement by Ultrasonic Based on Monte Carlo Principle, No.51776129.Keywords ultrasound; attenuation spectrum; WFGD; gypsum slurry; inversion algorithm; particle size distribution上接第166页Experimental Study of Non-phosphorus Scale Inhibitor WS330 forthe Seawater Cooling SystemTANG Weifeng1, ZHANG Jiaqi2, LI Fei21. Shanghai Electric Power Co.,Ltd., Turkey Coal and Electricity Project Preparation Office, Shanghai 200010, China;2. Nalco China Environmental Solutions Co., Ltd., Shanghai 200333, ChinaAbstract The coal-fire power plant located in the coastal are autilized the technology of natural draft cooling tower with flue gasinjection and takes, the sea water into its recirculating cooling system. Both the static test and the dynamic simulation test of the scaleinhibitor for the recirculating water were pered to ensure the safe, reliable and economic operation of the recirculating watersystem. WS330 phosphate-free scale inhibitor was used as the scale inhibitor for the recirculating water. The dosage of the scaleinhibitor was determined through the static test, and then the simulation tests regarding various perance indices were carried outon the dynamic stimulation device. The test result reveals that the system functions normally if the mass concentration of the WS330scale inhibitor is maintained at 8 mg/L and the concentration ratio is less than or equivalent to 2.5. With the corrosion rate of thetitanium heat exchanger 2.510–5 mm/a, the average adhesion rate 0.33 mg/cm2 per month and the fouling resistance 1.410–5m2K/W, all the indices above are far below their upper limits. Considering the fluctuation of the water quality and load, it isrecommended to maintain the concentration ratio of this system at the range of 1.52.0 under normal operations. Finally it isconcluded from the analysis that the natural draft cooling tower with flue gas injection had limited impacts on the concentration ratioin the cooling system using seawater as the recirculation cooling water.Keywords coal-fired power plant; natural draft cooling tower with flue gas injection; recirculating cooling water; phosphate-freescale inhibitor; static test; dynamic simulation; critical concentration cycle中国电力第 52 卷178