CN104502423B - 基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其包括电容极板组，所述电容极板组由两个相对放置的电容极板组成，该电容极板组之间设置一高温熔融区；灰渣置于所述高温熔融区内，作为电容极板组的电介质；电容测试仪，所述电容测试仪与电容极板组电性连接，用于实时监测电容极板组的电容值，并根据灰渣熔融前后介电常数发生变化而确定灰渣发生熔融的时间。本发明通过灰渣作为电容极板组的电介质，灰渣发生熔融前后介电常数变化引起电容极板组电容值随之变化，实时监测该电容极板组电容值即可对灰渣熔融发生和发展的情况及时、准确的掌握和防治。

Description

基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置

技术领域

本发明涉及一种基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，尤其是对生物质在固定床气化炉内气化燃烧时发生灰渣熔融过程与状态的监测。

背景技术

生物质作为重要的可再生能源，在气化燃烧等能源化利用方面已经得到广泛的应用。生物质固体燃料含有一定量的灰分，是由多种矿物质组成的混合物，在高温下具有变形、软化和熔融特性。由于生物质灰分中的钾、钠等碱金属含量高，导致其灰熔点低，灰熔融问题已经成为制约生物质气化燃烧利用的主要问题之一。生物质在固定床气化炉内气化燃烧，当炉内的温度达到或超过其灰分的熔点时，炉底容易出现灰渣熔融烧结现象，引起炉底排渣堵塞，严重时需停炉清渣，影响设备的正常生产和运行。

因此，及时发现炉内灰渣熔融的发生，并即时采取振动排渣、控温等措施破坏灰渣熔融过程的进一步发展，对降低灰渣熔融的不利影响、保证设备的稳定运行具有重要作用。目前炉内灰渣熔融判断的常用方法有：

1)灰熔点测试(GB219–2008)。在灰熔点测试仪中通过观察升温过程中灰锥的变形情况得到灰渣熔融温度，根据炉内测量的温度与灰熔点比较进行判断。该方法忽略了生物质灰中K、Na等碱金属在缓慢升温过程中的挥发，测试过程中灰锥变形有明显滞后，测得的灰熔点一般比实际灰渣熔融温度高100-200℃。

2)估算方法。按照元素成分和经验估算灰熔点，或者利用热力学方法推算灰渣的相平衡与熔融性质，但一般只能模拟5种以下化合物的熔融情况，与实际结渣情况有一定偏差。

3)直接观察法。观察炉渣排出情况，根据排渣速度、排出炉渣的结块大小等情况判断。由于灰渣的部分挥发和熔融后的分离异化反应，排渣往往不是连续稳定的过程，发现排渣异常时，炉内结渣通常已经比较严重，只能通过停炉检修解决。

上述方法难以及时、准确地监测到生物质在气化燃烧过程中灰渣熔融的发生和发展过程，因而难以及时采取防治措施。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其将灰渣设置于两电容极板之间，根据灰渣发生熔融后电容极板组的电容值发生的突变而实时监测灰渣高温熔融情况。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其包括：

电容极板组，所述电容极板组由两个相对放置的电容极板组成，该电容极板组之间设置一高温熔融区；灰渣置于所述高温熔融区内，用于作为电容极板组的电介质；

电容测试仪，所述电容测试仪与电容极板组电性连接，用于实时监测电容极板组的电容值，并根据灰渣熔融前后介电常数发生变化而确定灰渣发生熔融的时间。

作为本发明的一种实施方式，所述灰渣装入一放置在电加热套中的灰熔融容器内，所述电容极板组安装于灰熔融容器相对的两侧，在所述灰熔融容器中插入一热电偶，用于对灰熔融容器内的温度进行测量，从而得到温度和电容值之间的关系曲线。

作为本发明的另一种实施方式，直接将该生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置应用于固定床气化炉中。生物质原料由炉顶进入固定床气化炉，气化反应后产生的含碳灰渣集中在炉底部，从炉底进入的空气与碳发生氧化反应放热，在炉底部形成灰渣高温熔融区。在灰渣高温熔融区采用两块正对的金属板作为电容极板组，灰渣高温熔融区处于金属板之间，即含碳灰渣成为该电容极板组间的电介质。实时监测该区域灰渣熔融过程中电容极板组电容值的变化。

根据电容计算公式:C＝ε*S/4πkd(S：电容极板的正对面积，d：极板之间的距离，ε：极板之间电介质的介电常数，k：静电力常数)，当炉内温度达到生物质灰的熔点后，灰渣内部的固态物质发生熔化，灰渣内部出现离子导电，熔融部分相当于导体，使熔融灰渣的介电常数ε增大，因而电容值C增大。灰渣熔融越明显，ε越大，C也越大。因此，通过在气化炉灰渣熔融区域，通常在炉底部区域，实时监测电容值的变化可以及时、准确地发现和判断灰渣熔融的发生和发展情况，即时采取振动排渣、控温等措施破坏灰渣熔融过程的进一步发展，保证设备的稳定运行。

优选地，所述电容极板组置于固定床气化炉内的耐火层和保温层之间，所述保温层贴于固定床气化炉壳体的内壁上。

优选地，所述电容测试仪置于固定床气化炉外侧，电容测试仪和电容极板组之间的引线与固定床气化炉的壳体绝缘。

按灰渣熔融区域具体监测要求，可设置多个电容极板组，所述多个电容极板组将高温熔融区划分成多个监测区域，以确定灰渣发生熔融的位置。该多个电容极板组之间的监测区域可重叠。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、通过灰渣作为电容极板组的电介质，灰渣发生熔融前后介电常数变化引起电容极板组电容值随之变化，实时监测该电容极板组电容值即可对灰渣熔融发生和发展的情况及时、准确的掌握，结构简单，操作方便；

2、通过设置多个电容极板组对监测区域进行多个监测分区，根据一个或多个电容极板组的电容值发生变化判断具体的监测分区或者监测分区之间的重叠区域发生灰渣熔融，从而确定灰渣熔融发生的准确位置，从而及时对该位置采取防治措施。

附图说明

图1是本发明一种基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置实施例一的结构示意图；

图2是图1中电容测试仪的测试结果图；

图3是本发明一种基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置实施例二的结构示意图；

图4是图3的横向截面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例1

图1所示为灰熔融电容测试实验装置结构示意图，主要由一对电容极板1和2、刚玉材质的灰熔融容器3、电加热套4组成，电容极板1和2连接电容测试仪5。为测量方便与提高精度，熔融前后电容的变化量设计为大于10PF量级，参考平行板电容计算方法，介电常数参考数值为2～10。在灰熔融容器3内装入生物质灰样6(即灰渣)并把灰熔融容器3放入电加热套4中，通过电加热程序控制升温使灰熔融容器3内的温度达到灰样的熔点，灰熔融容器3的温度通过热电偶7进行测量。本实例中电容极板面积为10*1cm²，电容测量频率采用800Hz。

图2为生物质灰样熔融电容测试的结果。生物质灰样6常温下放入灰熔融容器3内，在程序控制升温下温度由常温升至1000℃。在600℃前的低温段，电容值基本稳定在20PF；700℃-850℃，电容值缓慢增加到30PF；900℃附近电容值开始急剧上升，当温度升至1000℃时，电容值迅速升高达到700PF左右。据此可判断该生物质灰样6在900℃开始发生熔融，到1000℃时基本熔融完全。

实施例2

图3为以工业推广应用比较广的固定床气化炉为例的生物质气化燃烧过程中生物质灰渣熔融实时电容监测装置结构图。生物质原料由炉顶进入固定床气化炉，气化反应后产生的含碳灰渣集中在炉底部，从炉底进入的空气与碳发生氧化反应放热，在炉底部形成高温熔融区。由于固定床温度分布不均匀的特点，即使总体温度控制在生物质灰熔点以下，局部温度仍容易达到并超过灰熔点，使局部发生灰渣熔融烧结，如果没有及时发现并采取振动排渣、控温等措施，熔融渣块得以生长，熔融区域进一步扩大，引起炉底排渣堵塞，严重时需停炉清渣，影响设备的正常生产和运行。

在灰渣高温熔融区布置多对电容极板(本例针对圆筒型气化炉结构，沿圆周均匀布置四对柱状板式电容，分别为1′-1′，2′-2′，3′-3′和4′-4′，其它形状的气化炉与之类似)，每对极板分别通过引出线连接各自的电容测试仪S(图中只画出电容1′-1′的，其他同)。极板置于炉体耐火层a和保温层b之间，由于电容极板为金属材质，所以极板引出线须与气化炉的金属外壳体c绝缘。每个电容的监测区域为灰渣高温熔融区在电容两个极板之间的区域，四对电容覆盖了整个灰渣高温熔融区，并且有重叠的区域。当局部发生灰渣熔融引起图2所示的电容值变化，可即时根据电容值发生变化的某个电容极板所在的位置判断熔融发生的区域；如果几个电容的数值同一时间发生变化，则可根据图4的区域重叠判断熔融发生的区域。例如：1′-1′，2′-2′，3′-3′和4′-4′的电容值同时发生变化，熔融发生在A区；1′-1′和4′-4′的电容值同时发生变化，熔融发生在B区；只有1′-1′的电容值发生变化，熔融发生在C区。

监测到炉内灰渣发生熔融，及时采取振动排渣、控温等措施有效破坏灰渣熔融过程后，电容测量值回落到之前的水平，直到发生下一次灰渣熔融，电容测量值再次发生突变。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其特征在于，其包括：

电容极板组，所述电容极板组由两个相对放置的电容极板组成，该电容极板组之间设置一高温熔融区；灰渣置于所述高温熔融区内，用于作为电容极板组的电介质；

电容测试仪，所述电容测试仪与电容极板组电性连接，用于实时监测电容极板组的电容值，并根据灰渣熔融前后介电常数发生变化而确定灰渣发生熔融的时间。

2.根据权利要求1所述的基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其特征在于，所述灰渣装入一放置在电加热套中的灰熔融容器内，所述电容极板组安装于灰熔融容器相对的两侧。

3.根据权利要求2所述的基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其特征在于，所述灰熔融容器中插入一热电偶，用于对灰熔融容器内的温度进行测量。

4.根据权利要求2所述的基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其特征在于，所述灰熔融容器为刚玉材料制成。

5.根据权利要求1所述的基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其特征在于，所述电容极板组安装于固定床气化炉内且位于该固定床气化炉的底部，该固定床气化炉的底部集中有含碳灰渣。

6.根据权利要求5所述的基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其特征在于，所述电容极板组置于固定床气化炉内的耐火层和保温层之间，所述保温层贴于固定床气化炉壳体的内壁上。

7.根据权利要求6所述的基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其特征在于，所述电容测试仪置于固定床气化炉外侧，电容测试仪和电容极板组之间的引线与固定床气化炉的壳体绝缘。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于电容测量的生物质固体燃料灰渣高温熔融监测装置，其特征在于，所述电容极板组为多个，所述多个电容极板组将高温熔融区划分成多个监测区域，以确定灰渣发生熔融的位置。