DE102011113302B3

DE102011113302B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der Fließeigenschaften und der Viskosität von heterogenen flüssigen Stoffen, insbesondere bei Temperaturen von 1000°C und mehr

Info

Publication number: DE102011113302B3
Application number: DE102011113302A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pavone Domenico; Ralf Abraham; Dr. Rymon Lipinski Tadeusz von
Original assignee: ThyssenKrupp Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: WO2013037674A1

Abstract

Mit einem Verfahren zur Untersuchung der Zusammensetzung, der Fließeigenschaften und der Viskosität von heterogenen flüssigen Stoffen, insbesondere bei hohen Temperaturen von 1000°C und mehr, soll eine Lösung geschaffen werden, mit der das Fließverhalten von heterogenen Schmelzen ebenso bestimmbar ist, wie eine chemische, mineralogische Analyse der Schlacken in Verbindung z. B. mit dem Fließverhalten. Dies wird dadurch erreicht, dass aus einem in einem Hochtemperaturofen (2) erhitzten Messgefäß über eine Auslaufdüse (8) mit bekannten geometrischen Daten der zu überprüfende Stoff, z. B. flüssige Schlacken, auf eine sich bewegende, mit einer elektronischen Waage gekoppelte Oberfläche (10a) geleitet wird, wobei beim Auslaufen das Gewicht und die Fließzeit des auslaufenden Stoffes gemessen, aus dem Gewicht und der Dichte des Stoffes das Volumen berechnet und aus den erhaltenen Messerergebnissen die Fließeigenschaft des Stoffes bestimmt wird sowie durch Probenahme an unterschiedlicher Orten der Schlackenspur die jeweilige Zusammensetzung der Schlacken bestimmt wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Untersuchung der Zusammensetzung, der Fließeigenschaften und der Viskosität von heterogenen flüssigen Stoffen, wie z. B. Schlackeschmelzen, der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beispielsweise bei Prozessen wie der Flugstromvergasung und einer Verbrennung in Schmelzkammerfeuerungen liegt die Betriebstemperatur des Brennstoffes oberhalb der Schmelztemperatur der Asche, wobei diese Temperatur bei normalen Anlagebedingungen ca. 1500°C beträgt. Die Ascheschmelztemperatur der verwendeten Kohle kann stark variieren, dies ist bei derartigen Brennstoffen im Wesentlichen vom Gehalt an Aluminiumoxd Al₂O₃ und Silika SiO₂ abhängig. Im Regelfall fließt der überwiegende Teil der Asche an der gekühlten Membranwand nach unten und wird über ein Schlackeloch in einem darunter befindlichen Nassentschlacker granuliert.
Um einen optimalen Anlagebetrieb zu erreichen, müssen die Arbeitstemperatur des Vergasers bzw. der Brennkammer und die Fließtemperatur der Asche aufeinander abgestimmt sein. Die Zusammensetzung der Kohle, je nach Zusammensetzung variiert die Aschefließtemperatur zwischen 1300°C und 1700°C, bestimmt damit die Auslegung und den Betrieb entsprechender Anlagen. Dabei ist es wichtig, die Grenzviskosität der abfließenden Asche für eine sichere Auslegung entsprechender Anlagen zu kennen.
Die Grenzviskosität für einen sicheren Anlagebetrieb, d. h. bei dem keine Verstopfung der Schlackeaustrittsöffnung auftritt, ist ein Wert zwischen 5 und 10 Pa·s, wobei bei Flugstromvergasern und Schmelzkammerfeuerungen die Schlackeviskosität am Schlackeloch einen Wert von 25 Pa·s nicht überschreiten sollte.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Messmethode und eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Fließverhaltens und der Viskosität von heterogenen Stoffen bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise von geschmolzenen, verflüssigten Schlacken, die bei der Kohlevergasung, bei Hochöfen oder anderen Verbrennungsprozessen anfallen, geschmolzenen Metallen oder anderen geschmolzenen Werkstoffen, geschmolzenen Salzen, geschmolzenem Glas, Metallen u. dgl.
Als ein wichtiges Beispiel aus der Praxis sind Ascheschmelzen aus einigen Braunkohlesorten anzuführen. Die Schmelzen bestehen bei hohen Temperaturen aus mehreren Partialschmelzen, die z. T. relevante Unterschiede der chemischen Zusammensetzung aufweisen. So kann einer der Partialschmelzen mit Alkalisulfat angereichert sein, wohingegen die Restschmelze überwiegend aus hochschmelzenden Oxiden besteht. Es ist naheliegend, dass beide Schmelzen unterschiedliche Viskositätswerte und damit auch ein unterschiedliches Fließverhalten aufweisen werden. Sie neigen auch sehr oft zur Entmischung (Fraktionierung).
Viele der industriellen Prozessschmelzen sind bei hohen Temperaturen thermodynamisch instabil. Diese Instabilität kann z. B. durch Zersetzungsreaktionen von z. B. Hydraten, Hydroxiden, Sulfaten, Carbonaten usw. bedingt sein. Sie kann aber durch Redox-Reaktionen mit der Gasatmosphäre zustande kommen. Ein Beispiel ist die Änderung der Oxidationsstufe von Eisen- bzw. Titanoxiden bei wechselndem Sauerstoffpartialdruck. Einen besonderen Fall stellt die meistens unvermeidbare Auflösung der Oxide in der geschmolzenen Schlacke dar. Die Oxide sind Komponenten der Feuerfestausmauerung der Hochtemperatur-Reaktionsgefäße, die in einem unmittelbaren Kontakt mit der flüssigen Schlacke steht.
Infolge all der oben diskutierten chemisch-physikalischen Vorgänge ändert sich die chemische Zusammensetzung der Schlacke und damit ihre Viskosität und in Konsequenz ihr Fließverhalten. Die beschriebenen Phänomene sind Grund dafür, dass eine Untersuchung mittels Rotationsviskosimetrie für heterogene Systeme keine aussagekräftigen Ergebnisse liefert bzw. gar nicht anwendbar ist.
Grundsätzlich gibt es eine Vielzahl von Messmethoden, um das Fließverhalten und die Viskosität zu bestimmen. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit seien hier die Messmethoden mittels eines Kapillarviskosimeters, eines Viskositätsmessbechers mit Düse, eines Fallkörperviskosimeters oder eines Rotationsviskosimeters genannt, wobei letzteres bei Temperaturen > 500°C in der Praxis eingesetzt werden. Dabei wird bei einem Rotationsviskosimeter, das eine Rotationsspindel aufweist, die in die zu messende Flüssigkeit eingetaucht wird, die Kraft gemessen, die der Rotation in der Flüssigkeit als Widerstand entgegensteht.
Aus der Vielzahl der entsprechenden Literatur sei die WO97/42482 , die EP 1 260 808 A1 , die EP 0 166 332 , die DE 195 12 408 C1 oder die DE 198 09 625 A1 genannt, die jeweils variierende Rotationsviskosimeter zeigen.
Ein Nachteil dieser Messmethoden besteht u. a. darin, dass die realen Bedingungen nicht abgebildet werden, evtl. Wechselwirkungen (chemische Reaktionen, Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit des Materiales) zwischen der Schlacke und dem Konstruktionsmaterial sowie der entsprechenden Metallwerkstoffe oder der Keramikauskleidung werden hier nicht berücksichtigt. Dabei können die chemischen Reaktionen zur Veränderung der relevanten Schlackeeigenschaften, wie Zusammensetzung, Schmelzpunkt, Viskosität, Fließeigenschaften führen.
Rotationsviskosimeter besitzen darüber hinaus den Nachteil, dass die Geometrie der Messinstrumente sehr aufwendig gestaltet werden muss, um für hohe Temperaturen geeignet zu sein. Auch ist die Einstellung der entsprechenden Versuchsparameter hinsichtlich der Rotationsgeschwindigkeit und der Rührerlage sehr schwierig. Hinzu kommt, dass häufig sehr aggressive Schlacken zu messen sind. Zum weiteren Stand der Technik zählen auch die JP-59-116036 A , die US 5 161 470 oder die GB 1 219 150 .
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der das Fließverhalten von heterogenen Schmelzen ebenso bestimmbar ist, wie eine chemische, mineralogische Analyse der Schlacken in Verbindung z. B. mit dem Fließverhalten.
Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass aus einem in einem Hochtemperaturofen erhitzten Messgefäß über eine Auslaufdüse mit bekannten geometrischen Daten der zu überprüfende Stoff, z. B. flüssige Schlacken, auf eine sich bewegende, mit einer elektronischen Waage gekoppelte Oberfläche geleitet wird, wobei beim Auslaufen das Gewicht und die Fließzeit des auslaufenden Stoffes gemessen, aus dem Gewicht und der Dichte des Stoffes das Volumen berechnet und aus den erhaltenen Messerergebnissen die Fließeigenschaft des Stoffes bestimmt wird sowie durch Probenahme an unterschiedlichen Orten der Stoffspur die jeweilige Zusammensetzung des Stoffes bestimmt wird.
Durch die Erfassung und Umrechnung der entsprechenden ermittelten Daten aus der Berechnung des Ausfließens durch die Auslaufdüse mit Messung der Fließzeit, des Gewichtes u. dgl. einschließlich des Erzeugens einer Schlackespur auf der sich bewegenden Oberfläche ist es möglich, z. B. Schlackeproben genau denjenigen sonstigen Parametern und damit zu diesen Parametern die chemische und mineralogische Zusammensetzung der jeweiligen Probe zuzuordnen und entsprechende Rückschlüsse auf das Fließverhalten der Schlacke zu ziehen.
Mit bekannten Messeinrichtungen ist es nicht möglich, die Fließgeschwindigkeit einer bestimmten Schlacke zuzuordnen, die Bestandteil einer heterogenen Schlacke ist, so dass sich kein Zusammenhang zwischen dem Fließverhalten bzw. der Viskosität und der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung dieser Schlackenanteile herstellen lässt.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann alternativ vorgesehen sein, dass die Temperatur während der Auslaufzeit konstant gehalten wird. Zweckmäßig wird die Temperatur aber während der Auslaufzeit geändert, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Um rasch eine Schlackespur zu erhalten, der Proben entnommen werden können, sieht die Erfindung auch vor, dass der auslaufende Stoff über die sich bewegende Fläche gekühlt wird. Natürlich können hier auch andere Kühlarten vorgesehen sein, wie Gebläse, Kühltunnel od. dgl.
Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die sich bewegende Fläche von einem Drehteller oder einem Transportband bereitgestellt wird, wobei in diesen Fällen entweder der Drehteller oder das Transportband kühlbar ausgestaltet sein können.
Zur Lösung der weiter oben formulierten Aufgabe sieht die Erfindung auch eine Vorrichtung vor, die sich durch einen Hochtemperaturofen mit einem innenliegenden, durch eine Schließeinrichtung verschlossenen, mit dem zu überprüfenden Stoff gefüllten Messgefäß mit Auslaufdüse, eine der Auslaufdüse zugeordnete, sich bewegende Oberfläche, welche mit einer Waage gekoppelt ist, Messeinrichtungen zur Bestimmung der Temperatur und der Gewichtsänderung der sich bewegenden Oberfläche in Abhängigkeit der Zeit sowie eine Datenerfassungs- und Datenverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Fließeigenschaften und der Viskosität des zu überprüfenden Stoffes auszeichnet.
Die Vorrichtung kann sich auch erfindungsgemäß dadurch auszeichnen, dass die sich bewegende Oberfläche ein Drehteller oder ein Transportband ist, wobei die sich bewegende Oberfläche mit einer Kühleinrichtung ausgerüstet sein kann, wie dies die Erfindung in Ausgestaltung ebenfalls vorsieht.
Um auch das Fließverhalten bzw. die Viskosität von thermodynamisch instabilen Flüssigkeiten, die hohen Temperaturen einer Gewichtsänderung unterliegen, bestimmen zu können, sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass das im Hochtemperaturofen befindliche Messgefäß mit einer elektronischen Waage gekoppelt ist.
Eine Gewichtsänderung von instabilen Flüssigkeiten bei hohen Temperaturen kann sich beispielsweise dadurch ergeben, dass Zersetzungsprozesse oder Wechselwirkungen mit der Prozessatmosphäre (Redox-Reaktion) hervorgerufen werden, wobei diese Verfahrensweise es auch erlaubt, mögliche Änderungen des Fließverhaltens und/oder der Viskosität mit der Gewichtsänderung und dadurch mit dem Zersetzungsgrad der Schmelze in Koalition zu bringen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 die schematische Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine Kurve zur dynamischen Viskosität einer entmischten Braunkohlenasche sowie in
4 ein Ergebnis einer simultanen Messung der dynamischen Viskosität und des Gewichtsverlustes einer Braunkohlenasche.
Die allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung im in 1 dargestellten Beispiel ist schematisch dargestellt. Dabei ist der Hochtemperaturofen mit 2 beziffert und symbolisch im Schnitt dargestellt mit angedeutetem Heizelement 3.
Im Inneren des Hochtemperaturofens 2 ist ein in seinen Abmessungen und im Aufnahmevolumen definiertes Messgefäß 4 positioniert, das im Hochtemperaturofen auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt wird, um die mit 5 bezeichnete Schlacke in seinem Inneren zu schmelzen. Ein heb- und senkbarer Verschlussstopfen 6, die Heb- und Senkbarkeit ist mit einem Doppelpfeil 7 bezeichnet, verschließt bzw. öffnet eine mit 8 bezeichnete Auslaufdüse am unteren Ende des Messgefäßes 4, um gezielt Schlacke 9 auf eine sich bewegende Oberfläche 10a, z. B. einem Drehteller 10, abzugeben, der mit einer Waage 11 gekoppelt ist, die das Gewicht der auflaufenden Schlacke elektronisch misst und in eine hier nicht näher dargestellte Datenverarbeitungsanlage weitergibt. Der Antrieb des Drehtellers 10 ist lediglich angedeutet und mit 12 bezeichnet.
Den sich ergebenden Daten lässt sich durch Synchronisation der Auslaufgeschwindigkeit einerseits und der Drehgeschwindigkeit des Drehtellers 10 andererseits genau bestimmen, zu welcher Zeit mit welcher Geschwindigkeit der entsprechende Schlackeanteil auf dem Drehteller 10 aufgebracht wurde, so dass sich nach Abkühlung Proben entnehmen lassen, deren chemische Zusammensetzung und sonstigen Parameter somit genau definierbar sind.
In 2 ist ein abgewandeltes Beispiel dargestellt. Hier weist auch das Messgerät 4a eine Waage 11a auf, während ein Schlackeaufnahmegefäß 13 im Inneren des Ofens 2 mit einer Waage 11b in Kontakt steht. Auch werden alle ermittelten Daten einer nicht näher dargestellten Datenverarbeitungsanlage zugeführt und dort ausgewertet.
Das Ergebnis der dynamischen Viskosität einer entmischten Braunkohlenasche zeigt die 3, die die unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten von Ascheanteilen bei unterschiedlichen Temperaturen darstellt.
In 4 ist das Ergebnis einer simultanen Messung der dynamischen Viskosität und des Gewichtsverlustes an einer Braunkohlenasche, ermittelt durch eine Vorrichtung gemäß 2, wiedergegeben.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Hochtemperaturofen
3: Heizelement
4: Messgefäß
5: Schlacke
6: Verschlussstopfen
7: Doppelpfeil
8: Auslaufdüse
9: Schlacke
10: Drehteller
10a: sich bewegende Oberfläche
11: Waage
12: Drehtellerantrieb
13: Schlackeaufnahmegefäß
14: Kühleinrichtung

Claims

Verfahren zur Untersuchung der Zusammensetzung, der Fließeigenschaften und der Viskosität von heterogenen flüssigen Stoffen, z. B. flüssigen Schlacken, insbesondere bei hohen Temperaturen von 1000°C und mehr, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem in einem Hochtemperaturofen erhitzten Messgefäß über eine Auslaufdüse mit bekannten geometrischen Daten der zu überprüfende Stoff auf eine sich bewegende, mit einer elektronischen Waage gekoppelte Oberfläche geleitet wird, wobei beim Auslaufen das Gewicht und die Fließzeit des auslaufenden Stoffes gemessen werden, aus dem Gewicht und der Dichte des Stoffes das Volumen berechnet und aus den erhaltenen Messerergebnissen die Fließeigenschaft des Stoffes bestimmt wird sowie durch Probenahme an unterschiedlichen Orten der Stoffspur die jeweilige Zusammensetzung des Stoffes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während der Auslaufzeit konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während der Auslaufzeit geändert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auslaufende Stoff über die sich bewegende Fläche gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich bewegende Fläche von einem Drehteller bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich bewegende Fläche von einem Transportband bereitgestellt wird.
Vorrichtung (1) zur Untersuchung der Zusammensetzung, der Fließeigenschaften und der Viskosität von heterogenen flüssigen Stoffen, insbesondere bei hohen Temperaturen von 1000°C und mehr, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Hochtemperaturofen (2) mit einem innenliegenden, durch eine Schließeinrichtung verschlossenen, mit dem zu überprüfenden Stoff gefüllten Messgefäß (4) mit Auslaufdüse (8), eine der Auslaufdüse zugeordnete, sich bewegende Oberfläche (10a), welche mit einer Waage (11) gekoppelt ist, Messeinrichtungen zur Bestimmung der Temperatur und der Gewichtsänderung der sich bewegenden Oberfläche in Abhängigkeit der Zeit sowie eine Datenerfassungs- und Datenverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Fließeigenschaften und der Viskosität des zu überprüfenden Stoffes.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die sich bewegende Oberfläche (10a) ein Drehteller oder ein Transportband ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die sich bewegende Oberfläche (10a) mit einer Kühleinrichtung (14) ausgerüstet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Hochtemperaturofen (2) befindliche Messgefäß (4a) mit einer elektronischen Waage (11a) gekoppelt ist.