DE102011113303B4

DE102011113303B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der Fließeigenschaften und der Viskosität von flüssigen Stoffen, insbesondere bei Temperaturen von 1000°C und mehr

Info

Publication number: DE102011113303B4
Application number: DE102011113303.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pavone Domenico; Ralf Abraham; Dr. Rymon Lipinski Tadeusz von
Original assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: WO2013037691A1; DE102011113303A1

Abstract

Verfahren zur Untersuchung der Fließeigenschaften und der Viskositat von flüssigen Stoffen, 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, z. B. flüssige Schlacken, in ein mit einer elektronischen Waage gekoppeltes Auffanggefäß ausgeleitet 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.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Untersuchung der Fließeigenschaften und der Viskosität von flüssigen Stoffen 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 daher auf eine Messmethode und eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Fließverhaltens und der Viskosität von derartigen 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.
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 lediglich die WO97/42482 , die EP 1 260 808 A1 oder die EP 0 166 332 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.
Hier setzt die Erfindung an, deren Aufgabe darin besteht, ein Verfahren und eine Messeinrichtung zu schaffen, die den schwierigen Messbedingungen bei Messungen von Schlacken hoher Temperaturen gerecht wird.
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, in ein mit einer elektronischen Waage gekoppeltes Auffanggefäß ausgeleitet 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.
Durch die einfache Art des Auslaufens der Schlacke, ohne dass dynamische Kräfte beim Messen zusätzlich auf die Schlacke einwirken, ist es möglich, die entsprechenden Werte zu erfassen, die mit Hilfe des Hagen-Poiseuille-Gesetzes die Ermittlung und Berechnung derjenigen Werte ermöglichen, die für einen optimalen Betrieb notwendig sind.
Das Messergebnis wird als Volumen der ausgelaufenen Schlacke pro Zeiteinheit dV/dt = f(Messzeit) in cm³/s dargestellt. Dieser Wert kann zur Charakterisierung und/oder Vergleich der Fließeigenschaften einer Flüssigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen herangezogen werden (Diagramm weiter hinten als 3 dargestellt).

Ausgehend von dem Hagen-Poiseuille-Gesetz

mit

Variable	Bedeutung	SI-Einheit
V	Volumenstrom durch das Rohr	m³
r	Innenradius des Rohres	s
l	Länge des Rohres	m
η	dynamische Viskosität der strömenden Flüssigkeit	Pa·s
Δp	Druckdifferenz zwischen Anfang und Ende des Rohres	Pa
Z	Flussrichtung

kann man die Fließgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem Produkt der Höhe der Schmelzensäule H, der Dichte der Schmelze ρ und der Gerätekonstante K darstellen (dV/dt = f[H·ρ·K]), (Diagramm weiter hinten als 4 dargestellt). Die Gerätekonstante K wird aus dem Quotient der vierten Potenz des Durchmessers und der Länge der Auslaufdüse berechnet. Mit diesem Verfahren lassen sich Fließgeschwindigkeiten unterschiedlicher Schmelzen bei bestimmten Temperaturen miteinander vergleichen. Die Messergebnisse können mit Hilfe des Gesetzes von Hagen-Poiseuille ebenfalls zur Bestimmung der dynamischen Viskosität verwendet werden (Diagramm weiter hinten als 5 dargestellt).

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Temperatur während der Auslaufzeit konstant gehalten wird.
Neben einer konstanten Temperatur ist es nach der Erfindung auch möglich, dass die Temperatur während der Auslaufzeit geändert wird.
Dabei ist eine Messung bei einer an- bzw. absteigenden Temperatur möglich, (Diagramm werter hinten als 6 dargestellt). Realisierbar ist ebenfalls eine Messungsführung, in welcher die Temperatur einem vorgegebenen Temperaturregime folgt. In dieser Ausführungsvariante können all die oben diskutierten Abhängigkeiten bzw. Parameter, d. h. dV/dt = f(Messzeit), dV/dt = f(T), dV/dt = f(H·ρ·k), η = f(T), bestimmt werden. Die Temperatur des Messbeginns wird durch Öffnung der Auslaufdüse durch Heben des Verschlussstopfens bestimmt. Diese Messung eignet sich besonders gut zur schnellen Bestimmung der oben genannten Parameter in einem bestimmten, prozessspezifischen Temperaturfenster, z. B. zu Kontrollzwecken, zur Qualitätskontrolle usw.
Um die Art der Schlacken z. B. labormäßig untersuchen zu können, sieht die Erfindung auch vor, dass der auslaufende Stoff über das Auffanggefäß gekühlt wird.
Durch die Art der Messung und die Erfassung der jeweiligen Zeit lässt sich später an den Schlacken eine genaue Zuordnung der jeweiligen Schlackeprobe zu der entsprechenden Auslasstempertur erreichen.
Zur Lösung der oben formulierten Aufgabe sieht die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vor, die sich durch einen Hochtemperaturofen mit einem innenliegenden, durch eine Schließeinrichtung verschlossenen Messgefäß mit Auslaufdüse, einem der Auslaufdüse zugeordneten Auffanggefäß, welches mit einer Waage gekoppelt ist, und Messeinrichtungen zur Bestimmung der Temperatur und der Gewichtsänderung des Auffanggefäßes in Abhängigkeit der Zeit sowie eine Datenerfassungs- und Datenverarbeitungseinrichtung auszeichnet.
Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Auffanggefäß im Inneren des Hochtemperaturofens angeordnet ist.
Je nach Art der Überprüfung kann es zweckmäßig sein, wenn das Auffanggefäß außerhalb des Hochtemperaturofens angeordnet ist, wie dies die Erfindung in weiterer Ausgestaltung ebenfalls vorsieht.

Will man das Erstarren der Schlacke beschleunigen, so sieht die Erfindung hierfür vor, dass das Auffanggefäß mit einer Kühleinrichtung ausgerüstet ist. Beispiel 1: Bestimmung der dynamischen Viskosität eines Glases

Untersuchter Stoff:	Fensterglas, Materialdichte: 2,52 g/cm³
Einwaage:	100 g
Messgefäß:	Al₂O₃-Tiegel mit Verschlussstopfen
	Durchmesser: 52,8 mm
	Durchmesser der Auslaufdüse: 9,8 mm
	Länge der Auslaufdüse: 13,5 mm
Messtemperatur:	1440°C
Aufheizrate:	5 K/Min
Durchführung:	Das Messgefäß, verschlossen mit einem Keramikstopfen, wurde mit 100 g des zu überprüfenden Glases befüllt und in einen elektrisch beheizten Ofen gestellt. Die Vorrichtung wurde mit einer Aufheizrate von 5 K/Min auf die Messtemperatur erhitzt. Zur Ausgleichung der Temperatur in der Ofenkammer wurde bei der Messtemperatur eine Haltezeit von 1 Stunde eingelegt. Danach wurde der Verschlusstopfen gehoben und das flüssige Glas in ein Auffanggefäß aus einer feuerfesten Al₂O₃-Keramik ausgelassen. Das Auffanggefäß befand sich in der Ofenkammer.
Ergebnis:	log η = 2.08 dynamische Viskosität η = 95 dPas

Beispiel 2: Bestimmung der dynamischen Viskosität eines Steinkohlegranulates aus einer Schmelzkammer

Untersuchter Stoff:	Steinkohlegranulat aus einer Schmelzkammer, Materialdichte: 3.08 g/cm³
Einwaage:	100 g
Messgefäß:	Al₂O₃-Tiegel mit Verschlussstopfen
	Durchmesser: 52,8 mm
	Durchmesser der Auslaufdüse: 9,8 mm
	Länge der Auslaufdüse: 13,5 mm
Messtemperatur:	1500°C
Aufheizrate:	5 K/Min
Durchführung:	Wie im Beispiel 1
Ergebnis:	Dynamische Viskosität η = 62 dPas

Beispiel 3: Bestimmung der Auslaufgeschwindigkeit einer Braunkohleasche

Untersuchter Stoff:	Baunkohleasche Heimbach, Typ HKS, Materialdichte: 3.07 g/cm³
Einwaage:	50 g
Messgefäß:	Al₂O₃-Tiegel mit Verschlussstopfen
	Durchmesser: 26,5 mm
	Durchmesser der Auslaufdüse: 1,8 mm
	Länge der Auslaufdüse: 3 mm
Messtemperatur:	1400°C
Aufheizrate:	5 K/Min
Durchführung:	Wie im Beispiel 1
Ergebnis:	Auslaufgeschwindigkeit: dG/dt = 0.046 g/s, dV/dt = 0.015 cm³/s

Beispiel 4: Bestimmung der Viskosität eines Steinkohlegranulates aus einer Schmelzkammer bei monoton ansteigender Temperatur

Untersuchter Stoff:	Schmelzkammergranulat, Materialdichte:
	3.08 g/cm³
Einwaage:	100 g
Messgefäß:	Al₂O₃-Tiegel mit Verschlussstopfen
	Durchmesser: 52,8 mm
	Durchmesser der Auslaufdüse: 9,8 mm
	Länge der Auslaufdüse: 13,5 mm
Messbeginn:	1415°C
Aufheizrate:	5 K/Min
Durchführung:	Das Messgefäß, verschlossen mit einem Keramikstopfen, wurde mit 100 g des zu überprüfenden Granulates befüllt und in einen elektrisch beheizten Ofen gestellt. Die Temperatur des Ofens mit dem Messgefäß wurde mit einer Aufheizrate von 5 K/Min kontinuierlich erhöht. Bei der Temperatur des Messbeginns wurde der Verschlussstopfen gehoben und das Abfließen des geschmolzenen Steinkohlegranulates in ein Auffanggefäß aus einer feuerfesten Al₂O₃-Keramik eingeleitet. Das Auffanggefäß befand sich in der Ofenkammer.
Ergebnis:	Im Temperaturbereich 1415 bis 1445°C konnte mit Hilfe der Erfassung der Auslaufgeschwindigkeit die Änderung der dynamischen Viskosität des Steinkohlegranulates ermittelt werden, s. Fig. 6

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 Vorrichtung nach der Erfindung,
2 in gleicher schematischer Darstellung ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung,
3 ein Volumen-/Messzeit-Diagramm,
4 ein Fließgeschwindigkeitsdiagramm,
5 ein Fließgeschwindigkeits-/Temperaturdiagramm sowie in
6 ein Diagramm zur dynamischen Viskosität bei ansteigender Temperatur.
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 in ein Auffanggefäß 9 abzugeben, das mit einer Waage 10 gekoppelt ist, die das Gewicht der einlaufenden Schlacke elektronisch messen und an eine Datenverarbeitungsanlage 11 weitergeben kann.
Lediglich symbolisch ist im Inneren des Hochtemperaturofens ein Temperaturmessgerät angedeutet, das mittels der strichpunktierten Linie ebenfalls mit der Datenverarbeitungsanlage 11 verbunden ist, dies ist mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.
In 2 ist ein leicht abgewandeltes Ausführungsbeispiel der erfinderischen Vorrichtung 1a dargestellt, wobei die funktionsmäßig gleichen Elemente in 2 die gleichen Bezugszeichen tragen, wie die Elemente aus 1.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist hier das Auffanggefäß 9a zur Aufnahme der auslaufenden Schlacke außerhalb des Hochtemperaturofens 2 positioniert. Die Schlacke durchläuft eine Schleusenöffnung 13 im Ofenboden, um so in das Auffanggefäß 9a zu gelangen. Durch eine Spirale ist angedeutet, dass das Auffanggefäß mit einer Kühleinrichtung 14 ausgestattet sein kann. Dies gilt auch für das Beispiel der 1, um ggf. die einlaufende Schlacke rasch zur Erstarrung abkühlen zu können.
Wie oben schon ausgeführt, werden in der Datenverarbeitungsanlage 11 alle Messwerte und vorhergehenden Parameter eingespeist und verarbeitet. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um eine definierte Geometrie des keramischen Messgerätes 4, die entsprechenden geometrischen Werte der Auslaufdüse 8 einschließlich der entsprechenden Lage, die Menge der in das Messgerät eingebrachten Schlacke 5 und die Messtemperatur mit einem vorgegebenen Aufheizgrad.
Nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes wird die Düse 8 durch Anheben des Verschlussstopfens 6 geöffnet, wobei die Auslaufzeit und die Gewichtszunahme der Schlacke im Auffanggefäß 9 weitere in die Datenverarbeitungslage einzugebenden Größen darstellen.
Während der Messung werden das Gewicht und die Fließzeit der auslaufenden Schlacken erfasst, wobei aus dem Gewicht und der Dichte der Schlacke dann das Volumen berechnet wird.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass das eingebrachte Volumen der fließenden Schlacke auch in anderer Weise ermittelt werden kann, beispielsweise mittels Video- oder Fotokamera bzw. Filmkamera oder durch andere entsprechende Messmethoden.
Wie oben angegeben, sind die ermittelten bzw. errechneten Ergebnisse im Diagramm gemäß der 3 bis 6 näher dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Hochtemperaturofen
3: Heizelement
4: Messgefäß
5: Schlacke
6: Verschlussstopfen
7: Doppelpfeil
8: Auslaufdüse
9: Auffanggefäß
10: Waage
11: Datenverarbeitungsanlage
12: Temperaturmessgerät
13: Schleusenöffnung
14: Kühleinrichtung

Claims

Verfahren zur Untersuchung der Fließeigenschaften und der Viskositat von flüssigen Stoffen, 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, z. B. flüssige Schlacken, in ein mit einer elektronischen Waage gekoppeltes Auffanggefäß ausgeleitet 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.
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 das Auffanggefäß gekühlt wird.
Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Hochtemperaturofen (2) mit einem innenliegenden, durch eine Schließeinrichtung verschlossenen Messgefäß (4) mit Auslaufdüse (8), einem der Auslaufdüse zugeordneten Auffanggefäß (9), welches mit einer Waage (10) gekoppelt ist, und Messeinrichtungen (12) zur Bestimmung der Temperatur und der Gewichtsänderung des Auffanggefäßes (9) in Abhängigkeit der Zeit sowie eine Datenerfassungs- und Datenverarbeitungseinrichtung (11).
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffanggefäß (9) im Inneren des Hochtemperaturofens (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffanggefäß (9a) außerhalb des Hochtemperaturofens (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffanggefäß (9a) mit einer Kühleinrichtung (14) ausgerüstet ist.