[发明专利]表征高粘度固体燃料灰流变性的针入度测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体燃料灰流变性的测量方法及装置，属于材料流变性测量技术领域。

背景技术

固体燃料灰结渣是煤及生物质类固体燃料燃烧或气化利用过程中比较普遍遭遇的工程问题，是影响相关工业过程正常运行的重要因素。固体燃料灰结渣过程主要受到自身流变特性的影响。目前固体燃料灰流变性能的表征主要采用熔融性与粘度概念进行描述，针对高粘度固体燃料灰，诸如温度低于灰流动温度的固体燃料灰，表面粘度明显大于高于流动温度的灰粘度，现有测量方法无法定量获得准确的流变测量结果，给该条件下固体燃料灰粘结预测带来困难。作为我国主要一次能源来源，目前煤的高效利用已经成为能源研究领域的前沿方向，生物质类固体燃料利用也成为可再生能源的重要组成，无论是直接燃烧还是气化过程，大都涉及到固体燃料灰结渣问题，该问题已经成为发展煤及生物质类固体燃料高效清洁利用亟待解决的难题。因此，提出一种测量高粘度固体燃料灰流变性的方法，为准确预测固体燃料灰结渣过程奠定理论与测试基础，是煤及生物质类固体燃料利用基础研究所急需的测量手段，具有重要的理论与实际意义。

目前，灰熔融性和灰粘度是固体燃料利用的重要灰流变指标，已有研究主要以测量灰熔融性与灰粘度来表征固体燃料灰流变性，并取得了很多研究成果。测定固体燃料灰熔融性的方法主要有角锥法和柱体法两种。测量粘度的方法主要有旋转法、振动法、毛细管法、超声波法等。目前用于固体燃料灰的高温粘度计，仍然是基于旋转法制成，一般可用来测量范围在0.1-10000Pa·s，温度在1750℃以下的熔体粘度。高温粘度计的测量原理是：在高温炉中放一个耐热坩埚，在熔体中悬挂一个耐腐蚀的圆柱形搅拌桨。粘度测定分两种方式：一种是由带动搅拌桨作匀速转动的直流马达所消耗的电流来确定粘度；另一种是由悬挂搅拌桨的弹性金属丝在作匀速转动时产生的扭转角来确定粘度，目前常用的是后一种方式，如煤炭科学研究院设计的高温粘度计与华东理工大学设计的高温流变仪。

固体燃料灰熔融性及灰粘度这两个参数在很大程度上表征了固体燃料灰的粘性，对结渣的判断起着重要作用，在已有研究中得到了广泛的应用。然而，二个参数在表征灰粘性上仍然有着一定的局限性，不能反映固体燃料灰在整个温度区间内的流变性。

通过高温粘度计所能测得的粘度值仅为灰临界温度之上，高于灰软化温度的粘度值，即固体燃料灰的粘度参数仅能反映灰软化、具有很好流动性之后的流变性。当灰渣中固含量较高时，粘度值超出高温粘度计的量程且粘度随温度降低呈指数增长，粘度值受到剪切速率影响而仅呈现表观粘度且数值过大而不能作为此时流变性的一个理想的表征参数。而较多工业过程的结渣问题正是发生在固体燃料灰处于高粘度范围，诸如锅炉炉膛水冷壁上远离燃烧器的部分区域、气化炉内表面部分区域等等。已有研究表明高粘度固体燃料灰具有明显的结渣倾向。现有结渣模型主要利用灰粘度值进行判断，对于高粘度固体燃料灰存在粘度表征困难的问题，极大影响了预测的准确性，亟待提出新的表征高粘度固体燃料灰流变性的参数及相应的测量方法，以弥补现有研究的不足，同时为定量准确预测结渣量奠定基础。

同样，灰的熔融性是由三个特征温度来表征，仅为三个孤立的温度点，对灰在软化点之前的流变性只能间接反映，而缺乏一个量化的参数。然而，固体燃料灰的结渣过程却贯穿很大的温度区间，其结渣过程主要由不同温度下流变性所产生的粘性引起，因此有必要提出一种更好的测量方法来测量高粘度固体燃料灰的流变性，从而与灰粘度一起反映不同温度区间内的流变性，为结渣过程提供更精确的判据与模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量高粘度固体燃料灰流变性的方法，通过该方法测得的流变性参数为针入度，可以衡量固体燃料灰在软化点以下的流变性，是对已有的灰熔融性和灰粘度很好的补充和完善，且能反映渣层的更多特性，具有很好的应用前景。

表征高粘度固体燃料灰流变性的针入度测量装置，含有针入度测量仪，该针入度测量仪由机械传动装置、位移传感装置、标准针和针连杆组成，标准针通过针连杆与位移传感装置相连，针连杆固定在机械传动装置上，其特征在于：所述的针入度测量装置还包括带有热电偶的高温炉，设置在高温炉顶部的冷却套和惰性气体保护通道，以及放置在高温炉内的带凹槽的底座、盛样皿、环境气体进气管和环境气体出气管；所述的盛样皿放置在带凹槽的底座内，所述的标准针通过惰性气体保护通道和冷却套插入高温炉内，并与带凹槽的底座对中。

所述装置的表征高粘度固体燃料灰流变性的针入度测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：