مقدمة
يُعد الفحم الوقود الرئيسي المستخدم في إنتاج الأسمنت في الصين، وهو أحد المؤشرات الرئيسية لاستهلاك الوقود الخام في إنتاج الأسمنت. ولا تؤثر جودة الفحم على إنتاجية وجودة إنتاج كلنكر الأسمنت فحسب، بل تؤثر أيضًا على تكاليفه؛ حيث إن الفحم عالي الجودة ذو القيمة الحرارية الأعلى يمكن أن يتيح درجات حرارة أعلى في العملية أو يقلل من استهلاك الفحم عند نفس درجة حرارة العملية، مما يؤدي إلى خفض تكاليف الوقود. وتعد وسائل الاختبار المتقدمة وتعزيز إدارة جودة الفحم من العناصر المهمة لضمان خفض استهلاك الفحم وتحسين جودة منتجات الأسمنت.
يعد سلوك احتراق الفحم في صناعة الأسمنت معقدًا. لم تعد طرق التقييم التحليلي الصناعية التقليدية [1] قابلة للتطبيق. ومن الأمثلة على ذلك طريقة المسعر الحراري الثابت الحرارة، حيث يُوضع الفحم في وعاء ثابت الحرارة، ويُحسب محتواه الحراري عن طريق قياس التغير في درجة الحرارة داخل الوعاء. ورغم أن هذه الطريقة تستخدم معدات بسيطة، فإن نتائج القياس تكون غير دقيقة نسبيًا.
في هذا العمل، يتم توصيف خصائص الفحم باستخدام محلل حراري متزامن من طراز STA Jupiter® من شركة NETZSCH. وقد استُخدمت منحنيات التحليل الحراري الوزني (TGA) والكالوريمترية التفاضلية المسحية (DSC) لتحديد معلمات الاحتراق الرئيسية، بما في ذلك درجات حرارة بداية ونهاية التفاعل الطارد للحرارة (Tonset، Tend)، ودرجة حرارة فقدان الكتلة الأولي (Ti)، ومعدل فقدان الكتلة الأقصى (Vmax)، الحرارة الإجمالية المنبعثة (q)، ومتوسط معدل الاحتراق (v). وبناءً على هذه المعلمات، تم تحديد ثلاثة مؤشرات تقييم،
- كثافة الاحتراق (I)،
- متوسط شدة إطلاق الحرارة (Q) و
- مؤشر خصائص الاحتراق (S)
. وتوفر هذه المؤشرات أساسًا كميًّا لتقييم أداء احتراق الفحم. في صناعة الأسمنت، يتميز الفحم الذي يتمتع بسلوك احتراق أمثل بانخفاض شدة الاحتراق (I)، وارتفاع متوسط شدة إطلاق الحرارة (Q)، وارتفاع مؤشر خصائص الاحتراق (S)، مما يعكس توازنًا مواتيًا بين سلوك الاشتعال، وإنتاج الحرارة، والتفاعلية الإجمالية.
طريقة القياس
بالنسبة للسلسلة التجريبية، تم اختيار عينتين من الفحم — الفحم «أ» والفحم «ب» —. وبلغت كتلة كل عينة حوالي 10 ملغ. امتد برنامج درجة الحرارة المطبق من درجة الحرارة المحيطة (RT) إلى 1000 درجة مئوية. وأُجري التسخين بمعدل ثابت قدره 10 كلفن/دقيقة في جو هوائي. يوضح الجدول 1 جميع المعلمات المهمة لمنحنيات تحليل التفاعل الحراري (TGA) والتحليل الحراري التفاضلي (DSC) إلى جانب الرمز والوحدة والتعريف المقابلين.
تحديد معلمات مؤشرات التقييم
باستخدام المعلمات الأساسية لمنحنى التحليل الحراري، يمكن تحديد معلمات مؤشر التقييم الثلاثة التالية [2] (انظر الجدول 1 للاختصارات).
أ) شدة الاحتراق (I)
تشير شدة احتراق الفحم إلى شدة الإطلاق الفوري للحرارة في العملية الطاردة للحرارة. وتُعرَّف على النحو التالي:
ب) متوسط شدة إطلاق الحرارة (Q)
يعبر متوسط شدة الإطلاق الحراري للفحم عن كمية الحرارة المنبعثة لكل وحدة كتلة من الفحم لكل وحدة درجة حرارة خلال الفترة الممتدة من بداية النشاط الحراري للفحم حتى نهايته. ويُعرَّف على النحو التالي:
ج) مؤشر خصائص الاحتراق (S)
تُعد خصائص احتراق الفحم مؤشراً شاملاً للفحم، تشمل قابلية الفحم للاشتعال، ونقطة اشتعال الفحم، وشدة احتراق الفحم، ومدة احتراق الفحم. ومن هذه الزوايا، وبالاقتران مع المراجع ذات الصلة [3-4]، يمكن
الجدول 1: المعلمات المهمة لمنحنيات تحليل الحرارة الترشيحي (TGA) والتحليل الحراري الترشيفي (DSC) مع الرمز والوحدة والتعريف.
| المعلمة | الوحدة | التعريف | |
|---|---|---|---|
القياس الحراري الوزني (TGA) | |||
| درجة حرارة بدء فقدان الكتلة | Ti | °C | درجة الحرارة التي يبدأ عندها الفحم في فقدان وزنه (درجة حرارة الاشتعال). |
| زمن الاحتراق | t98% | دقيقة | الوقت اللازم لحرق 98% من الوقود. |
| درجة حرارة الاحتراق الكامل | T98% | °C | درجة الحرارة المقابلة لحرق 98% من الوقود. |
| معدل الاحتراق المتوسط | V | %/دقيقة | النسبة المئوية لإجمالي فقدان الوزن مقسومة على زمن الاحتراق. |
القياس الحراري الوزني التفاضلي (DTG) | |||
| معدل فقدان الكتلة الأقصى | Vmax | %/دقيقة | معدل فقدان الكتلة الأقصى. |
تدفق الحرارة (DSC) | |||
| درجة حرارة بداية الذروة الطاردة للحرارة | Tonset | درجة مئوية | درجة حرارة الفحم عند بداية التأثير الطارد للحرارة |
| درجة حرارة نهاية الذروة الطاردة للحرارة | Tend | °C | درجة الحرارة عند نهاية التأثير الطارد للحرارة |
| مساحة الذروة الإكسوثرمية | q | جول/جرام | السعة الحرارية للفحم |
| ارتفاع ذروة التفاعل الطارد للحرارة | H | ارتفاع ذروة التفاعل الحراري بالنسبة لخط الأساس في جهاز DSC | |
| نصف عرض الذروة الحرارية (العرض) | W | min | الزمن المقابل لعرض الذروة عند نصف ارتفاع الذروة الحرارية. |
النتائج والمناقشة
تظهر منحنيات STA للفحم «أ» والفحم «ب» في الشكلين 1 و2 على التوالي. وكما ترى، تُظهر كلتا العينتين مرحلتين لفقدان الكتلة. تحدث الخطوة الأولى حتى درجة حرارة 150 درجة مئوية، وتُعزى إلى انبعاث الرطوبة. وتبلغ نسب فقدان الكتلة المقابلة للفحم «أ» والفحم «ب» 1.8% و1.6% على التوالي، مما يشير إلى محتويات رطوبة متقاربة. أما الخطوة الثانية لفقدان الكتلة، وهي أكبر بكثير، فتتوافق مع التحلل الحراري والاحتراق لعينات الفحم.
من منحنيات STA، يمكن الحصول على المعلمات الأساسية للخصائص الحرارية لنوعي الفحم، وهي مذكورة في الجدول 1.
وكما يتضح من الجدول 1، فإن درجات حرارة الاشتعال لنوعي الفحم، مرتبة حسب التناقص، هي كما يلي: الفحم ب > الفحم أ. وتعكس درجة حرارة الاشتعال مدى صعوبة اشتعال الفحم. فكلما انخفضت درجة حرارة الاشتعال، زادت سهولة اشتعال الفحم. أما السعة الحرارية لنوعي الفحم، بترتيب تنازلي، فهي كما يلي: الفحم B > الفحم A؛ فكلما زادت السعة الحرارية، كانت جودة الفحم أفضل. زمن الاحتراق لعينتي الفحم بالترتيب التنازلي هو كما يلي: الفحم أ > الفحم ب. وبشكل عام، كلما زاد زمن الاحتراق، كان أداء الاحتراق أسوأ.
يرد في الجدول 2 المعلمات الثلاثة لمؤشرات تقييم نوعي الفحم. بالنسبة لصناعة الأسمنت، كلما زاد مؤشر خصائص الاحتراق (S)، كان أداء احتراق الفحم أفضل وجودة الفحم أعلى. ومع ذلك، لا يمكن تحديد الأداء الشامل لاحتراق الفحم من خلال هذا المؤشر وحده. يجب أيضًا مراعاة حجم شدة الاحتراق (I) ومتوسط شدة إطلاق الحرارة (Q). ولا يتمتع بأداء شامل متميز سوى الفحم الذي يتميز بشدة احتراق منخفضة (I)، ومتوسط شدة إطلاق حرارة مرتفع (Q)، ومؤشر خصائص الاحتراق مرتفع (S).
وكما يتضح من الجدول 3، يتمتع الفحم «ب» بكثافة احتراق ومتوسط كثافة إطلاق الحرارة أعلى من الفحم «أ». ومع ذلك، فإن مؤشر خصائص الاحتراق الخاص به (5.35 ×10⁻⁹) أقل من مؤشر الفحم «أ» (5.46 ×10⁻⁹). وبشكل عام، يتمتع الفحم «أ» بأداء احتراق شامل متفوق.
الجدول 2: نتائج قياسات تحليل التغير في الحرارة (TGA) والتحليل الحراري التبايني (DSC) للفحم A و B.
| المعلمة | الوحدة | الفحم A | الفحم ب |
|---|---|---|---|
| درجة مئوية | 412 | 416 | |
| Ti | م/واط/ملغ | 12.24 | 13.16 |
| H | v | 27.80 | 25.80 |
| W | J/g | 20509 | 20520 |
| q | °C | 247 | 248 |
| تونسيت | درجة مئوية | 706 | 689 |
| t98% | دقيقة | 26.8 | 24.8 |
| T98% | درجة مئوية | 692 | 676 |
Ti: وقت الاشتعال؛ H: ارتفاع ذروة التفاعل الطارد للحرارة؛ W: عرض نصف ذروة التفاعل الطارد للحرارة؛ q: مساحة ذروة التفاعل الطارد للحرارة؛Tonset: درجة حرارة بداية ذروة التفاعل الطارد للحرارة؛Tend: درجة حرارة نهاية الذروة الطاردة للحرارة؛t98%: وقت الاحتراق الكامل؛T98%: وقت الاحتراق الكامل؛ v: متوسط معدل الاحتراق؛Vmax: أقصى معدل لفقدان الكتلة
الجدول 3: ثلاثة معاملات لمؤشرات تقييم الفحمين «أ» و«ب».
| المعلمة | الوحدة | الفحم أ | الفحم ب |
|---|---|---|---|
| كثافة الاحتراق، I | ميكروواط/ملغ·دقيقة | 0.440 | 0.525 |
| متوسط كثافة إطلاق الحرارة، Q | جول/غ·درجة مئوية | 44.721 | 46.594 |
| مؤشر خصائص الاحتراق، S | 5.46 × 10⁻⁹ | 5.35 × 10⁻⁹ |
الخلاصة
يمكن دراسة خصائص احتراق عينات الفحم باستخدام جهاز التحليل الحراري المتكامل NETZSCH STA Jupiter®. ويمكن الحصول على المعلمات الأساسية لعينات الفحم أثناء عملية التسخين من منحنيات التحليل الحراري الترشيحي (TGA) والتحليل الحراري الترشيحي (DTG) والتحليل الحراري الترشيفي (DSC)، مثل درجة حرارة الاشتعال، وإطلاق الحرارة، ووقت الاحتراق الكامل.
واستنادًا إلى المعلمات الحرارية المستمدة، يمكن حساب مؤشرات شاملة إضافية — مثل شدة الاحتراق، ومتوسط شدة إطلاق الحرارة، ومؤشر خصائص الاحتراق. وتوفر مؤشرات التقييم هذه وصفًا متكاملًا لسلوك احتراق الفحم وتتيح إجراء مقارنة أكثر موثوقية بين عينات الفحم المختلفة، مما يدعم اختيار الفحم الأنسب لتطبيق معين.
مقدمة
يُعد الفحم الوقود الرئيسي لإنتاج الأسمنت في الصين، ويُشكل أحد أهم المؤشرات لاستهلاك الوقود الخام في إنتاج الأسمنت. ولا تؤثر جودة الفحم على إنتاجية وجودة إنتاج كلنكر الأسمنت فحسب، بل تؤثر أيضًا على تكاليفه؛ حيث إن الفحم عالي الجودة ذو القيمة الحرارية الأعلى يتيح ارتفاع درجات حرارة المعالجة، أو يقلل من الطلب على الفحم عند ثبات درجة حرارة المعالجة، مما يؤدي إلى توفير تكاليف الوقود. تعد طرق الاختبار الحديثة وتحسين جودة الفحم من العوامل المهمة لضمان خفض استهلاك الفحم وتحسين جودة منتجات الأسمنت.
يُعد سلوك احتراق الفحم في صناعة الأسمنت معقدًا. لم تعد طرق التقييم التحليلي الصناعي التقليدية [1] قابلة للتطبيق. ومن الأمثلة على ذلك القياس الحراري العازل، حيث يُوضع الفحم في وعاء عازل ويتم حساب المحتوى الحراري للفحم عن طريق قياس التغير في درجة الحرارة داخل الوعاء. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة لا تتطلب سوى معدات بسيطة، إلا أن نتائج القياس غير دقيقة نسبيًا.
في هذا العمل، تم إجراء توصيف مادي لنوعين من الفحم عن طريق التحليل الحراري المتزامن باستخدام جهاز STA من شركة NETZSCH Jupiter® . واستنادًا إلى نتائج التحليل الحراري الوزني (TG) والكالوريمتر التفاضلي (DSC)، تم تحديد معلمات الاحتراق المهمة، بما في ذلك درجات حرارة بداية ونهاية (Tonset،Tend) التفاعل الطارد للحرارة، ودرجة حرارة فقدان الكتلة الأولي (Ti)، ومعدل فقدان الكتلة الأقصى (Vmax)، الحرارة الإجمالية المنبعثة (q)، ومتوسط معدل الاحتراق (v).
واستنادًا إلى هذه المعلمات، تم تحديد مؤشرات التقييم
- كثافة الاحتراق (I)،
- متوسط شدة إطلاق الحرارة (Q)، و
- مؤشر خصائص الاحتراق (S)
. وتوفر هذه المؤشرات أساسًا كميًّا لتقييم أداء احتراق الفحم. وتشترط صناعة الأسمنت عند استخدام الفحم سلوك احتراق مثالي يتمثل في انخفاض كثافة الاحتراق، وارتفاع متوسط كثافة إطلاق الحرارة، وارتفاع مؤشر خصائص الاحتراق. وهذا يعكس توازنًا إيجابيًّا بين سلوك الاشتعال، وإطلاق الحرارة، والتفاعلية الإجمالية.
الطريقة ومعايير القياس
تم تسخين عينتين مختلفتين من الفحم (الفحم «أ» و«ب»، بكتلة تبلغ حوالي 10 ملغ) من درجة حرارة الغرفة إلى 1000 درجة مئوية بمعدل تسخين قدره 10 كلفن/دقيقة في الهواء. ويوضح الجدول 1 جميع المعلمات المهمة لمنحنيات التحلل الحراري (TG) والتحليل الحراري التفاضلي (DSC)، إلى جانب رموزها ووحداتها وتعريفاتها.
مؤشرات الاحتراق:
تُستخدم القيم المقاسة الفردية لاحقًا لتحديد شدة الاحتراق، ومتوسط شدة إطلاق الحرارة، ومؤشر خصائص الاحتراق [2] (انظر الجدول 1 للاختصارات).
أ) شدة الاحتراق (I)
تشير شدة احتراق الفحم إلى شدة الإطلاق الفوري للحرارة في هذه العملية الطاردة للحرارة، وتُعرَّف على النحو التالي:
ب) متوسط شدة الإطلاق الحراري (Q)
تشير متوسط شدة الإطلاق الحراري للفحم إلى كمية الحرارة المنبعثة لكل وحدة كتلة من الفحم ولكل وحدة درجة حرارة خلال الفترة الممتدة من بداية النشاط الحراري للفحم حتى نهايته، وتُعرَّف على النحو التالي:
ج) مؤشر خصائص الاحتراق (S)
تعد خصائص احتراق الفحم مؤشرات شاملة لجودته، بما في ذلك القابلية للاشتعال ونقطة الاشتعال وشدة الاحتراق ومدة الاحتراق. انطلاقًا من هذه الجوانب ومع الأخذ في الاعتبار الأدبيات ذات الصلة
الجدول 1: المعلمات المهمة لمنحنيات TG وDSC مع الرمز والوحدة والتعريف.
| المعلمة | الرمز | الوحدة | التعريف |
|---|---|---|---|
| القياس الحراري الوزني (TG) | |||
| درجة حرارة بدء فقدان الكتلة | Ti | درجة مئوية | درجة الحرارة التي تبدأ عندها العينة بفقدان الكتلة (درجة حرارة الاشتعال). |
| زمن الاحتراق | t98% | min | الوقت اللازم لحرق 98% من الوقود. |
| درجة حرارة الاحتراق | T98% | درجة مئوية | درجة الحرارة التي يتم عندها حرق 98% من الوقود. |
| متوسط معدل الاحتراق | V | %/دقيقة | إجمالي فقدان الكتلة مقسومًا على زمن الاحتراق. |
| القياس الحراري الوزني التفاضلي (DTG) | |||
| معدل فقدان الكتلة الأقصى | Vmax | %/دقيقة | معدل فقدان الكتلة الأقصى. |
| المسح الحراري التفاضلي (DSC) | |||
| درجة حرارة بداية الذروة الطاردة للحرارة | Tonset | درجة مئوية | درجة الحرارة عند بداية التأثير الطارد للحرارة. |
| درجة حرارة نهاية الذروة الطاردة للحرارة | Tend | °C | درجة الحرارة عند نهاية التأثير الطارد للحرارة. |
| مساحة ذروة التفاعل الطارد للحرارة | q | جول/جرام | إنثالبي الاحتراق للعينة. |
| ارتفاع ذروة التفاعل الطارد للحرارة | H | ملي واط/ملغ | ارتفاع الذروة الحرارية بالنسبة لخط الأساس في جهاز DSC. |
| نصف عرض ذروة الانبعاث الحراري | W | min | الزمن المقابل لنصف عرض الذروة الطاردة للحرارة. |
النتائج والمناقشة
تظهر منحنيات TG وDSC للفحم A والفحم B في الشكلين 1 و2. وتُظهر كلتا العينتين مرحلتين لفقدان الكتلة. المرحلة الأولى، التي تمتد حتى حوالي 150 درجة مئوية، يمكن أن تُعزى على الأرجح إلى انبعاث الرطوبة. وبالمقارنة، يُظهر الفحمان «أ» و«ب» محتويات رطوبة متشابهة في هذه المرحلة (1.8% و1.6% على التوالي). أما المرحلة الثانية من فقدان الكتلة، وهي أكبر بكثير، فتتوافق مع التحلل الحراري والاحتراق لعينات الفحم.
توفر هذه المنحنيات المعلمات الأساسية للخصائص الحرارية لنوعي الفحم. ويورد الجدول 2 نتائج العينات الفردية.
تُظهر درجات حرارة الاشتعال لعينة الفحم «أ» (412 درجة مئوية) وعينة الفحم «ب» (416 درجة مئوية) قيمًا متشابهة، مع ارتفاع طفيف في درجة حرارة عينة الفحم «ب». وكلما ارتفعت درجة حرارة الاشتعال، زادت صعوبة اشتعال الفحم. كما أن إنثالبي الاحتراق للفحم «ب» أعلى منه في الفحم «أ». وكلما ارتفع إنثالبي الاحتراق، كانت جودة الفحم أفضل. هناك معلمة مهمة أخرى عند استخدام الفحم وهي مدة الاحتراق: فكلما طالت المدة، انخفض أداء الاحتراق. وتُظهر المقارنة بين العينتين أن عينة الفحم A، التي استغرقت ما يقرب من 28 دقيقة، تتفوق قليلاً على عينة الفحم B (حوالي 26 دقيقة).
وترد المعلمات الثلاث لتقييم نوعي الفحم في الجدول 3. بالنسبة لصناعة الأسمنت، كلما ارتفع مؤشر خصائص الاحتراق (S)، كان أداء احتراق الفحم أفضل وجودته أعلى. ومع ذلك، لا يمكن تحديد الأداء العام لاحتراق الفحم من هذا المؤشر وحده. كما يجب أخذ شدة الاحتراق (I) ومتوسط شدة إطلاق الحرارة (Q) في الاعتبار. ولذلك، يجب أن يتميز الفحم المستخدم بشدة احتراق منخفضة (I)، ومتوسط شدة إطلاق حرارة عالية (Q)، ومؤشر خصائص احتراق مرتفع (S) ليكون مناسبًا للاستخدام في صناعة الأسمنت.
وبناءً على هذا الاعتبار وبالرجوع إلى الجدول 3، يمكن ملاحظة أن الفحم «أ» يتمتع بأداء احتراق أفضل من الفحم «ب» نظرًا لانخفاض شدة احتراقه وارتفاع مؤشر خصائص الاحتراق الخاص به.
الجدول 2: نتائج قياسات TG وDSC لعينتي الفحم A وB.
| المعلمة | الوحدة | الفحم A | الفحم ب |
|---|---|---|---|
| Ti | درجة مئوية | 412 | 416 |
| H | ميغاواط/ملغ | 12.24 | 13.16 |
| W | دقيقة | 27.80 | 25.80 |
| q | J/g | 20509 | 20520 |
| تونسيت | درجة مئوية | 247 | 248 |
| تند | درجة مئوية | 706 | 689 |
| t98% | دقيقة | 26.8 | 24.8 |
| T98% | درجة مئوية | 692 | 676 |
| V | %/دقيقة | 3.150 | 3.394 |
Ti: درجة حرارة الاشتعال؛ H: ارتفاع ذروة التفاعل الطارد للحرارة؛ W: نصف عرض ذروة التفاعل الطارد للحرارة؛ q: إنثالبي الاحتراق؛Tonset: درجة حرارة بداية ذروة التفاعل الطارد للحرارة؛Tend: درجة حرارة نهاية الذروة الطاردة للحرارة؛t98%: زمن الاحتراق؛T98%: درجة حرارة الاحتراق؛ V: متوسط معدل الاحتراق؛Vmax: أقصى معدل لفقدان الكتلة
الجدول 3: معلمات الاحتراق المحسوبة لعينات الفحم «أ» و«ب».
| المعلمة | الوحدة | الفحم أ | الفحم ب |
|---|---|---|---|
| كثافة الاحتراق I | ميلي واط/ملغ·دقيقة | 0.440 | 0.525 |
| متوسط كثافة إطلاق الحرارة Q | جول/جم·درجة مئوية | 44.721 | 46.594 |
| مؤشر خصائص الاحتراق S | 5.46 × 10⁻⁹ | 5.35 × 10⁻⁹ |
ملخص
يمكن دراسة خصائص احتراق عينات الفحم المختلفة باستخدام جهاز التحليل الحراري المتكامل NETZSCH من شركة STA Jupiter®. ويمكن تحديد المعلمات الأساسية لعينات الفحم أثناء عملية الاحتراق من نتائج قياسات التحليل الحراري (TG) والتحليل الحراري بعد إزالة الغازات (DTG) والتحليل الحراري التفاضلي (DSC)، مثل درجة حرارة الاشتعال، وإطلاق الحرارة، ومدة الاحتراق.
واستنادًا إلى هذه القيم المقاسة، يمكن أيضًا حساب مؤشرات شاملة مثل شدة الاحتراق، ومتوسط شدة إطلاق الحرارة، ومؤشر خصائص الاحتراق. توفر مؤشرات التقييم هذه وصفًا متكاملاً لسلوك احتراق الفحم وتتيح إجراء مقارنة أكثر موثوقية بين عينات الفحم المختلفة، مما يدعم اختيار الفحم الأنسب لتطبيق معين.