Въведение
Въглищата са основното гориво, използвано в производството на цимент в Китай, и един от ключовите показатели за потреблението на сурово гориво в циментопроизводството. Качеството на въглищата влияе не само върху добива и качеството на произвеждания циментов клинкер, но и върху разходите за него, тъй като висококачествените въглища с по-висока калоричност позволяват по-високи температури на процеса или намаляват потреблението на въглища при същата температура, като по този начин се намаляват разходите за гориво. Модерните методи за изпитване и засилването на управлението на качеството на въглищата са важни елементи за осигуряване на намаляване на потреблението на въглища и подобряване на качеството на циментовите продукти.
Поведението на въглищата при изгаряне в циментовата промишленост е сложно. Традиционните промишлени методи за аналитична оценка [1] вече не са приложими. Един пример е методът с адиабатичен калориметър, при който въглищата се поставят в адиабатичен контейнер, а топлинното им съдържание се изчислява чрез измерване на промяната в температурата вътре в контейнера. Въпреки че този метод използва просто оборудване, резултатите от измерванията са относително неточни.
В настоящата работа характеристиката на въглищата се извършва с помощта на едновременен термичен анализатор (STA) „ NETZSCH “ Jupiter®. Използвани са термогравиметрични (TGA) и диференциално-сканиращи калориметрични (DSC) криви за определяне на ключови параметри на горенето, включително началната и крайната температура на екзотермичната реакция (Tonset, Tend), началната температура на загуба на маса (Ti), максималната скорост на загуба на маса (Vmax), общата екзотермична топлина (q) и средната скорост на изгаряне (v). Въз основа на тези параметри бяха определени три показателя за оценка:
- интензитет на горенето (I),
- средната интензивност на отделяне на топлина (Q) и
- индексът на характеристиките на изгарянето (S)
. Тези индекси предоставят количествена основа за оценка на характеристиките на изгарянето на въглищата. В циментовата промишленост въглищата с оптимално поведение при изгаряне се характеризират с ниска интензивност на изгаряне (I), висока средна интензивност на отделяне на топлина (Q) и висок индекс на характеристиките на изгарянето (S), което отразява благоприятен баланс между поведението при запалване, топлинната мощност и общата реактивност.
Метод на измерване
За експерименталната серия бяха подбрани два образца въглища – въглища А и въглища Б. Всеки образец имаше маса от приблизително 10 mg. Приложената температурна програма обхващаше диапазон от стайна температура (RT) до 1000°C. Нагряването се извършваше с постоянна скорост от 10 K/min във въздушна атмосфера. В таблица 1 са показани всички важни параметри на кривите от ТГА и ДСК, заедно със съответния символ, единица и определение.
Определяне на параметрите на индекса за оценка
Използвайки основните параметри на кривата на термичния анализ, могат да бъдат определени следните три параметъра на индекса за оценка [2] (виж таблица 1 за съкращенията).
а) Интензивност на горенето (I)
Интензивността на изгаряне на въглищата показва интензивността на моментните топлинни отделения при екзотермичния процес. Тя се определя като:
б) Средна интензивност на отделянето на топлина (Q)
Средната екзотермична интензивност на въглищата изразява количеството топлина, отделяно на единица маса въглища на единица температура през периода от началото до края на екзотермичната активност на въглищата. Тя се определя като:
в) Индекс на характеристиките на горенето (S)
Характеристиките на изгарянето на въглищата представляват комплексен показател за въглищата, включващ запалимостта, точката на възпламеняване, интензивността на горенето и времето на изгаряне. От тази гледна точка, в съчетание със съответната литература [3-4], може да се
Таблица 1: Важни параметри на кривите от ТГА и ДСК със символ, единица мярка и определение.
| Параметър | Единица | Определение | |
|---|---|---|---|
Термогравиметрия (TGA) | |||
| Температура на началото на загубата на маса | Ti | °C | Температурата, при която въглищата започват да губят тегло (температура на възпламеняване). |
| Време за изгаряне | t98% | min | Времето, необходимо за изгаряне на 98 % от горивото. |
| Температура на изгаряне | T98% | °C | Температурата, съответстваща на изгарянето на 98 % от горивото. |
| Средна скорост на изгаряне | V | %/мин | Общият процент на загуба на тегло, разделен на времето за изгаряне. |
Диференциална термогравиметрия (DTG) | |||
| Максимална скорост на загуба на маса | Vmax | %/мин | Максималната скорост на загуба на маса. |
Топлинен поток (DSC) | |||
| Температура на началото на екзотермичния пик | Начало | °C | Температура на въглищата в началото на екзотермичния ефект |
| Крайната температура на екзотермичния пик | Tend | °C | Температура в края на екзотермичния ефект |
| Площ на екзотермичния пик | q | J/g | Екзотермична мощност на въглищата |
| Височина на екзотермичния пик | H | Височина на екзотермичния пик спрямо базовата линия на DSC | |
| Ширина на половината от екзотермичния пик (ширина) | W | min | Време, съответстващо на ширината на пика при половината от височината на екзотермичния пик. |
Резултати и обсъждане
Кривите на STA за въглища А и В са показани съответно на фигури 1 и 2. Както можете да видите, и двете проби показват два етапа на загуба на маса. Първата – до 150 °C – се дължи на отделянето на влага. Съответните загуби на маса за въглища А и въглища Б са съответно 1,8 % и 1,6 %, което показва, че съдържанието на влага е сравнимо. Втората, значително по-голяма стъпка на загуба на маса, съответства на термичното разлагане и изгарянето на пробите въглища.
От кривите на STA могат да се определят основните параметри на термичните характеристики на двата вида въглища, които са изброени в таблица 1.
Както се вижда от таблица 1, температурите на възпламеняване на двата вида въглища в низходящ ред са както следва: въглища Б > въглища А. Температурата на възпламеняване отразява степента на трудност при възпламеняването на въглищата. Колкото по-ниска е температурата на възпламеняване, толкова по-лесно се възпламеняват въглищата. Екзотермичната способност на двата вида въглища в низходящ ред е както следва: въглища Б > въглища А; колкото по-висока е екзотермичната способност, толкова по-добро е качеството на въглищата. Времето за изгаряне на двете проби въглища в низходящ ред е както следва: въглища А > въглища Б. Като цяло, колкото по-дълго е времето за изгаряне, толкова по-лоши са характеристиките на изгарянето.
Трите параметъра на индекса за оценка на двата вида въглища са изброени в таблица 2. За циментовата промишленост колкото по-голям е индексът на характеристиките на горенето (S), толкова по-добри са характеристиките на горенето на въглищата и толкова по-добро е качеството на въглищата. Въпреки това, цялостните характеристики на горенето на въглищата не могат да бъдат определени само чрез този единствен индекс. Трябва да се вземат предвид и величината на интензивността на горенето (I) и средната интензивност на отделяне на топлина (Q). Само въглищата с ниска интензивност на горенето (I), висока средна интензивност на отделяне на топлина (Q) и висок индекс на характеристиките на горенето (S) притежават превъзходни цялостни характеристики.
Както се вижда от таблица 3, въглищата Б имат по-висока интензивност на изгаряне и средна интензивност на отделяне на топлина в сравнение с въглищата А. Въпреки това индексът на горимост (5,35 ×10⁻⁹) е по-нисък от този на въглищата А (5,46 ×10⁻⁹). Като цяло въглищата А притежават по-добри цялостни горелни характеристики.
Таблица 2: Резултати от TGA и DSC измерванията на въглища А и Б.
| Параметър | Единица | Въглища А | Въглища Б |
|---|---|---|---|
| °C | 412 | 416 | |
| Ti | м/Вт/мг | 12,24 | 13,16 |
| H | v | 27,80 | 25,80 |
| W | J/g | 20509 | 20520 |
| q | °C | 247 | 248 |
| Тонсет | °C | 706 | 689 |
| t98% | мин | 26,8 | 24,8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
Ti: Време на възпламеняване; H: Височина на екзотермичния пик; W: Ширина на половината височина на екзотермичния пик; q: Площ на екзотермичния пик;Tonset: Температура на началото на екзотермичния пик;Tend: Крайна температура на екзотермичния пик;t98%: Време на изгаряне;T98%: Време на изгаряне; v: Средна скорост на изгаряне;Vmax: Максимална скорост на загуба на маса
Таблица 3: Три параметъра на индекса за оценка на въглищата А и Б.
| Параметър | Единица | Въглища А | Въглища Б |
|---|---|---|---|
| Интензивност на горенето, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Средна интензивност на отделяне на топлина, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Индекс на горенето, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Заключение
Характеристиките на горенето на пробите от въглища могат да бъдат изследвани с помощта на системата за термичен анализ „ NETZSCH “ (STA) Jupiter®. Основните параметри на пробите от въглища по време на процеса на нагряване могат да бъдат определени от кривите на ТГА, ДТГ и ДСК, като например температура на възпламеняване, отделяна топлина и време на изгаряне.
Въз основа на изведените термични параметри могат да се изчислят допълнителни комплексни показатели – а именно интензивност на горенето, средна интензивност на отделяне на топлина и индекс на характеристиките на горенето. Тези показатели за оценка предоставят цялостно описание на поведението на въглищата при горене и позволяват по-надеждно сравнение между различни проби въглища, като по този начин подпомагат избора на най-подходящите въглища за дадено приложение.
Въведение
Въглищата са основното гориво за производството на цимент в Китай и представляват един от най-важните показатели за потреблението на суровини и горива в циментопроизводството. Качеството на въглищата влияе не само върху добива и качеството на произвеждания циментов клинкер, но и върху разходите за него, тъй като висококачествените въглища с по-висока топлина на изгаряне позволяват по-високи технологични температури или, при постоянна технологична температура, намаляват потреблението на въглища, като по този начин се спестяват разходи за гориво. Съвременните методи за изпитване и подобряването на качеството на въглищата са важни фактори за осигуряване на намаляване на потреблението на въглища и подобряване на качеството на циментовите продукти.
Поведението на въглищата при изгаряне в циментовата промишленост е сложно. Традиционните индустриални методи за аналитична оценка [1] вече не са приложими. Един пример е адиабатичната калориметрия, при която въглищата се поставят в адиабатичен съд и топлинното съдържание на въглищата се изчислява чрез измерване на температурната промяна вътре в съда. Въпреки че този метод изисква само проста апаратура, резултатите от измерванията са относително неточни.
В настоящата работа се извършва характеризиране на два вида въглища чрез едновременен термичен анализ с помощта на уреда STA „ NETZSCH “ Jupiter®. Въз основа на резултатите от термогравиметричния (TG) и диференциалния калориметричен (DSC) анализ бяха определени важни параметри на горенето, включително началната и крайната температура (Tonset,Tend) на екзотермичния процес, температурата на началната загуба на маса (Ti), максималната скорост на загуба на маса (Vmax), общата екзотермична топлина (q) и средната скорост на горенето (v).
Въз основа на тези параметри бяха определени индексите за оценка
- интензитет на изгарянето (I),
- средната интензивност на отделяне на топлина (Q) и
- индексът на характеристиките на изгарянето (S)
. Тези показатели предоставят количествена основа за оценка на горивните характеристики на въглищата. Изискванията за използване на въглища в циментовата промишленост са оптимално горене, характеризиращо се с ниска интензивност на горенето, висока средна интензивност на отделяне на топлина и висок индекс на горивните характеристики. Това отразява благоприятен баланс между запалимостта, отделянето на топлина и общата реактивност.
Метод и параметри на измерването
Две различни проби въглища (въглища А и Б, с маса приблизително 10 mg) бяха нагрети от стайна температура до 1000 °C със скорост на нагряване 10 K/min във въздух. В таблица 1 са представени всички важни параметри на кривите на ТГ и ДСК, заедно с техните символи, единици и определения.
Индекси на горенето:
Отделните измерени стойности се използват впоследствие за определяне на интензитета на горенето, средната интензивност на отделяне на топлина и характеристичния индекс на горенето [2] (виж таблица 1 за съкращенията).
а) Интензитет на горенето (I)
Интензивността на горенето на въглищата показва интензивността на моментния топлоотдаване при този екзотермичен процес и се дефинира като:
б) Средна интензивност на отделянето на топлина (Q)
Средната екзотермична интензивност на въглищата показва количеството топлина, отделяно на единица маса въглища и на единица температура през периода от началото до края на екзотермичната активност на въглищата и се определя като:
в) Индекс на характеристиките на горенето (S)
Характеристиките на горенето на въглищата са комплексни показатели за тяхното качество, включващи запалимост, точка на възпламеняване, интензивност на горенето и продължителност на горенето. Въз основа на тези аспекти и като се вземе предвид съответната литература
Таблица 1: Важни параметри на кривите на TG и DSC със символ, единица мярка и определение.
| Параметър | Символ | Единица | Определение |
|---|---|---|---|
| Термогравиметрия (TG) | |||
| Температура на началото на загубата на маса | Ti | °C | Температурата, при която пробата започва да губи маса (температура на възпламеняване). |
| Време на изгаряне | t98% | min | Време, необходимо за изгаряне на 98 % от горивото. |
| Температура на изгаряне | T98% | °C | Температура, при която 98 % от горивото е изгоряло. |
| Средна скорост на изгаряне | V | %/мин | Общата загуба на маса, разделена на времето на изгаряне. |
| Диференциална термогравиметрия (DTG) | |||
| Максимална скорост на загуба на маса | Vmax | %/мин | Максималната скорост на загуба на маса. |
| Диференциална сканираща калориметрия (DSC) | |||
| Температура на началото на екзотермичния пик | Tonset | °C | Температура в началото на екзотермичния ефект. |
| Крайната температура на екзотермичния пик | Tend | °C | Температура в края на екзотермичния ефект. |
| Площ на екзотермичния пик | q | J/g | Енталпия на горенето на пробата. |
| Височина на екзотермичния пик | H | mW/mg | Височина на екзотермичния пик спрямо базовата линия на ДСК. |
| Половин ширина на екзотермичния пик | W | min | Време, съответстващо на половината ширина на екзотермичния пик. |
Резултати и обсъждане
Кривите на TG и DSC за въглища А и В са показани на фигури 1 и 2. И двете проби показват два етапа на загуба на маса. Първата, до приблизително 150 °C, вероятно може да се дължи на отделянето на влага. За сравнение, въглищата А и Б показват сходно съдържание на влага в този диапазон (съответно 1,8 % и 1,6 %). Втората, значително по-голяма фаза на загуба на маса, съответства на термичното разлагане и изгарянето на пробите въглища.
Кривите представят основните параметри на термичните свойства на двата вида въглища. В таблица 2 са изброени резултатите за отделните проби.
Температурите на възпламеняване на проба А (412 °C) и проба Б (416 °C) са сходни, като температурата на проба Б е малко по-висока. Колкото по-висока е температурата на възпламеняване, толкова по-трудно е въглищата да се възпламенят. Енталпията на горене на въглища Б също е по-висока от тази на въглища А. Колкото по-висока е енталпията на горене, толкова по-добро е качеството на въглищата. Друг важен параметър при използването на въглища е времето за изгаряне: колкото по-дълго е то, толкова по-лоши са характеристиките на изгарянето. Сравнението на двете проби показва, че проба А, с продължителност от почти 28 минути, е малко над проба Б (приблизително 26 минути).
Трите параметъра за оценка на двата вида въглища са изброени в таблица 3. За циментовата промишленост колкото по-висок е индексът на горенето (S), толкова по-добри са горещите характеристики на въглищата и толкова по-добро е тяхното качество. Общите горещи характеристики на въглищата обаче не могат да бъдат определени само въз основа на този индекс. Трябва да се вземат предвид и интензивността на изгаряне (I) и средната интензивност на отделяне на топлина (Q). Следователно използваният въглищен материал трябва да има ниска интензивност на изгаряне (I), висока средна интензивност на отделяне на топлина (Q) и висок индекс на горенето (S), за да бъде подходящ за употреба в циментовата промишленост.
Като се има предвид това и като се позоваваме на таблица 3, може да се види, че въглищата А имат по-добри горелни характеристики от въглищата Б поради по-ниската си интензивност на горенето и по-високия си индекс на горене.
Таблица 2: Резултати от TG и DSC измерванията на въглищните проби А и Б.
| Параметър | Единица | Въглища А | Въглища Б |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | mW/mg | 12,24 | 13,16 |
| W | min | 27,80 | 25,80 |
| q | J/g | 20509 | 20520 |
| Тонсет | °C | 247 | 248 |
| Тенд | °C | 706 | 689 |
| t98% | мин | 26,8 | 24,8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
| V | %/мин | 3,150 | 3,394 |
Ti: температура на възпламеняване; H: височина на екзотермичния пик; W: полуширина на екзотермичния пик; q: енталпия на горенето;Tonset: начална температура на екзотермичния пик;Tend: крайна температура на екзотермичния пик;t98%: време на изгаряне;T98%: температура на изгаряне; V: средна скорост на изгаряне;Vmax: максимална скорост на загуба на маса
Таблица 3: Изчислени параметри на изгарянето на въглищните проби А и Б.
| Параметър | Единица | Въглища А | Въглища Б |
|---|---|---|---|
| Интензитет на горенето I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Средна интензивност на отделяне на топлина Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Индекс на характеристиките на горенето S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Обобщение
Характеристиките на горенето на различни проби въглища могат да бъдат изследвани с помощта на системата „ NETZSCH “ на STA Jupiter®. От резултатите от TG, DTG и DSC измерванията могат да бъдат определени основните параметри на пробите въглища по време на процеса на горене, като например температура на възпламеняване, отделяне на топлина и продължителност на горенето.
Въз основа на тези измерени стойности могат допълнително да се изчислят комплексни показатели като интензивност на горенето, средна интензивност на отделянето на топлина и индекс на характеристиките на горенето. Тези показатели за оценка предоставят цялостно описание на поведението на въглищата при горене и позволяват по-надеждно сравнение между различните проби въглища, като подпомагат избора на най-подходящите въглища за конкретно приложение.