Úvod
Uhlí je hlavním palivem používaným při výrobě cementu v Číně a jedním z klíčových ukazatelů spotřeby surového paliva při výrobě cementu. Kvalita uhlí ovlivňuje nejen výtěžnost a kvalitu výroby cementového slínku, ale také její náklady, neboť vysoce kvalitní uhlí s vyšší výhřevností umožňuje dosáhnout vyšších teplot v procesu nebo snížit spotřebu uhlí při stejné teplotě procesu, čímž se snižují náklady na palivo. Moderní testovací metody a posílení řízení kvality uhlí jsou důležitými prvky pro zajištění snížení spotřeby uhlí a zlepšení kvality cementových výrobků.
Spalovací chování uhlí v cementářském průmyslu je komplexní. Tradiční průmyslové analytické metody hodnocení [1] již nejsou použitelné. Jedním z příkladů je metoda adiabatického kalorimetru, při které se uhlí umístí do adiabatické nádoby a jeho tepelný obsah se vypočítá na základě měření změny teploty uvnitř nádoby. Ačkoli tato metoda využívá jednoduché vybavení, výsledky měření jsou relativně nepřesné.
V této práci je charakterizace uhlí prováděna pomocí simultánního termického analyzátoru STA Jupiter® od společnosti NETZSCH. K určení klíčových parametrů spalování, včetně počáteční a koncové teploty exotermické reakce (Tonset, Tend), počáteční teploty úbytku hmotnosti (Ti), maximální rychlosti úbytku hmotnosti (Vmax), celkové exotermické teplo (q) a průměrnou rychlost spalování (v). Na základě těchto parametrů byly stanoveny tři hodnotící indexy,
- intenzita spalování (I),
- průměrná intenzita uvolňování tepla (Q) a
- index charakteristiky spalování (S)
. Tyto indexy poskytují kvantitativní základ pro hodnocení výkonu spalování uhlí. V cementářském průmyslu se uhlí s optimálním spalovacím chováním vyznačuje nízkou intenzitou spalování (I), vysokou průměrnou intenzitou uvolňování tepla (Q) a vysokým indexem spalovacích vlastností (S), což odráží příznivou rovnováhu mezi zapalovatelností, tepelným výkonem a celkovou reaktivitou.
Způsob měření
Pro experimentální sérii byly vybrány dva vzorky uhlí – uhlí A a uhlí B. Každý vzorek měl hmotnost přibližně 10 mg. Použitý teplotní program se pohyboval od pokojové teploty (RT) do 1000 °C. Zahřívání probíhalo konstantní rychlostí 10 K/min v atmosféře vzduchu. Tabulka 1 uvádí všechny důležité parametry křivek TGA a DSC spolu s odpovídajícím symbolem, jednotkou a definicí.
Stanovení parametrů hodnotících indexů
Na základě základních parametrů křivky termické analýzy lze definovat následující tři parametry hodnotícího indexu [2] (zkratky viz tabulka 1).
a) Intenzita hoření (I)
Intenzita hoření uhlí udává intenzitu okamžitého uvolňování tepla v ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermickém procesu. Je definována jako:
b) Průměrná intenzita uvolňování tepla (Q)
Průměrná intenzita exotermické reakce uhlí vyjadřuje množství tepla uvolněného na jednotku hmotnosti uhlí na jednotku teploty během období od začátku do konce exotermické aktivity uhlí. Je definována jako:
c) Index spalovacích vlastností (S)
Spalovací vlastnosti uhlí představují komplexní ukazatel uhlí, zahrnující jeho hořlavost, bod vznícení, intenzitu hoření a dobu hoření. Z těchto hledisek, v kombinaci s příslušnou literaturou [3–4], lze
Tabulka 1: Důležité parametry křivek TGA a DSC s označením, jednotkou a definicí.
| Parametr | Jednotka | Definice | |
|---|---|---|---|
Termogravimetrie (TGA) | |||
| Teplota nástupu úbytku hmotnosti | Ti | °C | Teplota, při které uhlí začíná ztrácet hmotnost (teplota vznícení). |
| Doba vyhoření | t98% | min | Doba potřebná k spálení 98 % paliva. |
| Teplota úplného spálení | T98 % | °C | Teplota odpovídající spálení 98 % paliva. |
| Průměrná rychlost spalování | V | %/min | Celkové procento úbytku hmotnosti děleno dobou vyhoření. |
Diferenciální termogravimetrie (DTG) | |||
| Maximální rychlost úbytku hmotnosti | Vmax | %/min | Maximální rychlost úbytku hmotnosti. |
Tepelný tok (DSC) | |||
| Teplota nástupu ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermického píku | Tonset | °C | Teplota uhlí na počátku ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermického jevu |
| Koncová teplota ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermického píku | Tend | °C | Teplota na konci ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermického jevu |
| Plocha ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermického vrcholu | q | J/g | Exotermická kapacita uhlí |
| Výška exotermního píku | H | Výška ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermického píku vzhledem k základní linii DSC | |
| Šířka poloviny vrcholu ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermického vrcholu (šířka) | W | min | Čas odpovídající šířce vrcholu při polovině výšky ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermického vrcholu. |
Výsledky a diskuze
Křivky STA uhlí A a uhlí B jsou znázorněny na obrázcích 1 a 2. Jak je patrné, u obou vzorků lze pozorovat dva stupně úbytku hmotnosti. První z nich, do teploty 150 °C, je způsoben uvolňováním vlhkosti. Odpovídající úbytky hmotnosti u uhlí A a uhlí B činí 1,8 %, respektive 1,6 %, což naznačuje srovnatelný obsah vlhkosti. Druhý, podstatně větší stupeň úbytku hmotnosti, odpovídá tepelnému rozkladu a spalování vzorků uhlí.
Z křivek STA lze odvodit základní parametry tepelných vlastností obou druhů uhlí, které jsou uvedeny v tabulce 1.
Jak je patrné z tabulky 1, teploty vznícení obou druhů uhlí v sestupném pořadí jsou následující: uhlí B > uhlí A. Teplota vznícení odráží míru obtížnosti vznícení uhlí. Čím nižší je teplota vznícení, tím snáze se uhlí vznítí. Exotermická kapacita obou druhů uhlí v sestupném pořadí je následující: uhlí B > uhlí A; čím vyšší je exotermická kapacita, tím lepší je kvalita uhlí. Doba vyhoření obou vzorků uhlí v sestupném pořadí je následující: uhlí A > uhlí B. Obecně platí, že čím delší je doba vyhoření, tím horší je vyhořovací výkon.
Tři parametry hodnotících ukazatelů obou druhů uhlí jsou uvedeny v tabulce 2. Pro cementářský průmysl platí, že čím vyšší je index spalovacích vlastností (S), tím lepší jsou spalovací vlastnosti uhlí a tím lepší je jeho kvalita. Komplexní spalovací vlastnosti uhlí však nelze určit pouze na základě tohoto jediného ukazatele. Měli bychom také zohlednit velikost intenzity hoření (I) a průměrnou intenzitu uvolňování tepla (Q). Pouze uhlí s nízkou intenzitou hoření (I), vysokou průměrnou intenzitou uvolňování tepla (Q) a vysokým indexem spalovacích vlastností (S) vykazuje vynikající komplexní vlastnosti.
Jak je patrné z tabulky 3, uhlí B má vyšší intenzitu hoření a průměrnou intenzitu uvolňování tepla než uhlí A. Jeho index spalovacích vlastností (5,35 × 10⁻⁹) je však nižší než u uhlí A (5,46 × 10⁻⁹). Obecně lze říci, že uhlí A má lepší komplexní spalovací vlastnosti.
Tabulka 2: Výsledky měření metodami TGA a DSC u uhlí A a B.
| Parametr | Jednotka | Uhlí A | Uhlí B |
|---|---|---|---|
| °C | 412 | 416 | |
| Ti | m/W/mg | 12,24 | 13,16 |
| H | v | 27,80 | 25,80 |
| W | J/g | 20509 | 20 520 |
| q | °C | 247 | 248 |
| Tonset | °C | 706 | 689 |
| t98 % | min | 26,8 | 24,8 |
| T98 % | °C | 692 | 676 |
Ti: doba vznícení; H: výška ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermického píku; W: poloviční šířka exotermického píku; q: plocha exotermického píku;Tonset: počáteční teplota exotermického píku;Tend: Koncová teplota exotermického píku;t98%: Doba vyhoření;T98%: Doba vyhoření; v: průměrná rychlost hoření;Vmax: Maximální rychlost úbytku hmotnosti
Tabulka 3: Tři parametry hodnotících ukazatelů uhlí A a B.
| Parametr | Jednotka | Uhlí A | Uhlí B |
|---|---|---|---|
| Intenzita hoření, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Průměrná intenzita uvolňování tepla, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Index spalovací charakteristiky, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Závěr
Vlastnosti spalování vzorků uhlí lze zkoumat pomocí analyzátoru NETZSCH (STA) Jupiter®. Ze křivek TGA, DTG a DSC lze získat základní parametry vzorků uhlí během procesu zahřívání, jako jsou teplota vznícení, uvolňování tepla a doba vyhoření.
Na základě odvozených tepelných parametrů lze vypočítat další komplexní ukazatele – tj. intenzitu hoření, průměrnou intenzitu uvolňování tepla a index spalovacích charakteristik. Tyto hodnotící ukazatele poskytují ucelený popis spalovacího chování uhlí a umožňují spolehlivější srovnání mezi různými vzorky uhlí, čímž napomáhají výběru nejvhodnějšího uhlí pro dané použití.
Úvod
Uhlí je hlavním palivem pro výrobu cementu v Číně a představuje jeden z nejdůležitějších ukazatelů spotřeby surovin a paliv při výrobě cementu. Kvalita uhlí ovlivňuje nejen výtěžnost a kvalitu výroby cementového slínku, ale také její náklady, protože vysoce kvalitní uhlí s vyšší výhřevností umožňuje dosáhnout vyšších teplot v procesu nebo při konstantní teplotě procesu snižuje spotřebu uhlí, čímž šetří náklady na palivo. Moderní zkušební metody a zlepšování kvality uhlí jsou důležitými faktory pro zajištění snížení spotřeby uhlí a zlepšení kvality cementových výrobků.
Spalovací chování uhlí v cementářském průmyslu je komplexní. Tradiční průmyslové analytické metody hodnocení [1] již nejsou použitelné. Jedním z příkladů je adiabatická kalorimetrie, při které se uhlí umístí do adiabatické nádoby a tepelný obsah uhlí se vypočítá na základě měření změny teploty uvnitř nádoby. Ačkoli tato metoda vyžaduje pouze jednoduché vybavení, výsledky měření jsou relativně nepřesné.
V této práci je charakterizace dvou druhů uhlí provedena pomocí simultánní termické analýzy s využitím přístroje STA Jupiter® od společnosti NETZSCH. Na základě výsledků termogravimetrické (TG) a diferenciální kalorimetrie (DSC) byly stanoveny důležité parametry spalování, včetně počáteční a koncové teploty (Tonset,Tend) exotermické reakce, teploty počátečního úbytku hmotnosti (Ti), maximální rychlosti úbytku hmotnosti (Vmax), celkové exotermické teplo (q) a průměrnou rychlost spalování (v).
Na základě těchto parametrů byly stanoveny hodnotící ukazatele
- intenzita spalování (I),
- průměrná intenzita uvolňování tepla (Q) a
- index spalovací charakteristiky (S)
. Tyto ukazatele poskytují kvantitativní základ pro hodnocení spalovacích vlastností uhlí. Požadavky na použití uhlí v cementářském průmyslu spočívají v optimálním spalovacím chování, které se vyznačuje nízkou intenzitou hoření, vysokou průměrnou intenzitou uvolňování tepla a vysokým indexem spalovacích vlastností. To odráží příznivou rovnováhu mezi zapalovatelností, uvolňováním tepla a celkovou reaktivitou.
Metoda a parametry měření
Dva různé vzorky uhlí (uhlí A a B, hmotnost přibližně 10 mg) byly zahřívány na vzduchu z pokojové teploty na 1000 °C rychlostí ohřevu 10 K/min. Tabulka 1 uvádí všechny důležité parametry TG a DSC křivek spolu s jejich symboly, jednotkami a definicemi.
Indexy spalování:
Jednotlivé naměřené hodnoty se následně používají k určení intenzity hoření, průměrné intenzity uvolňování tepla a charakteristického indexu hoření [2] (zkratky viz tabulka 1).
a) Intenzita spalování (I)
Intenzita hoření uhlí udává intenzitu okamžitého uvolňování tepla v tomto exotermickém procesu a je definována jako:
b) Průměrná intenzita uvolňování tepla (Q)
Průměrná intenzita exotermické reakce uhlí udává množství tepla uvolněného na jednotku hmotnosti uhlí a na jednotku teploty během období od začátku do konce exotermické aktivity uhlí a je definována jako:
c) Index spalovacích vlastností (S)
Spalovací vlastnosti uhlí představují komplexní ukazatele jeho kvality, včetně hořlavosti, bodu vznícení, intenzity hoření a doby hoření. Z těchto hledisek a s přihlédnutím k příslušné literatuře
Tabulka 1: Důležité parametry křivek TG a DSC s označením, jednotkou a definicí.
| Parametr | Symbol | Jednotka | Definice |
|---|---|---|---|
| Termogravimetrie (TG) | |||
| Teplota nástupu úbytku hmotnosti | Ti | °C | Teplota, při které vzorek začíná ztrácet hmotnost (teplota vznícení). |
| Doba hoření | t98 % | min | Doba potřebná ke spálení 98 % paliva. |
| Teplota hoření | T98 % | °C | Teplota, při které bylo spáleno 98 % paliva. |
| Průměrná rychlost spalování | V | %/min | Celková ztráta hmotnosti dělená dobou spalování. |
| Diferenciální termogravimetrie (DTG) | |||
| Maximální rychlost úbytku hmotnosti | Vmax | %/min | Maximální rychlost úbytku hmotnosti. |
| Diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) | |||
| Počáteční teplota exotermického píku | Tonset | °C | Teplota na počátku exotermického jevu. |
| Koncová teplota exotermického píku | Tend | °C | Teplota na konci exotermického jevu. |
| Plocha exotermického píku | q | J/g | Entalpie spalování vzorku. |
| Výška exotermického píku | H | mW/mg | Výška exotermického píku vzhledem k základní linii DSC. |
| Poloviční šířka exotermického píku | W | min | Čas odpovídající poloviční šířce exotermického píku. |
Výsledky a diskuze
Křivky TG a DSC uhlí A a uhlí B jsou znázorněny na obrázcích 1 a 2. U obou vzorků lze pozorovat dva stupně úbytku hmotnosti. První, do teploty přibližně 150 °C, lze pravděpodobně připsat uvolňování vlhkosti. Uhlí A a B zde vykazují srovnatelný obsah vlhkosti (1,8 %, resp. 1,6 %). Druhý, podstatně větší stupeň úbytku hmotnosti odpovídá tepelnému rozkladu a spalování uhelných vzorků.
Tyto křivky poskytují základní parametry tepelných vlastností obou druhů uhlí. Tabulka 2 uvádí výsledky pro jednotlivé vzorky.
Teploty vznícení vzorku uhlí A (412 °C) a vzorku uhlí B (416 °C) vykazují podobné hodnoty, přičemž teplota vzorku uhlí B je o něco vyšší. Čím vyšší je teplota vznícení, tím obtížnější je uhlí zapálit. Spalovací entalpie uhlí B je rovněž vyšší než uhlí A. Čím vyšší je spalovací entalpie, tím lepší je kvalita uhlí. Dalším důležitým parametrem při používání uhlí je doba hoření: čím delší doba hoření, tím horší jsou spalovací vlastnosti. Srovnání obou vzorků ukazuje, že vzorek uhlí A s dobou hoření téměř 28 minut mírně převyšuje vzorek uhlí B (přibližně 26 minut).
Tři hodnotící parametry pro oba druhy uhlí jsou uvedeny v tabulce 3. Pro cementářský průmysl platí, že čím vyšší je index spalovacích vlastností (S), tím lepší jsou spalovací vlastnosti uhlí a tím lepší je jeho kvalita. Celkové spalovací vlastnosti uhlí však nelze určit pouze na základě tohoto indexu. Je třeba zohlednit také intenzitu spalování (I) a průměrnou intenzitu uvolňování tepla (Q). Uhlí používané v cementářském průmyslu by proto mělo mít nízkou intenzitu spalování (I), vysokou průměrnou intenzitu uvolňování tepla (Q) a vysoký index spalovacích vlastností (S), aby bylo pro tento účel vhodné.
S ohledem na tuto skutečnost a s odkazem na tabulku 3 je zřejmé, že uhlí A má lepší spalovací vlastnosti než uhlí B díky nižší intenzitě spalování a vyššímu indexu spalovacích vlastností.
Tabulka 2: Výsledky měření TG a DSC u vzorků uhlí A a B.
| Parametr | Jednotka | Uhlí A | Uhlí B |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | mW/mg | 12,24 | 13,16 |
| W | min | 27,80 | 25,80 |
| q | J/g | 20509 | 20 520 |
| Tonset | °C | 247 | 248 |
| Tend | °C | 706 | 689 |
| t98 % | min | 26,8 | 24,8 |
| T98 % | °C | 692 | 676 |
| V | %/min | 3,150 | 3,394 |
Ti: teplota vznícení; H: výška exotermického píku; W: poloviční šířka exotermického píku; q: entalpie spalování;Tonset: počáteční teplota exotermického píku;Tend: koncová teplota exotermického píku;t98 %: doba hoření;T98 %: teplota hoření; V: průměrná rychlost hoření;Vmax: maximální rychlost úbytku hmotnosti
Tabulka 3: Vypočítané parametry spalování vzorků uhlí A a B.
| Parametr | Jednotka | Uhlí A | Uhlí B |
|---|---|---|---|
| Intenzita spalování I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Průměrná intenzita uvolňování tepla Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Index charakteristiky spalování S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Shrnutí
Spalovací vlastnosti různých vzorků uhlí lze zkoumat pomocí analyzátoru spalování uhlí NETZSCH STA Jupiter®. Na základě výsledků měření TG, DTG a DSC lze určit základní parametry vzorků uhlí během spalovacího procesu, například teplotu vznícení, uvolňování tepla a dobu hoření.
Na základě těchto naměřených hodnot lze navíc vypočítat komplexní ukazatele, jako jsou intenzita spalování, průměrná intenzita uvolňování tepla a index spalovacích charakteristik. Tyto hodnotící ukazatele poskytují ucelený popis spalovacího chování uhlí a umožňují spolehlivější srovnání mezi různými vzorky uhlí, čímž napomáhají výběru uhlí, které je pro dané použití nejvhodnější.