Indledning
Kul er det vigtigste brændsel, der anvendes i cementproduktionen i Kina, og en af de centrale indikatorer for forbruget af råbrændsel i cementproduktionen. Kulets kvalitet påvirker ikke kun udbyttet og kvaliteten af cementklinkerproduktionen, men også omkostningerne, da kul af høj kvalitet med en højere brændværdi kan muliggøre højere procestemperaturer eller reducere kulforbruget ved samme procestemperatur, hvilket dermed sænker brændstofomkostningerne. Avancerede testmetoder og styrkelse af kvalitetsstyringen af kul er vigtige elementer for at sikre en reduktion af kulforbruget og en forbedring af kvaliteten af cementprodukterne.
Kulforbrændingen i cementindustrien er kompleks. Traditionelle industrielle analytiske evalueringsmetoder [1] er ikke længere anvendelige. Et eksempel er den adiabatiske kalorimetermetode, hvor kullet anbringes i en AdiabatiskAdiabatisk beskriver et system eller en målemetode uden nogen form for varmeudveksling med omgivelserne. Denne tilstand kan realiseres ved hjælp af en kalorimeteranordning i henhold til metoden for accelererende hastighedskalorimetri (ARC®). Hovedformålet med et sådant apparat er at studere scenarier og termiske runaway-reaktioner. En kort beskrivelse af den adiabatiske tilstand er "ingen varme ind - ingen varme ud".adiabatisk beholder, og dets varmeindhold beregnes ved at måle temperaturændringen inde i beholderen. Selvom denne metode anvender simpelt udstyr, er måleresultaterne relativt unøjagtige.
I dette arbejde udføres materialekarakteriseringen af kul ved hjælp af en STA-simultan termisk analysator NETZSCH Jupiter®. Termogravimetriske (TGA) og differentiel scanningskalorimetri (DSC)-kurver blev anvendt til at bestemme centrale forbrændingsparametre, herunder start- og sluttemperaturen for den eksoterme reaktion (Tonset, Tend), den indledende massetabstemperatur (Ti), den maksimale massetabshastighed (Vmax), den samlede eksoterme varme (q) og den gennemsnitlige forbrændingshastighed (v). Baseret på disse parametre blev der fastlagt tre evalueringsindekser,
- forbrændingsintensitet (I),
- den gennemsnitlige varmeafgivelsesintensitet (Q) og
- forbrændingskarakteristikindekset (S)
beregnet. Disse indekser udgør et kvantitativt grundlag for vurdering af kulforbrændingens ydeevne. I cementindustrien er kul med optimal forbrændingsadfærd kendetegnet ved lav forbrændingsintensitet (I), høj gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet (Q) og et højt forbrændingskarakteristikindeks (S), hvilket afspejler en gunstig balance mellem antændelsesadfærd, varmeudbytte og samlet reaktivitet.
Målemetode
Til forsøgsrækken blev der udvalgt to kulprøver – kul A og kul B. Hver prøve havde en masse på ca. 10 mg. Det anvendte temperaturprogram strakte sig fra omgivelsestemperatur (RT) til 1000 °C. Opvarmningen foregik med en konstant hastighed på 10 K/min i en luftatmosfære. Tabel 1 viser alle vigtige parametre for TGA- og DSC-kurverne sammen med det tilhørende symbol, enhed og definition.
Fastlæggelse af parametre for evalueringsindekser
Ved hjælp af de grundlæggende parametre i den termiske analyskurve kan følgende tre evalueringsindeksparametre defineres [2] (se tabel 1 for forkortelser).
a) Forbrændingsintensitet (I)
Kulforbrændingsintensiteten angiver intensiteten af den øjeblikkelige varmeafgivelse i den eksoterme proces. Den defineres som:
b) Gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet (Q)
Den gennemsnitlige exoterme intensitet for kul udtrykker den mængde varme, der frigives pr. massenhed kul pr. temperaturenhed i perioden fra begyndelsen til slutningen af kullets exoterme aktivitet. Den defineres som:
c) Indeks for forbrændingsegenskaber (S)
Kulets forbrændingsegenskaber udgør et samlet indeks for kul, der omfatter kullets brændbarhed, antændelsespunkt, forbrændingsintensitet og forbrændingstid. Ud fra disse perspektiver og i kombination med den relevante litteratur [3-4] kan det
Tabel 1: Vigtige parametre for TGA- og DSC-kurverne med symbol, enhed og definition.
| Parameter | Enhed | Definition | |
|---|---|---|---|
Termogravimetri (TGA) | |||
| Starttemperatur for massetabet | Ti | °C | Den temperatur, ved hvilken kullet begynder at miste vægt (antændelsestemperatur). |
| Udbrændingstid | t98% | min | Den tid, det tager at forbrænde 98 % af brændstoffet. |
| Udbrændingstemperatur | T98% | °C | Den temperatur, der svarer til forbrænding af 98 % af brændstoffet. |
| Gennemsnitlig forbrændingshastighed | V | %/min | Den samlede vægttabsprocent divideret med udbrændingstiden. |
Differentialtermogravimetri (DTG) | |||
| Maksimal massetabshastighed | Vmax | %/min | Den maksimale massetabsrate. |
Varmestrøm (DSC) | |||
| Starttemperatur for den eksoterme top | Tonset | °C | Kullet temperatur ved begyndelsen af den eksoterme effekt |
| Sluttemperatur for den eksoterme top | Tend | °C | Temperaturen ved afslutningen af den eksoterme reaktion |
| Arealet af det eksoterme topunkt | q | J/g | Kulets eksoterme kapacitet |
| Højden af den eksoterme top | H | Højden af den eksoterme top i forhold til DSC-basislinjen | |
| Halvbredde af den eksoterme top (bredde) | W | min | Tid, der svarer til topbredden ved halvdelen af den eksoterme tops højde. |
Resultater og diskussion
STA-kurverne for kul A og kul B er vist i henholdsvis figur 1 og 2. Som det fremgår, viser begge prøver to trin i massetabet. Det første op til 150 °C skyldes frigivelse af fugt. De tilsvarende massetab for kul A og kul B er henholdsvis 1,8 % og 1,6 %, hvilket indikerer sammenlignelige fugtindhold. Det andet, væsentligt større trin i massetabet svarer til den termiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning og forbrænding af kulprøverne.
Ud fra STA-kurverne kan man udlede de grundlæggende parametre for de to kultypers termiske egenskaber, som er angivet i tabel 1.
Som det fremgår af tabel 1, er antændelsestemperaturerne for de to kultyper i faldende rækkefølge som følger: kul B > kul A. Antændelsestemperaturen afspejler, hvor svært det er at antænde kullet. Jo lavere antændelsestemperaturen er, desto lettere er det at antænde kullet. De to kultypers eksoterme kapacitet i faldende rækkefølge er som følger: kul B > kul A; jo højere den eksoterme kapacitet er, desto bedre er kulkvaliteten. Udbrændingstiden for de to kulprøver i faldende rækkefølge er som følger: kul A > kul B. Generelt gælder det, at jo længere udbrændingstiden er, desto dårligere er udbrændingsegenskaberne.
De tre evalueringsindeksparametre for de to kultyper er angivet i tabel 2. For cementindustrien gælder, at jo større forbrændingskarakteristikindekset (S) er, desto bedre er kulets forbrændingsevne, og desto bedre er kulkvaliteten. Kulets samlede forbrændingsevne kan dog ikke bestemmes ud fra dette ene indeks. Man bør også tage højde for forbrændingsintensiteten (I) og den gennemsnitlige varmeafgivelsesintensitet (Q). Kun kul med lav forbrændingsintensitet (I), høj gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet (Q) og et højt forbrændingskarakteristikindeks (S) udviser overlegen samlet ydeevne.
Som det fremgår af tabel 3, har kul B en højere forbrændingsintensitet og gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet end kul A. Dets forbrændingskarakteristikindeks (5,35 × 10⁻⁹) er imidlertid lavere end for kul A (5,46 × 10⁻⁹). Generelt har kul A en overlegen samlet forbrændingsydelse.
Tabel 2: Måleresultater fra TGA- og DSC-målingerne af kul A og B.
| Parameter | Enhed | Kul A | Kul B |
|---|---|---|---|
| °C | 412 | 416 | |
| Ti | m/W/mg | 12,24 | 13,16 |
| H | v | 27,80 | 25,80 |
| W | J/g | 20509 | 20520 |
| q | °C | 247 | 248 |
| Tonset | °C | 706 | 689 |
| t98 % | min | 26,8 | 24,8 |
| T98 % | °C | 692 | 676 |
Ti: Antændelsestid; H: Højden af den eksoterme top; W: Halvbredden af den eksoterme top; q: Arealet af den eksoterme top;Tonset: Starttemperaturen for den eksoterme top;Tend: Sluttemperatur for den eksoterme top;t98%: Udbrændingstid;T98%: Udbrændingstid; v: Gennemsnitlig forbrændingshastighed;Vmax: Maksimal massetabsrate
Tabel 3: Tre parametre for evalueringsindekset for kul A og B.
| Parameter | Enhed | Kul A | Kul B |
|---|---|---|---|
| Forbrændingsintensitet, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Forbrændingskarakteristikindeks, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Konklusion
Kulprøvers forbrændingsegenskaber kan undersøges ved hjælp af termisk analyse ( NETZSCH, STA) Jupiter®. De grundlæggende parametre for kulprøver under opvarmningsprocessen kan udledes af TGA-, DTG- og DSC-kurverne, herunder antændelsestemperatur, varmeafgivelse og udbrændingstid.
På baggrund af de udledte termiske parametre kan yderligere omfattende indekser – dvs. forbrændingsintensitet, gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet og forbrændingskarakteristikindeks – beregnes. Disse evalueringsindikatorer giver en samlet beskrivelse af kulets forbrændingsadfærd og muliggør en mere pålidelig sammenligning mellem forskellige kulprøver, hvilket dermed understøtter valget af det mest egnede kul til en given anvendelse.
Indledning
Kul er det vigtigste brændsel til cementproduktion i Kina og udgør en af de vigtigste indikatorer for forbruget af råbrændsel i cementproduktionen. Kulets kvalitet påvirker ikke kun udbyttet og kvaliteten af cementklinkerproduktionen, men også omkostningerne hertil, da kul af høj kvalitet med en højere brændværdi muliggør højere proces-temperaturer eller, ved konstant proces-temperatur, reducerer kulforbruget og dermed sparer brændstofomkostninger. Moderne testmetoder og forbedring af kulkvaliteten er vigtige faktorer for at sikre et reduceret kulforbrug og en forbedring af cementprodukternes kvalitet.
Kulforbrændingen i cementindustrien er kompleks. Konventionelle industrielle analytiske evalueringsmetoder [1] kan ikke længere anvendes. Et eksempel er AdiabatiskAdiabatisk beskriver et system eller en målemetode uden nogen form for varmeudveksling med omgivelserne. Denne tilstand kan realiseres ved hjælp af en kalorimeteranordning i henhold til metoden for accelererende hastighedskalorimetri (ARC®). Hovedformålet med et sådant apparat er at studere scenarier og termiske runaway-reaktioner. En kort beskrivelse af den adiabatiske tilstand er "ingen varme ind - ingen varme ud".adiabatisk kalorimetri, hvor kul anbringes i et AdiabatiskAdiabatisk beskriver et system eller en målemetode uden nogen form for varmeudveksling med omgivelserne. Denne tilstand kan realiseres ved hjælp af en kalorimeteranordning i henhold til metoden for accelererende hastighedskalorimetri (ARC®). Hovedformålet med et sådant apparat er at studere scenarier og termiske runaway-reaktioner. En kort beskrivelse af den adiabatiske tilstand er "ingen varme ind - ingen varme ud".adiabatisk kar, og kulets varmeindhold beregnes ved at måle temperaturændringen inde i karret. Selvom denne metode kun kræver simpelt udstyr, er måleresultaterne relativt unøjagtige.
I dette arbejde foretages en materialekarakterisering af to kultyper ved hjælp af samtidig termisk analyse med et STA-instrument NETZSCH Jupiter®. Baseret på resultaterne fra termogravimetri (TG) og differentiel kalorimetri (DSC) blev vigtige forbrændingsparametre bestemt, herunder start- og sluttemperaturerne (Tonset,Tend) for den eksoterme reaktion, temperaturen for det indledende massetab (Ti), den maksimale massetabsrate (Vmax), den samlede eksoterme varme (q) og den gennemsnitlige forbrændingshastighed (v).
Baseret på disse parametre blev evalueringsindekserne
- forbrændingsintensitet (I),
- den gennemsnitlige varmefrigivelsesintensitet (Q) og
- forbrændingskarakteristikindekset (S)
beregnet. Disse indekser udgør et kvantitativt grundlag for vurdering af kulets forbrændingsegenskaber. Kravene til anvendelse af kul i cementindustrien er optimal forbrændingsadfærd gennem lav forbrændingsintensitet, høj gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet og et højt forbrændingskarakteristikindeks. Dette afspejler en gunstig balance mellem antændelsesadfærd, varmeafgivelse og samlet reaktivitet.
Metode og måleparametre
To forskellige kulprøver (kul A og B, masse ca. 10 mg) blev opvarmet fra stuetemperatur til 1000 °C med en opvarmningshastighed på 10 K/min i luft. Tabel 1 viser alle vigtige parametre for TG- og DSC-kurverne sammen med deres symboler, enheder og definitioner.
Forbrændingsindekser:
De enkelte måleværdier anvendes efterfølgende til at bestemme forbrændingsintensiteten, den gennemsnitlige varmeafgivelsesintensitet og det karakteristiske forbrændingsindeks [2] (se tabel 1 for forkortelser).
a) Forbrændingsintensitet (I)
Forbrændingsintensiteten for kul angiver intensiteten af den øjeblikkelige varmefrigivelse i denne eksoterme proces og defineres som:
b) Gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet (Q)
Den gennemsnitlige eksoterme intensitet for kul angiver den mængde varme, der frigives pr. massenhed kul og pr. temperaturenhed i perioden fra begyndelsen til slutningen af kullets eksoterme aktivitet og defineres som:
c) Indeks for forbrændingsegenskaber (S)
Kulets forbrændingsegenskaber er omfattende indikatorer for dets kvalitet, herunder antændelighed, antændelsespunkt, forbrændingsintensitet og forbrændingstid. Ud fra disse aspekter og under hensyntagen til den relevante litteratur
Tabel 1: Vigtige parametre for TG- og DSC-kurverne med symbol, enhed og definition.
| Parameter | Symbol | Enhed | Definition |
|---|---|---|---|
| Termogravimetri (TG) | |||
| Starttemperatur for massetab | Ti | °C | Den temperatur, ved hvilken prøven begynder at miste masse (antændelsestemperatur). |
| Forbrændingstid | t98% | min | Den tid, der kræves for at forbrænde 98 % af brændstoffet. |
| Forbrændingstemperatur | T98% | °C | Den temperatur, hvor 98 % af brændstoffet er forbrændt. |
| Gennemsnitlig forbrændingshastighed | V | %/min | Samlet massetab divideret med forbrændingstiden. |
| Differentialtermogravimetri (DTG) | |||
| Maksimal massetabshastighed | Vmax | %/min | Den maksimale massetabsrate. |
| Differential scanning kalorimetri (DSC) | |||
| Starttemperatur for den eksoterme top | Tonset | °C | Temperaturen ved begyndelsen af den eksoterme effekt. |
| Sluttemperatur for den eksoterme top | Tend | °C | Temperatur ved afslutningen af den eksoterme effekt. |
| Arealet af den eksoterme top | q | J/g | Prøvens forbrændingsentalpi. |
| Toppens højde for den eksoterme kurve | H | mW/mg | Højden af den eksoterme top i forhold til DSC-basislinjen. |
| Halvbredden af den eksoterme top | W | min | Tid, der svarer til halvbredden af den eksoterme kurve. |
Resultater og diskussion
TG- og DSC-kurverne for kul A og kul B er vist i figur 1 og 2. Begge prøver udviser to trin i massetabet. Det første, op til ca. 150 °C, kan formodentlig tilskrives frigivelse af fugt. Her viser kul A og B et tilsvarende fugtindhold (henholdsvis 1,8 % og 1,6 %). Det andet, betydeligt større trin i massetabet svarer til termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning og forbrænding af kulprøverne.
Kurverne angiver de grundlæggende parametre for de to kultypers termiske egenskaber. Tabel 2 viser resultaterne for de enkelte prøver.
Antændelsestemperaturerne for kulprøve A (412 °C) og kulprøve B (416 °C) viser lignende værdier, hvor temperaturen for kulprøve B er lidt højere. Jo højere antændelsestemperaturen er, desto sværere er det at antænde kullet. Forbrændingsentalpien for kul B er også højere end for kul A. Jo højere forbrændingsentalpien er, desto bedre er kulets kvalitet. En anden vigtig parameter ved anvendelse af kul er forbrændingstiden: jo længere varighed, desto dårligere er forbrændingsydelsen. En sammenligning af de to prøver viser, at kulprøve A med næsten 28 minutter ligger lidt over kulprøve B (ca. 26 minutter).
De tre vurderingsparametre for de to kultyper er angivet i tabel 3. For cementindustrien gælder, at jo højere forbrændingskarakteristisk indeks (S) er, desto bedre er kulets forbrændingsegenskaber og desto bedre er dets kvalitet. Kulets samlede forbrændingsegenskaber kan dog ikke bestemmes ud fra dette indeks alene. Forbrændingsintensiteten (I) og den gennemsnitlige varmeafgivelsesintensitet (Q) skal også tages i betragtning. Det anvendte kul bør derfor have en lav forbrændingsintensitet (I), en høj gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet (Q) og et højt forbrændingskarakteristikindeks (S) for at være egnet til brug i cementindustrien.
Ud fra denne betragtning og med henvisning til tabel 3 kan det ses, at kul A har bedre forbrændingsevne end kul B på grund af dets lavere forbrændingsintensitet og højere forbrændingskarakteristikindeks.
Tabel 2: Måleresultater fra TG- og DSC-målingerne af kulprøverne A og B.
| Parameter | Enhed | Kul A | Kul 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: antændelsestemperatur; H: højde af den eksoterme top; W: halvbredde af den eksoterme top; q: forbrændingsenthalpi;Tonset: starttemperatur for den eksoterme top;Tend: sluttemperatur for den eksoterme top;t98 %: forbrændingstid;T98 %: forbrændingstemperatur; V: gennemsnitlig forbrændingshastighed;Vmax: maksimal massetabsrate
Tabel 3: Beregnede forbrændingsparametre for kulprøverne A og B.
| Parameter | Enhed | Kul A | Kul B |
|---|---|---|---|
| Forbrændingsintensitet I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Forbrændingskarakteristikindeks S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Resumé
Forskellige kulprøvers forbrændingsegenskaber kan undersøges ved hjælp af NETZSCH STA Jupiter®. Grundlæggende parametre for kulprøverne under forbrændingsprocessen kan bestemmes ud fra måleresultaterne fra TG-, DTG- og DSC-målinger, f.eks. antændelsestemperatur, varmeafgivelse og forbrændingstid.
På baggrund af disse måleværdier kan der desuden beregnes omfattende indekser såsom forbrændingsintensitet, gennemsnitlig varmeafgivelsesintensitet og forbrændingskarakteristikindekset. Disse evalueringsindekser giver en samlet beskrivelse af kulets forbrændingsadfærd og muliggør en mere pålidelig sammenligning mellem forskellige kulprøver, hvilket understøtter udvælgelsen af det kul, der er bedst egnet til en bestemt anvendelse.