Einleitung
Kohle ist der Hauptbrennstoff für die Zementherstellung in China und stellt einen der wichtigsten Indikatoren für den Verbrauch von Rohbrennstoffen in der Zementproduktion dar. Die Qualität der Kohle beeinflusst nicht nur den Ertrag und die Qualität der Zementklinkerherstellung, sondern auch deren Kosten, da hochwertige Kohle mit einem höheren Heizwert höhere Prozesstemperaturen ermöglichen oder bei gleichbleibender Prozesstemperatur den Kohlebedarf reduzieren kann, wodurch sich Brennstoffkosten einsparen lassen. Moderne Prüfverfahren und die Verbesserung der Kohlequalität sind wichtige Faktoren, um die Senkung des Kohleverbrauchs und die Verbesserung der Qualität der Zementprodukte sicherzustellen.
Das Verbrennungsverhalten von Kohle in der Zementindustrie ist komplex. Die herkömmlichen industriellen analytischen Bewertungsmethoden [1] sind nicht mehr anwendbar. Ein Beispiel hierfür ist die adiabatische Kalorimetrie, bei der Kohle in einen adiabatischen Behälter gegeben wird und der Wärmeinhalt der Kohle durch Messung der Temperaturänderung im Inneren des Behälters berechnet wird. Diese Methode erfordert zwar nur einfache Geräte, die Messergebnisse sind jedoch relativ ungenau.
In dieser Arbeit wird die Materialcharakterisierung von zwei Kohlesorten mittels simultaner Thermoanalyse (Gerät: NETZSCH STA Jupiter®) durchgeführt. Anhand von thermogravimetrischen (TG) und Differenzkalorimetrie (DSC) -Ergebnissen wurden wichtige Verbrennungsparameter bestimmt, darunter die Start- und Endtemperaturen (Tonset, Tend) der Exothermie, die Temperatur des initialen Massenverlusts (Ti), die maximale Massenverlustrate (Vmax), die gesamte exotherme Wärme (q) und die durchschnittliche Verbrennungsrate (v).
Auf Grundlage dieser Parameter wurden die Bewertungsindizes
- Verbrennungsintensität (I),
- mittlere Wärmefreisetzungsintensität (Q) und
- der Index des Verbrennungseigenschaften (S)
berechnet. Diese Indizes bieten eine quantitative Grundlage für die Bewertung der Verbrennungsleistung von Kohle. Die Voraussetzungen des Einsatzes der Kohle in der Zementindustrie sind ein optimales Verbrennungsverhalten durch eine niedrige Verbrennungsintensität, eine hohe mittlere Wärmefreisetzungsintensität und ein hoher Index der Verbrennungseigenschaften. Dies spiegelt ein günstiges Gleichgewicht zwischen Zündverhalten, Wärmeabgabe und Gesamtreaktivität wider.
Methode und Messparameter
Zwei unterschiedliche Kohleproben (Kohle A und B, Masse ~10 mg) wurden von Raumtemperatur bis 1000 °C mit einer Heizrate von 10 K/min in Luft aufgeheizt. Tabelle 1 zeigt alle wichtigen Parameter der TG- und DSC-Kurve sowie deren Symbol, Einheit und Definition.
Verbrennungsindizes:
Die einzelnen Messwerte werden im Anschluss zur Bestimmung der Verbrennungsintensität, der durchschnittlichen Wärmefreisetzungsintensität sowie des Index der Verbrennungseigenschaften verwendet [2] (siehe Tabelle 1 zu Abkürzungen).
a) Verbrennungsintensität (I)
Die Verbrennungsintensität von Kohle gibt die Intensität der momentanen Wärmefreisetzung bei diesem exothermen Prozess an und ist definiert als:
b) Mittlere Wärmefreisetzungsintensität (Q)
Die durchschnittliche exotherme Intensität von Kohle gibt die Wärmemenge an, die pro Masseneinheit Kohle und pro Temperatureinheit während des Zeitraums vom Beginn bis zum Ende der exothermen Aktivität der Kohle freigesetzt wird und ist definiert als:
c) Index der Verbrennungseigenschaften (S)
Die Verbrennungseigenschaften von Kohle sind umfassende Indikatoren für ihre Qualität, die die Entflammbarkeit, den Zündpunkt, die Verbrennungsintensität und die Brenndauer umfasst. Aus diesen Gesichtspunkten und unter Berücksichtigung der einschlägigen Literatur
Tabelle 1: Wichtige Parameter der TG- und DSC-Kurven mit Symbol, Einheit und Definition.
| Parameter | Symbol | Einheit | Definition |
|---|---|---|---|
| Thermogravimetrie (TG) | |||
| Onsettemperatur des Massenverlusts | Ti | °C | Die Temperatur bei der die Probe beginnt Masse zu verlieren (Zündtemperatur). |
| Brennzeit | t98% | min | Zeit, die benötigt wird, um 98 % des Brennstoffes zu verbrennen. |
| Brenntemperatur | T98% | °C | Temperatur bei der 98 % des Brennstoffes verbrannt ist. |
| Durchschnittliche Verbrennungsrate | V | %/min | Gesamtmassenverlust geteilt durch die Brennzeit. |
| Differentielle Thermogravimetrie (DTG) | |||
| Maximale Massenverlustrate | Vmax | %/min | Die maximale Massenverlustrate. |
| Differenzkalorimetrie (DSC) | |||
| Onsettemperatur des exothermen Peaks | Tonset | °C | Temperatur zum Beginn des exothermen Effekts |
| Endtemperatur des exothermen Peaks | Tend | °C | Temperatur zum Ende des exothermen Effekts. |
| Fläche des exothermen Peaks | q | J/g | Verbrennungsenthalpie der Probe |
| Peakhöhe der Exothermie | H | mW/mg | Höhe des exothermen Peaks relativ zur DSC-Basislinie. |
| Halbwertsbreite des exothermen Peaks | W | min | Zeit entsprechend der Halbwertsbreite der Exothermie. |
Ergebnisse und Diskussion
Die TG- und DSC-Kurven von Kohle A und Kohle B sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Beide Proben zeigen zwei Massenverluststufen auf. Die erste bis etwa 150 °C lässt sich vermutlich auf die Freisetzung von Feuchtigkeit zurückführen. Im Vergleich weisen hier Kohle A und B einen ähnlichen Feuchteanteil auf (1,8 % bzw. 1,6 %). Die zweite, wesentlich größere Massenverluststufe entspricht der thermischen Zersetzung und Verbrennung der Kohleproben.
Aus den Kurven lassen sich die grundlegenden Parameter der thermischen Eigenschaften der beiden Kohlesorten entnehmen. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse für die einzelnen Proben aufgeführt.
Die Zündtemperaturen von Kohleprobe A (412 °C) und Kohleprobe B (416 °C) zeigen ähnliche Werte, wobei die Temperatur von Kohleprobe B leicht höher liegt. Je höher die Zündtemperatur, desto schwieriger lässt sich die Kohle entzünden. Ebenfalls ist die Verbrennungsenthalpie von Kohle B höher als von Kohle A. Je höher die Verbrennungsenthalpie, desto besser ist die Qualität der Kohle. Ein weiterer wichtiger Parameter, der bei der Verwendung der Kohle von Interesse ist, ist die Brennzeit, je größer die Dauer, desto schlechter ist die Brennleistung. Beim Vergleich beider Proben zeigt sich, dass Kohleprobe A mit knapp 28 Minuten etwas über Kohleprobe B liegt (~26 Minuten).
Die drei Bewertungsparameter der beiden Kohlearten sind in Tabelle 3 aufgeführt. Für die Zementindustrie gilt: Je höher der Index der Verbrennungseigenschaft (S), desto besser ist die Verbrennungsleistung der Kohle und desto besser ist ihre Qualität. Die Gesamtverbrennungsleistung der Kohle lässt sich jedoch nicht allein anhand dieses einen Index bestimmen. Es müssen auch die Verbrennungsintensität (I) und die mittlere Wärmefreisetzungsintensität (Q) berücksichtigt werden. Die verwendete Kohle sollte deswegen eine geringe Verbrennungsintensität (I), eine hohe mittlere Wärmefreisetzungsintensität (Q) und einen hohen Index der Verbrennungseigenschaften (S) besitzen, damit sie für den Einsatz in der Zementindustrie in Frage kommt.
Unter dieser Betrachtung und mit Blick auf Tabelle 3 lässt sich erkennen, dass Kohle A aufgrund ihrer geringeren Verbrennungsintensität und ihres höheren Index der Verbrennungseigenschaften eine bessere Brennleistung im Vergleich zu Kohle B aufweist.
Tabelle 2: Messergebnisse der TG- und DSC-Messung der Kohleproben A und B.
| Parameter | Einheit | Kohle A | Kohle B |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | m/W/mg | 12,24 | 13,16 |
| W | min | 27,80 | 25,80 |
| q | J/g | 20509 | 20520 |
| 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: Zündtemperatur; H: Peakhöhe der Exothermie; W: Halbwertsbreite der Exothermie; q: Verbrennnungsenthalpie; Tonset: Onsettemperatur der Exothermie; Tend: Endtemperatur der Exothermie; t98%: Brennzeit; T98%: Brenntemperatur v: durchschnittliche Verbrennungsrate, Vmax: Maximale Massenverlustrate
Tabelle 3: Berechnete Verbrennungsparamater der Kohleproben A und B.
| Parameter | Einheit | Kohle A | Kohle B |
|---|---|---|---|
| Verbrennungsindex I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| mittlere Wärmefreisetzungsintensität Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Index der Verbrennungseigenschaften S | 5,46 x 10-9 | 5,3 5 x 10-9 |
Zusamenfassung
Die Verbrennungseigenschaften von unterschiedlichen Kohleproben lassen sich mit Hilfe der NETZSCH STA Jupiter® untersuchen. Aus den TG-, DTG- und DSC-Messergebnissen lassen sich grundlegende Parameter der Kohleproben während des Verbrennungsprozesses bestimmen, beispielsweise die Zündtemperatur, die Wärmefreisetzung und die Brennzeit.
Auf der Grundlage dieser Messwerte lassen sich zusätzlich umfassende Kennzahlen wie die Verbrennungsintensität, die mittlere Wärmefreisetzungsintensität sowie der Index der Verbrennungseigenschaften berechnen. Diese Bewertungskennzahlen liefern eine ganzheitliche Beschreibung des Verbrennungsverhaltens von Kohle und ermöglichen einen zuverlässigeren Vergleich zwischen verschiedenen Kohleproben, wodurch die Auswahl der für eine bestimmte Anwendung am besten geeigneten Kohle unterstützt wird.