Introducción
El carbón es el principal combustible utilizado en la producción de cemento en China y uno de los indicadores clave del consumo de combustible bruto en dicha producción. La calidad del carbón no solo influye en el rendimiento y la calidad de la producción de clinker de cemento, sino también en sus costes, ya que un carbón de alta calidad con un mayor poder calorífico permite alcanzar temperaturas de proceso más elevadas o reducir el consumo de carbón a la misma temperatura de proceso, lo que, a su vez, reduce los costes de combustible. Los métodos avanzados de ensayo y el refuerzo de la gestión de la calidad del carbón son aspectos fundamentales para garantizar la reducción del consumo de carbón y la mejora de la calidad de los productos cementeros.
El comportamiento de la combustión del carbón en la industria cementera es complejo. Los métodos tradicionales de evaluación analítica industrial [1] ya no resultan aplicables. Un ejemplo es el método del calorímetro AdiabáticoAdiabático describe un sistema o modo de medición sin ningún intercambio de calor con el entorno. Este modo puede realizarse utilizando un dispositivo calorimétrico según el método de calorimetría de tasa acelerada (ARC®). El objetivo principal de un dispositivo de este tipo es estudiar escenarios y reacciones térmicas fuera de control. Una breve descripción del modo adiabático es "sin entrada de calor - sin salida de calor".adiabático, en el que el carbón se coloca en un recipiente AdiabáticoAdiabático describe un sistema o modo de medición sin ningún intercambio de calor con el entorno. Este modo puede realizarse utilizando un dispositivo calorimétrico según el método de calorimetría de tasa acelerada (ARC®). El objetivo principal de un dispositivo de este tipo es estudiar escenarios y reacciones térmicas fuera de control. Una breve descripción del modo adiabático es "sin entrada de calor - sin salida de calor".adiabático y su contenido calorífico se calcula midiendo el cambio de temperatura en el interior del recipiente. Si bien este método utiliza un equipo sencillo, los resultados de las mediciones son relativamente imprecisos.
En este trabajo, la caracterización del carbón se lleva a cabo utilizando un analizador térmico simultáneo (STA) de NETZSCH Jupiter® . Se utilizaron curvas termogravimétricas (TGA) y de calorimetría diferencial de barrido (DSC) para determinar los parámetros clave de la combustión, entre ellos las temperaturas de inicio y fin de la exotermia (Tonset, Tend), la temperatura de pérdida de masa inicial (Ti), la velocidad máxima de pérdida de masa (Vmax), el calor ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico total (q) y la velocidad media de combustión (v). A partir de estos parámetros, se establecieron tres índices de evaluación:
- la intensidad de combustión (I),
- la intensidad media de liberación de calor (Q) y
- el índice característico de combustión (S)
. Estos índices proporcionan una base cuantitativa para evaluar el rendimiento de la combustión del carbón. En la industria cementera, el carbón con un comportamiento de combustión óptimo se caracteriza por una baja intensidad de combustión (I), una alta intensidad media de liberación de calor (Q) y un alto índice característico de combustión (S), lo que refleja un equilibrio favorable entre el comportamiento de ignición, la producción de calor y la reactividad general.
Método de medición
Para la serie experimental, se seleccionaron dos muestras de carbón: el carbón A y el carbón B. Cada muestra tenía una masa de aproximadamente 10 mg. El programa de temperatura aplicado abarcaba desde la temperatura ambiente (TA) hasta los 1000 °C. El calentamiento se llevó a cabo a una velocidad constante de 10 K/min en atmósfera de aire. La tabla 1 muestra todos los parámetros importantes de las curvas de TGA y DSC, junto con el símbolo, la unidad y la definición correspondientes.
Establecimiento de los parámetros del índice de evaluación
A partir de los parámetros básicos de la curva de análisis térmico, se pueden definir los tres parámetros del índice de evaluación siguientes [2] (véanse las abreviaturas en la tabla 1).
a) Intensidad de combustión (I)
La intensidad de combustión del carbón indica la intensidad de la liberación instantánea de calor en el proceso ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico. Se define como:
b) Intensidad media de liberación de calor (Q)
La intensidad exotérmica media del carbón expresa la cantidad de calor liberado por unidad de masa de carbón y por unidad de temperatura durante el periodo comprendido entre el inicio y el final de la actividad exotérmica del carbón. Se define como:
c) Índice de características de combustión (S)
Las características de combustión del carbón constituyen un índice global del mismo, que incluye su inflamabilidad, su punto de ignición, su intensidad de combustión y su tiempo de combustión. Desde estas perspectivas, y teniendo en cuenta la bibliografía correspondiente [3-4], se puede
Tabla 1: Parámetros importantes de las curvas de TGA y DSC, con su símbolo, unidad y definición.
| Parámetro | Unidad | Definición | |
|---|---|---|---|
Termogravimetría (TGA) | |||
| Temperatura de inicio de la pérdida de masa | Ti | °C | Temperatura a la que el carbón comienza a perder peso (temperatura de ignición). |
| Tiempo de combustión completa | t98 % | min | El tiempo necesario para que se queme el 98 % del combustible. |
| Temperatura de combustión completa | T98 % | °C | La temperatura correspondiente a la combustión del 98 % del combustible. |
| Velocidad media de combustión | V | %/min | Porcentaje de pérdida de peso total dividido por el tiempo de combustión completa. |
Termogravimetría diferencial (DTG) | |||
| Tasa máxima de pérdida de masa | Vmáx | %/min | La tasa máxima de pérdida de masa. |
Flujo de calor (DSC) | |||
| Temperatura de inicio del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico | Inicio | °C | Temperatura del carbón al inicio del efecto ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico |
| Temperatura final del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico | Tend | °C | Temperatura al final del efecto ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico |
| Área del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico | q | J/g | Capacidad exotérmica del carbón |
| Altura del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico | H | Altura del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico con respecto a la línea de base del DSC | |
| Ancho a la mitad del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico (ancho) | W | min | Tiempo correspondiente al ancho del pico en el punto en que la altura del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor. exotérmico alcanza la mitad de su valor máximo. |
Resultados y discusión
Las curvas STA del carbón A y del carbón B se muestran en las figuras 1 y 2, respectivamente. Como puede observarse, ambas muestras presentan dos etapas de pérdida de masa. El primero, hasta los 150 °C, se debe a la liberación de humedad. Las pérdidas de masa correspondientes para el carbón A y el carbón B son del 1,8 % y del 1,6 %, respectivamente, lo que indica unos contenidos de humedad comparables. El segundo escalón de pérdida de masa, sustancialmente mayor, corresponde a la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica y a la combustión de las muestras de carbón.
A partir de las curvas STA, se pueden obtener los parámetros básicos de las características térmicas de los dos tipos de carbón, que se recogen en la tabla 1.
Como se puede observar en la tabla 1, las temperaturas de ignición de los dos tipos de carbón, en orden decreciente, son las siguientes: carbón B > carbón A. La temperatura de ignición refleja el grado de dificultad para que el carbón se inflame. Cuanto más baja es la temperatura de ignición, más fácil resulta que el carbón se inflame. La capacidad exotérmica de ambos carbones, en orden descendente, es la siguiente: carbón B > carbón A; cuanto mayor es la capacidad exotérmica, mejor es la calidad del carbón. El tiempo de combustión de las dos muestras de carbón, en orden descendente, es el siguiente: carbón A > carbón B. En general, cuanto mayor es el tiempo de combustión, peor es el rendimiento de la combustión.
Los tres parámetros de los índices de evaluación de los dos tipos de carbón se recogen en la tabla 2. En la industria del cemento, cuanto mayor es el índice de características de combustión (S), mejor es el rendimiento de combustión del carbón y mejor es su calidad. Sin embargo, el rendimiento global de la combustión del carbón no puede determinarse únicamente a partir de este índice. También deben tenerse en cuenta la intensidad de combustión (I) y la intensidad media de liberación de calor (Q). Solo el carbón con una baja intensidad de combustión (I), una alta intensidad media de liberación de calor (Q) y un alto índice de características de combustión (S) presenta un rendimiento global superior.
Como se puede observar en la tabla 3, el carbón B presenta una intensidad de combustión y una intensidad media de liberación de calor superiores a las del carbón A. Sin embargo, su índice de características de combustión (5,35 × 10⁻⁹) es inferior al del carbón A (5,46 × 10⁻⁹). En general, el carbón A posee un rendimiento de combustión global superior.
Tabla 2: Resultados de las mediciones de TGA y DSC realizadas con los carbones A y B.
| Parámetro | Unidad | Carbón A | Carbón B |
|---|---|---|---|
| °C | 412 | 416 | |
| Ti | m/W/mg | 12,24 | 13,16 |
| H | v | 27,80 | 25,80 |
| W | J/g | 20 509 | 20 520 |
| q | °C | 247 | 248 |
| Tonset | °C | 706 | 689 |
| t98 % | min | 26,8 | 24,8 |
| T98 % | °C | 692 | 676 |
Ti: Tiempo de ignición; H: Altura del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor. exotérmico; W: Ancho a la mitad del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor. exotérmico; q: Área del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor. exotérmico;Tonset: Temperatura de inicio del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor. exotérmico;Tend: Temperatura final del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico;t98 %: Tiempo de combustión completa;T98 %: Tiempo de combustión completa; v: Velocidad media de combustión;Vmáx: Velocidad máxima de pérdida de masa
Tabla 3: Tres parámetros de los índices de evaluación del carbón A y B.
| Parámetro | Unidad | Carbón A | Carbón B |
|---|---|---|---|
| Intensidad de combustión, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensidad media de liberación de calor, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Índice característico de combustión, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Conclusión
Las características de combustión de las muestras de carbón pueden estudiarse mediante el sistema de análisis térmico (STA) de NETZSCH Jupiter® . A partir de las curvas de TGA, DTG y DSC se pueden obtener los parámetros básicos de las muestras de carbón durante el proceso de calentamiento, tales como la temperatura de ignición, la liberación de calor y el tiempo de combustión completa.
A partir de los parámetros térmicos obtenidos, se pueden calcular índices adicionales exhaustivos, es decir, la intensidad de combustión, la intensidad media de liberación de calor y el índice de características de combustión. Estos indicadores de evaluación proporcionan una descripción integrada del comportamiento de combustión del carbón y permiten realizar una comparación más fiable entre diferentes muestras de carbón, lo que facilita la selección del carbón más adecuado para una aplicación determinada.
Introducción
El carbón es el principal combustible para la producción de cemento en China y constituye uno de los indicadores más importantes del consumo de materias primas y combustibles en la producción de cemento. La calidad del carbón influye no solo en el rendimiento y la calidad de la producción de clinker de cemento, sino también en sus costes, ya que un carbón de alta calidad con un mayor poder calorífico permite alcanzar temperaturas de proceso más elevadas o, a temperatura de proceso constante, reduce la demanda de carbón, lo que supone un ahorro en los costes de combustible. Los métodos de ensayo modernos y la mejora de la calidad del carbón son factores importantes para garantizar una reducción del consumo de carbón y una mejora de la calidad de los productos cementeros.
El comportamiento de la combustión del carbón en la industria cementera es complejo. Los métodos analíticos industriales convencionales [1] ya no son aplicables. Un ejemplo es la calorimetría adiabática, en la que el carbón se coloca en un recipiente AdiabáticoAdiabático describe un sistema o modo de medición sin ningún intercambio de calor con el entorno. Este modo puede realizarse utilizando un dispositivo calorimétrico según el método de calorimetría de tasa acelerada (ARC®). El objetivo principal de un dispositivo de este tipo es estudiar escenarios y reacciones térmicas fuera de control. Una breve descripción del modo adiabático es "sin entrada de calor - sin salida de calor".adiabático y el contenido calorífico del carbón se calcula midiendo el cambio de temperatura en el interior del recipiente. Aunque este método solo requiere un equipo sencillo, los resultados de las mediciones son relativamente imprecisos.
En este trabajo, se lleva a cabo la caracterización de dos tipos de carbón mediante análisis térmico simultáneo utilizando un instrumento STA de NETZSCH Jupiter® . A partir de los resultados de la termogravimetría (TG) y la calorimetría diferencial (DSC), se determinaron importantes parámetros de combustión, entre ellos las temperaturas de inicio y fin (Tonset,Tend) de la exoterma, la temperatura de pérdida de masa inicial (Ti), la velocidad máxima de pérdida de masa (Vmax), el calor ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico total (q) y la velocidad media de combustión (v).
A partir de estos parámetros, se calcularon los índices de evaluación
- intensidad de combustión (I),
- la intensidad media de liberación de calor (Q) y
- el índice característico de combustión (S)
. Estos índices proporcionan una base cuantitativa para evaluar el comportamiento de la combustión del carbón. Los requisitos para el uso del carbón en la industria cementera son un comportamiento de combustión óptimo, caracterizado por una baja intensidad de combustión, una alta intensidad media de liberación de calor y un alto índice característico de combustión. Esto refleja un equilibrio favorable entre el comportamiento de ignición, la liberación de calor y la reactividad general.
Método y parámetros de medición
Se calentaron dos muestras diferentes de carbón (carbón A y B, con una masa aproximada de 10 mg) desde temperatura ambiente hasta 1000 °C, a una velocidad de calentamiento de 10 K/min, en aire. La tabla 1 muestra todos los parámetros importantes de las curvas de TG y DSC, junto con sus símbolos, unidades y definiciones.
Índices de combustión:
Los valores medidos individualmente se utilizan posteriormente para determinar la intensidad de combustión, la intensidad media de liberación de calor y el índice característico de combustión [2] (véanse las abreviaturas en la tabla 1).
a) Intensidad de combustión (I)
La intensidad de combustión del carbón indica la intensidad de la liberación instantánea de calor en este ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.proceso exotérmico y se define como:
b) Intensidad media de liberación de calor (Q)
La intensidad exotérmica media del carbón indica la cantidad de calor liberada por unidad de masa de carbón y por unidad de temperatura durante el periodo comprendido entre el inicio y el final de la actividad exotérmica del carbón, y se define como:
c) Índice de características de combustión (S)
Las características de combustión del carbón constituyen indicadores globales de su calidad, entre los que se incluyen la inflamabilidad, el punto de ignición, la intensidad de la combustión y la duración de la misma. A partir de estos aspectos y teniendo en cuenta la bibliografía pertinente
Tabla 1: Parámetros importantes de las curvas de TG y DSC, con su símbolo, unidad y definición.
| Parámetro | Símbolo | Unidad | Definición |
|---|---|---|---|
| Termogravimetría (TG) | |||
| Temperatura de inicio de la pérdida de masa | Ti | °C | Temperatura a la que la muestra comienza a perder masa (temperatura de ignición). |
| Tiempo de combustión | t98 % | min | Tiempo necesario para quemar el 98 % del combustible. |
| Temperatura de combustión | T98 % | °C | Temperatura a la que se ha quemado el 98 % del combustible. |
| Velocidad media de combustión | V | %/min | Pérdida de masa total dividida por el tiempo de combustión. |
| Termogravimetría diferencial (DTG) | |||
| Tasa máxima de pérdida de masa | Vmáx | %/min | La tasa máxima de pérdida de masa. |
| Calorimetría diferencial de barrido (DSC) | |||
| Temperatura de inicio del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico | Inicio | °C | Temperatura en la que comienza el efecto ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico. |
| Temperatura final del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico | Tend | °C | Temperatura al final del efecto ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico. |
| Área del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico | q | J/g | Entalpía de combustión de la muestra. |
| Altura del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico | H | mW/mg | Altura del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico con respecto a la línea de base del DSC. |
| Ancho a la mitad del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico | W | min | Tiempo correspondiente a la mitad de la anchura del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor. exotérmico. |
Resultados y discusión
Las curvas de TG y DSC del carbón A y del carbón B se muestran en las figuras 1 y 2. Ambas muestras presentan dos etapas de pérdida de masa. El primero, hasta aproximadamente 150 °C, puede atribuirse presumiblemente a la liberación de humedad. En comparación, los carbones A y B presentan aquí contenidos de humedad similares (1,8 % y 1,6 %, respectivamente). El segundo escalón de pérdida de masa, considerablemente mayor, corresponde a la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica y a la combustión de las muestras de carbón.
Las curvas proporcionan los parámetros básicos de las propiedades térmicas de los dos tipos de carbón. En la tabla 2 se recogen los resultados de cada una de las muestras.
Las temperaturas de ignición de la muestra de carbón A (412 °C) y de la muestra de carbón B (416 °C) presentan valores similares, siendo la temperatura de la muestra de carbón B ligeramente superior. Cuanto mayor es la temperatura de ignición, más difícil resulta encender el carbón. La entalpía de combustión del carbón B también es superior a la del carbón A. Cuanto mayor es la entalpía de combustión, mejor es la calidad del carbón. Otro parámetro importante a la hora de utilizar carbón es el tiempo de combustión: cuanto mayor sea la duración, peor será el rendimiento de la combustión. Una comparación de ambas muestras muestra que la muestra de carbón A, con casi 28 minutos, se sitúa ligeramente por encima de la muestra de carbón B (aproximadamente 26 minutos).
Los tres parámetros de evaluación para los dos tipos de carbón se recogen en la tabla 3. Para la industria cementera, cuanto mayor sea el índice de características de combustión (S), mejor será el rendimiento de combustión del carbón y mayor su calidad. Sin embargo, el rendimiento global de combustión del carbón no puede determinarse únicamente a partir de este índice. También deben tenerse en cuenta la intensidad de combustión (I) y la intensidad media de liberación de calor (Q). Por lo tanto, el carbón utilizado debe presentar una baja intensidad de combustión (I), una alta intensidad media de liberación de calor (Q) y un alto índice de características de combustión (S) para ser adecuado para su uso en la industria cementera.
Teniendo esto en cuenta y consultando la tabla 3, se observa que el carbón A presenta un mejor rendimiento de combustión que el carbón B debido a su menor intensidad de combustión y a su mayor índice característico de combustión.
Tabla 2: Resultados de las mediciones de TG y DSC de las muestras de carbón A y B.
| Parámetro | Unidad | Carbón A | Carbón B |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | mW/mg | 12,24 | 13,16 |
| W | min | 27,80 | 25,80 |
| q | J/g | 20 509 | 20 520 |
| Tonset | °C | 247 | 248 |
| Tend | °C | 706 | 689 |
| t98 % | mín. | 26,8 | 24,8 |
| T98 % | °C | 692 | 676 |
| V | %/min | 3,150 | 3,394 |
Ti: temperatura de ignición; H: altura del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor. exotérmico; W: anchura a la mitad del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor. exotérmico; q: entalpía de combustión;Tonset: temperatura de inicio del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor. exotérmico;Tend: temperatura final del pico ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor. exotérmico;t98 %: tiempo de combustión;T98 %: temperatura de combustión; V: velocidad media de combustión;Vmáx: velocidad máxima de pérdida de masa
Tabla 3: Parámetros de combustión calculados de las muestras de carbón A y B.
| Parámetro | Unidad | Carbón A | Carbón B |
|---|---|---|---|
| Intensidad de combustión I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensidad media de liberación de calor Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Índice característico de combustión S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Resumen
Las características de combustión de diferentes muestras de carbón pueden analizarse utilizando el sistema de análisis térmico NETZSCH de STA Jupiter®. A partir de los resultados de las mediciones de TG, DTG y DSC, pueden determinarse los parámetros fundamentales de las muestras de carbón durante el proceso de combustión, como, por ejemplo, la temperatura de ignición, la liberación de calor y el tiempo de combustión.
A partir de estos valores medidos, se pueden calcular además índices exhaustivos, como la intensidad de combustión, la intensidad media de liberación de calor y el índice de características de combustión. Estos índices de evaluación proporcionan una descripción integrada del comportamiento de combustión del carbón y permiten una comparación más fiable entre diferentes muestras de carbón, lo que facilita la selección del carbón más adecuado para una aplicación concreta.