Introduction
Le charbon est le principal combustible utilisé dans la production de ciment en Chine, et l'un des indicateurs clés de la consommation de combustible brut dans ce secteur. La qualité du charbon influe non seulement sur le rendement et la qualité de la production de clinker de ciment, mais également sur ses coûts ; en effet, un charbon de haute qualité, doté d’un pouvoir calorifique plus élevé, permet d’atteindre des températures de traitement plus élevées ou de réduire la consommation de charbon à température de traitement égale, ce qui diminue ainsi les coûts de combustible. Le recours à des méthodes d’analyse avancées et le renforcement de la gestion de la qualité du charbon constituent des éléments essentiels pour garantir la réduction de la consommation de charbon et l’amélioration de la qualité des produits cimentiers.
Le comportement à la combustion du charbon dans l’industrie du ciment est complexe. Les méthodes d’évaluation analytiques industrielles traditionnelles [1] ne sont plus applicables. Citons par exemple la méthode du calorimètre AdiabatiqueAdiabatique décrit un système ou un mode de mesure sans aucun échange de chaleur avec l'environnement. Ce mode peut être réalisé à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC®). L'objectif principal d'un tel dispositif est d'étudier des scénarios et des réactions d'emballement thermique. Une brève description du mode adiabatique est la suivante : "pas d'entrée de chaleur - pas de sortie de chaleur".adiabatique, dans laquelle le charbon est placé dans un récipient AdiabatiqueAdiabatique décrit un système ou un mode de mesure sans aucun échange de chaleur avec l'environnement. Ce mode peut être réalisé à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC®). L'objectif principal d'un tel dispositif est d'étudier des scénarios et des réactions d'emballement thermique. Une brève description du mode adiabatique est la suivante : "pas d'entrée de chaleur - pas de sortie de chaleur".adiabatique et dont le pouvoir calorifique est calculé en mesurant la variation de température à l’intérieur du récipient. Bien que cette méthode utilise un équipement simple, les résultats des mesures sont relativement imprécis.
Dans le cadre de ces travaux, la caractérisation du charbon est réalisée à l’aide d’un analyseur thermique simultané (STA) de la société NETZSCH Jupiter® . Les courbes de thermogravimétrie (TGA) et de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ont été utilisées pour déterminer les paramètres clés de la combustion, notamment les températures de début et de fin de la réaction ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique (Tonset, Tend), la température de perte de masse initiale (Ti), le taux maximal de perte de masse (Vmax), la chaleur ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique totale (q) et la vitesse moyenne de combustion (v). Sur la base de ces paramètres, trois indices d’évaluation,
- l’intensité de combustion (I),
- l’intensité moyenne de dégagement de chaleur (Q) et
- l’indice caractéristique de combustion (S)
ont été calculés. Ces indices fournissent une base quantitative pour évaluer les performances de la combustion du charbon. Dans l’industrie du ciment, un charbon présentant un comportement de combustion optimal se caractérise par une faible intensité de combustion (I), une forte intensité moyenne de dégagement de chaleur (Q) et un indice caractéristique de combustion (S) élevé, ce qui reflète un équilibre favorable entre le comportement à l’allumage, le rendement thermique et la réactivité globale.
Méthode de mesure
Pour la série d'expériences, deux échantillons de charbon − le charbon A et le charbon B − ont été sélectionnés. Chaque échantillon pesait environ 10 mg. Le programme de température appliqué s'étendait de la température ambiante (TA) à 1 000 °C. Le chauffage a été effectué à une vitesse constante de 10 K/min sous atmosphère d'air. Le tableau 1 présente tous les paramètres importants des courbes ATG et DSC, ainsi que le symbole, l’unité et la définition correspondants.
Définition des paramètres des indices d'évaluation
À partir des paramètres de base de la courbe d’analyse thermique, les trois paramètres d’indice d’évaluation suivants peuvent être définis [2] (voir le tableau 1 pour les abréviations).
a) Intensité de combustion (I)
L'intensité de combustion du charbon indique l'intensité du dégagement de chaleur instantané au cours du processus ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique. Elle est définie comme suit :
b) Intensité moyenne de dégagement de chaleur (Q)
L’intensité ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique moyenne du charbon exprime la quantité de chaleur dégagée par unité de masse de charbon et par unité de température pendant la période allant du début à la fin de l’activité ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique du charbon. Elle est définie comme suit :
c) Indice des caractéristiques de combustion (S)
Les caractéristiques de combustion du charbon constituent un indice global de ce combustible, qui englobe son inflammabilité, son point d’inflammation, son intensité de combustion et sa durée de combustion. Sous ces angles, et à la lumière de la littérature correspondante [3-4], on peut
Tableau 1 : Paramètres importants des courbes TGA et DSC, avec leur symbole, leur unité et leur définition.
Résultats et discussion
Les courbes STA du charbon A et du charbon B sont présentées respectivement sur les figures 1 et 2. Comme vous pouvez le constater, les deux échantillons présentent deux phases de perte de masse. La première, jusqu’à 150 °C, est due au dégagement d’humidité. Les pertes de masse correspondantes pour le charbon A et le charbon B sont respectivement de 1,8 % et 1,6 %, ce qui indique des teneurs en humidité comparables. La deuxième étape de perte de masse, nettement plus importante, correspond à la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition thermique et à la combustion des échantillons de charbon.
Les courbes STA permettent d'obtenir les paramètres fondamentaux des caractéristiques thermiques des deux types de charbon, qui sont présentés dans le tableau 1.
Comme le montre le tableau 1, les températures d’allumage des deux types de charbon, par ordre décroissant, sont les suivantes : charbon B > charbon A. La température d’allumage reflète le degré de difficulté d’allumage du charbon. Plus la température d’allumage est basse, plus le charbon s’allume facilement. La capacité ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique des deux charbons, par ordre décroissant, est la suivante : charbon B > charbon A ; plus la capacité ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique est élevée, meilleure est la qualité du charbon. La durée de combustion des deux échantillons de charbon, par ordre décroissant, est la suivante : charbon A > charbon B. En général, plus la durée de combustion est longue, plus les performances de combustion sont mauvaises.
Les trois paramètres d’évaluation des deux types de charbon sont présentés dans le tableau 2. Dans l’industrie du ciment, plus l’indice de combustion (S) est élevé, meilleures sont les performances de combustion du charbon et meilleure est la qualité de celui-ci. Cependant, les performances globales de combustion du charbon ne peuvent être déterminées par ce seul indice. Il convient également de prendre en compte l’intensité de combustion (I) et l’intensité moyenne de dégagement de chaleur (Q). Seul un charbon présentant une faible intensité de combustion (I), une forte intensité moyenne de dégagement de chaleur (Q) et un indice de combustion caractéristique (S) élevé offre des performances globales supérieures.
Comme le montre le tableau 3, le charbon B présente une intensité de combustion et une intensité moyenne de dégagement de chaleur supérieures à celles du charbon A. Cependant, son indice de combustion (5,35 × 10⁻⁹) est inférieur à celui du charbon A (5,46 × 10⁻⁹). D’une manière générale, le charbon A possède des performances de combustion globales supérieures.
Tableau 2 : Résultats des mesures TGA et DSC réalisées sur les charbons A et B.
| Paramètre | Unité | Charbon A | Charbon 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: temps d'allumage ; H : hauteur du pic ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique ; W : largeur à mi-hauteur du pic ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique ; q : aire du pic ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique ;Tonset: température d'apparition du pic ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur. exothermique ;Tend: Température de fin du pic ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur. exothermique ;t98 %: Temps de combustion complète ;T98 %: Temps de combustion complète ; v : Vitesse moyenne de combustion ;Vmax: Taux maximal de perte de masse
Tableau 3 : Trois paramètres d'évaluation des charbons A et B.
| Paramètre | Unité | Charbon A | Charbon B |
|---|---|---|---|
| Intensité de combustion, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensité moyenne de dégagement de chaleur, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Indice caractéristique de combustion, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Conclusion
Les caractéristiques de combustion des échantillons de charbon peuvent être étudiées à l'aide de l'NETZSCH STA Jupiter®. Les paramètres fondamentaux des échantillons de charbon au cours du processus de chauffage peuvent être obtenus à partir des courbes TGA, DTG et DSC, tels que la température d'allumage, le dégagement de chaleur et le temps de combustion complète.
À partir des paramètres thermiques ainsi obtenus, il est possible de calculer des indices complémentaires complets, à savoir l’intensité de combustion, l’intensité moyenne de dégagement de chaleur et l’indice caractéristique de combustion. Ces indicateurs d’évaluation fournissent une description globale du comportement à la combustion du charbon et permettent une comparaison plus fiable entre différents échantillons de charbon, facilitant ainsi le choix du charbon le mieux adapté à une application donnée.
Introduction
Le charbon est le principal combustible utilisé pour la production de ciment en Chine et constitue l'un des indicateurs les plus importants de la consommation de matières premières combustibles dans ce secteur. La qualité du charbon influe non seulement sur le rendement et la qualité de la production de clinker de ciment, mais également sur ses coûts, car un charbon de haute qualité, doté d’un pouvoir calorifique plus élevé, permet d’atteindre des températures de traitement plus élevées ou, à température de traitement constante, réduit la demande en charbon, ce qui se traduit par des économies de coûts de combustible. Les méthodes d'essai modernes et l’amélioration de la qualité du charbon constituent des facteurs essentiels pour garantir une réduction de la consommation de charbon et une amélioration de la qualité des produits cimentiers.
Le comportement à la combustion du charbon dans l’industrie du ciment est complexe. Les méthodes d’évaluation analytiques industrielles conventionnelles [1] ne sont plus applicables. Citons par exemple la calorimétrie AdiabatiqueAdiabatique décrit un système ou un mode de mesure sans aucun échange de chaleur avec l'environnement. Ce mode peut être réalisé à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC®). L'objectif principal d'un tel dispositif est d'étudier des scénarios et des réactions d'emballement thermique. Une brève description du mode adiabatique est la suivante : "pas d'entrée de chaleur - pas de sortie de chaleur".adiabatique, dans laquelle le charbon est placé dans un récipient AdiabatiqueAdiabatique décrit un système ou un mode de mesure sans aucun échange de chaleur avec l'environnement. Ce mode peut être réalisé à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC®). L'objectif principal d'un tel dispositif est d'étudier des scénarios et des réactions d'emballement thermique. Une brève description du mode adiabatique est la suivante : "pas d'entrée de chaleur - pas de sortie de chaleur".adiabatique et où le pouvoir calorifique du charbon est calculé en mesurant la variation de température à l’intérieur du récipient. Bien que cette méthode ne nécessite qu’un équipement simple, les résultats de mesure sont relativement imprécis.
Dans le cadre de ce travail, la caractérisation de deux types de charbon est réalisée par analyse thermique simultanée à l’aide d’un instrument STA Jupiter® d’ NETZSCH. À partir des résultats de l’analyse thermogravimétrique (TG) et de la calorimétrie différentielle (DSC), des paramètres de combustion importants ont été déterminés, notamment les températures de début et de fin (Tonset,Tend) de l’exothermie, la température de perte de masse initiale (Ti), le taux maximal de perte de masse (Vmax), la chaleur ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur. exothermique totale (q) et la vitesse moyenne de combustion (v).
À partir de ces paramètres, les indices d’évaluation
- l’intensité de combustion (I),
- l’intensité moyenne de dégagement de chaleur (Q) et
- l’indice caractéristique de combustion (S)
ont été calculés. Ces indices fournissent une base quantitative pour évaluer les performances de combustion du charbon. Les exigences relatives à l’utilisation du charbon dans l’industrie du ciment portent sur un comportement de combustion optimal, caractérisé par une faible intensité de combustion, une forte intensité moyenne de dégagement de chaleur et un indice de caractéristique de combustion élevé. Cela reflète un équilibre favorable entre le comportement à l’allumage, le dégagement de chaleur et la réactivité globale.
Méthode et paramètres de mesure
Deux échantillons de charbon différents (charbon A et B, d'une masse d'environ 10 mg) ont été chauffés de la température ambiante à 1 000 °C à une vitesse de chauffage de 10 K/min dans l'air. Le tableau 1 présente tous les paramètres importants des courbes TG et DSC, ainsi que leurs symboles, leurs unités et leurs définitions.
Indices de combustion :
Les différentes valeurs mesurées sont ensuite utilisées pour déterminer l'intensité de combustion, l'intensité moyenne de dégagement de chaleur et l'indice caractéristique de combustion [2] (voir le tableau 1 pour les abréviations).
a) Intensité de combustion (I)
L’intensité de combustion du charbon indique l’intensité du dégagement de chaleur instantané au cours de ce ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.processus exothermique et est définie comme suit :
b) Intensité moyenne de dégagement de chaleur (Q)
L'intensité ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur. exothermique moyenne du charbon indique la quantité de chaleur dégagée par unité de masse de charbon et par unité de température pendant la période allant du début à la fin de l'activité ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur. exothermique du charbon ; elle est définie comme suit :
c) Indice des caractéristiques de combustion (S)
Les caractéristiques de combustion du charbon constituent des indicateurs globaux de sa qualité, notamment l’inflammabilité, le point d’inflammation, l’intensité de combustion et la durée de combustion. À partir de ces aspects et en tenant compte de la littérature pertinente
Tableau 1 : Paramètres importants des courbes TG et DSC, avec leur symbole, leur unité et leur définition.
| Paramètre | Symbole | Unité | Définition |
|---|---|---|---|
| Thermogravimétrie (TG) | |||
| Température de début de perte de masse | Ti | °C | Température à laquelle l'échantillon commence à perdre de la masse (température d'allumage). |
| Durée de combustion | t98 % | min | Temps nécessaire pour brûler 98 % du combustible. |
| Température de combustion | T98 % | °C | Température à laquelle 98 % du combustible a été brûlé. |
| Vitesse de combustion moyenne | V | %/min | Perte de masse totale divisée par la durée de combustion. |
| Thermogravimétrie différentielle (DTG) | |||
| Taux maximal de perte de masse | Vmax | %/min | Le taux maximal de perte de masse. |
| Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) | |||
| Température d'apparition du pic ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur. exothermique | Tonset | °C | Température marquant le début de l’effet ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur. exothermique. |
| Température de fin du pic ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur. exothermique | Tend | °C | Température à la fin de l'effet ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur. exothermique. |
| Aire du pic ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur. exothermique | q | J/g | Enthalpie de combustion de l'échantillon. |
| Hauteur du pic exothermique | H | mW/mg | Hauteur du pic exothermique par rapport à la ligne de base du DSC. |
| Demi-largeur du pic exothermique | W | min | Durée correspondant à la demi-largeur du pic exothermique. |
Résultats et discussion
Les courbes TG et DSC des charbons A et B sont présentées sur les figures 1 et 2. Les deux échantillons présentent deux paliers de perte de masse. La première, jusqu’à environ 150 °C, peut vraisemblablement être attribuée au dégagement d’humidité. À ce stade, les charbons A et B présentent des teneurs en humidité similaires (respectivement 1,8 % et 1,6 %). La deuxième étape de perte de masse, nettement plus importante, correspond à la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition thermique et à la combustion des échantillons de charbon.
Ces courbes fournissent les paramètres fondamentaux des propriétés thermiques des deux types de charbon. Le tableau 2 présente les résultats pour chaque échantillon.
Les températures d’allumage de l’échantillon de charbon A (412 °C) et de l’échantillon de charbon B (416 °C) présentent des valeurs similaires, la température de l’échantillon de charbon B étant légèrement supérieure. Plus la température d’allumage est élevée, plus il est difficile de faire s’enflammer le charbon. L’enthalpie de combustion du charbon B est également supérieure à celle du charbon A. Plus l’enthalpie de combustion est élevée, meilleure est la qualité du charbon. Un autre paramètre important lors de l’utilisation du charbon est la durée de combustion : plus celle-ci est longue, plus les performances de combustion sont médiocres. Une comparaison des deux échantillons montre que l’échantillon de charbon A, avec près de 28 minutes, se situe légèrement au-dessus de l’échantillon de charbon B (environ 26 minutes).
Les trois paramètres d’évaluation des deux types de charbon sont répertoriés dans le tableau 3. Dans l’industrie du ciment, plus l’indice caractéristique de combustion (S) est élevé, meilleures sont les performances de combustion du charbon et meilleure est sa qualité. Cependant, les performances globales de combustion du charbon ne peuvent être déterminées à partir de cet indice seul. L’intensité de combustion (I) et l’intensité moyenne de dégagement de chaleur (Q) doivent également être prises en compte. Le charbon utilisé doit donc présenter une faible intensité de combustion (I), une forte intensité moyenne de dégagement de chaleur (Q) et un indice de combustion caractéristique (S) élevé pour être adapté à une utilisation dans l’industrie du ciment.
Compte tenu de ces éléments et en se référant au tableau 3, on constate que le charbon A présente de meilleures performances de combustion que le charbon B en raison de son intensité de combustion plus faible et de son indice de combustion caractéristique plus élevé.
Tableau 2 : Résultats des mesures TG et DSC des échantillons de charbon A et B.
| Paramètre | Unité | Charbon A | Charbon 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 % | min | 26,8 | 24,8 |
| T98 % | °C | 692 | 676 |
| V | %/min | 3,150 | 3,394 |
Ti: température d’allumage ; H : hauteur du pic exothermique ; W : demi-largeur du pic exothermique ; q : enthalpie de combustion ;Tonset: température d’apparition du pic exothermique ;Tend: température de fin du pic exothermique ;t98 %: durée de combustion ;T98 %: température de combustion ; V : vitesse de combustion moyenne ;Vmax: vitesse maximale de perte de masse
Tableau 3 : Paramètres de combustion calculés pour les échantillons de charbon A et B.
| Paramètre | Unité | Charbon A | Charbon B |
|---|---|---|---|
| Intensité de combustion I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensité moyenne de dégagement de chaleur Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Indice caractéristique de combustion S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Résumé
Les caractéristiques de combustion de différents échantillons de charbon peuvent être étudiées à l'aide de l'NETZSCH STA Jupiter®. Les paramètres fondamentaux des échantillons de charbon au cours du processus de combustion peuvent être déterminés à partir des résultats des mesures TG, DTG et DSC, par exemple la température d'inflammation, le dégagement de chaleur et la durée de combustion.
À partir de ces valeurs mesurées, il est en outre possible de calculer des indices globaux tels que l’intensité de combustion, l’intensité moyenne de dégagement de chaleur et l’indice caractéristique de combustion. Ces indices d’évaluation fournissent une description globale du comportement à la combustion du charbon et permettent une comparaison plus fiable entre différents échantillons de charbon, facilitant ainsi le choix du charbon le mieux adapté à une application particulière.