Bevezetés
A szén a kínai cementgyártásban használt fő tüzelőanyag, és a cementgyártás során felhasznált nyers tüzelőanyag-fogyasztás egyik legfontosabb mutatója. A szén minősége nemcsak a cementklinker-előállítás hozamát és minőségét befolyásolja, hanem annak költségeit is, mivel a magasabb fűtőértékű, kiváló minőségű szén magasabb feldolgozási hőmérsékletet tesz lehetővé, vagy azonos feldolgozási hőmérséklet mellett csökkenti a szénfogyasztást, ezáltal csökkentve az üzemanyagköltségeket. A fejlett vizsgálati módszerek és a szénminőség-irányítás megerősítése fontos szerepet játszanak a szénfogyasztás csökkentésének és a cementtermékek minőségének javításának biztosításában.
A szén égési viselkedése a cementiparban összetett. A hagyományos ipari analitikai értékelési módszerek [1] már nem alkalmazhatók. Egy példa erre az AdiabatikusAz adiabatikus olyan rendszert vagy mérési módot ír le, amelyben nincs hőcsere a környezettel. Ez az üzemmód a gyorsuló sebességű kalorimetria módszerének (ARC®) megfelelő kalorimetriás készülékkel valósítható meg. Egy ilyen készülék fő célja a forgatókönyvek és a termikus elszabaduló reakciók tanulmányozása. Az adiabatikus üzemmód rövid leírása a következő: "nincs hő befelé - nincs hő kifelé".adiabatikus kaloriméteres módszer, amelynek során a szént egy AdiabatikusAz adiabatikus olyan rendszert vagy mérési módot ír le, amelyben nincs hőcsere a környezettel. Ez az üzemmód a gyorsuló sebességű kalorimetria módszerének (ARC®) megfelelő kalorimetriás készülékkel valósítható meg. Egy ilyen készülék fő célja a forgatókönyvek és a termikus elszabaduló reakciók tanulmányozása. Az adiabatikus üzemmód rövid leírása a következő: "nincs hő befelé - nincs hő kifelé".adiabatikus tartályba helyezik, és a tartály belsejében bekövetkező hőmérséklet-változás mérésével számítják ki a hőtartalmát. Bár ez a módszer egyszerű berendezést igényel, a mérési eredmények viszonylag pontatlanok.
Ebben a munkában a szén anyagjellemzését egy NETZSCH STA Jupiter® egyidejű hőelemző készülékkel végeztük. Termogravimetriás (TGA) és differenciális pásztázó kalorimetriai (DSC) görbéket használtunk a legfontosabb égési paraméterek meghatározásához, ideértve az exoterm folyamat kezdeti és végső hőmérsékletét (Tonset, Tend), a kezdeti tömegveszteség hőmérsékletét (Ti), a maximális tömegveszteség-sebességet (Vmax), a teljes exoterm hőmennyiséget (q) és az átlagos égési sebességet (v). Ezen paraméterek alapján három értékelési mutatót határoztak meg:
- az égési intenzitás (I),
- az átlagos hőleadási intenzitás (Q) és
- az égési jellemző indexet (S)
számítottuk ki. Ezek a mutatók kvantitatív alapot nyújtanak a szénégetés teljesítményének értékeléséhez. A cementiparban az optimális égési viselkedésű szenet alacsony égési intenzitás (I), magas átlagos hőleadási intenzitás (Q) és magas égési jellemző index (S) jellemzi, ami a gyulladási viselkedés, a hőtermelés és az általános reaktivitás közötti kedvező egyensúlyt tükrözi.
Mérési módszer
A kísérleti sorozathoz két szénmintát – az A és a B szént – választottunk ki. Mindkét minta tömege körülbelül 10 mg volt. Az alkalmazott hőmérsékletprogram a környezeti hőmérséklettől (RT) 1000 °C-ig terjedt. A felmelegítést állandó, 10 K/perc sebességgel végeztük levegő atmoszférában. Az 1. táblázat a TGA- és DSC-görbék összes fontos paraméterét tartalmazza a hozzájuk tartozó szimbólummal, mértékegységgel és meghatározással együtt.
Az értékelési mutatók paramétereinek meghatározása
A termikus elemzési görbe alapvető paramétereinek felhasználásával a következő három értékelési indexparaméter határozható meg [2] (a rövidítéseket lásd az 1. táblázatban).
a) Égési intenzitás (I)
A szén égési intenzitása az exoterm folyamat során fellépő pillanatnyi hőleadás intenzitását jelzi. Meghatározása a következő:
b) Átlagos hőleadási intenzitás (Q)
A szén átlagos exoterm intenzitása azt fejezi ki, hogy a szén exoterm aktivitásának kezdetétől a végéig tartó időszakban a szén tömegegységenként és hőmérsékleti egységenként mennyi hő szabadul fel. Meghatározása a következő:
c) Égési jellemzői index (S)
A szén égési jellemzői a szén átfogó mutatói, amelyek magukban foglalják a szén gyúlékonyságát, gyulladási pontját, égési intenzitását és égési idejét. Ezen szempontok alapján, valamint a vonatkozó szakirodalom [3-4] figyelembevételével megállapítható, hogy
1. táblázat: A TGA- és DSC-görbék fontos paraméterei jelöléssel, mértékegységgel és meghatározással.
| Paraméter | Mértékegység | Meghatározás | |
|---|---|---|---|
Termogravimetria (TGA) | |||
| A tömegvesztés kezdeti hőmérséklete | Ti | °C | Az a hőmérséklet, amelyen a szén tömegvesztesége megkezdődik (gyulladási hőmérséklet). |
| Kialvási idő | t98% | min | Az a idő, amely alatt a tüzelőanyag 98%-a elég. |
| Kialvási hőmérséklet | T98% | °C | Az a hőmérséklet, amelynél az üzemanyag 98%-a elég. |
| Átlagos égési sebesség | V | %/min | A teljes tömegveszteség százalékos aránya osztva az égési idővel. |
Differenciális termogravimetria (DTG) | |||
| Maximális tömegveszteség-sebesség | Vmax | %/perc | A maximális tömegveszteség-sebesség. |
Hőáram (DSC) | |||
| Az exoterm csúcs kezdeti hőmérséklete | Tonset | °C | A szén hőmérséklete az exoterm hatás kezdetén |
| Az exoterm csúcs véghőmérséklete | Tend | °C | A exoterm hatás végének hőmérséklete |
| Az exoterm csúcs területe | q | J/g | A szén exoterm kapacitása |
| Az exoterm csúcs magassága | H | Az exoterm csúcs magassága a DSC alapvonalhoz viszonyítva | |
| Az exoterm csúcs félszélessége (szélesség) | W | min | Az exoterm csúcs magasságának felét kitevő csúcsszélességnek megfelelő idő. |
Eredmények és megbeszélés
Az A és a B szén STA-görbéit az 1. illetve a 2. ábra mutatja be. Amint látható, mindkét minta két tömegveszteségi szakaszot mutat. Az első 150 °C-ig tart, és a nedvesség felszabadulásának tudható be. Az A és a B szén esetében a tömegveszteség mértéke rendre 1,8% és 1,6%, ami hasonló nedvességtartalmat jelez. A második, lényegesen nagyobb tömegveszteségi szakasz a szénminták termikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásának és égésének felel meg.
Az STA-görbékből meghatározhatók a két szénfajta hőtechnikai jellemzőinek alapvető paraméterei, amelyeket az 1. táblázat tartalmaz.
Amint az 1. táblázatból látható, a két szénfajta gyulladási hőmérséklete csökkenő sorrendben a következő: B szén > A szén. A gyulladási hőmérséklet tükrözi a szén meggyulladásának nehézségi fokát. Minél alacsonyabb a gyulladási hőmérséklet, annál könnyebben gyullad meg a szén. A két szén exoterm kapacitása csökkenő sorrendben a következő: B szén > A szén; minél nagyobb az exoterm kapacitás, annál jobb a szén minősége. A két szénminta kiégési ideje csökkenő sorrendben a következő: A szén > B szén. Általánosságban elmondható, hogy minél hosszabb a kiégési idő, annál rosszabb a kiégési teljesítmény.
A két szénfajta három értékelési mutatója a 2. táblázatban található. A cementiparban minél nagyobb az égési jellemző index (S), annál jobb a szén égési teljesítménye és annál jobb a szén minősége. A szén átfogó égési teljesítményét azonban nem lehet ezen egyetlen mutató alapján meghatározni. Figyelembe kell vennünk az égési intenzitás (I) és az átlagos hőleadási intenzitás (Q) nagyságát is. Csak az alacsony égési intenzitású (I), magas átlagos hőleadási intenzitású (Q) és magas égési jellemző indexű (S) szén rendelkezik kiváló átfogó teljesítménnyel.
Amint az a 3. táblázatból látható, a B szén égési intenzitása és átlagos hőleadási intenzitása magasabb, mint az A széné. Égési jellemzői mutatója (5,35 × 10⁻⁹) azonban alacsonyabb, mint az A széné (5,46 × 10⁻⁹). Általánosságban elmondható, hogy az A szén rendelkezik kiváló átfogó égési teljesítménnyel.
2. táblázat: Az A és B szén TGA- és DSC-méréseinek eredményei.
| Paraméter | Mértékegység | A szén | B szén |
|---|---|---|---|
| °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: Gyulladási idő; H: Az exoterm csúcs magassága; W: Az exoterm csúcs félcsúcs-szélessége; q: Az exoterm csúcs területe;Tonset: Az exoterm csúcs kezdeti hőmérséklete;Tend: Az exoterm csúcs véghőmérséklete;t98%: Kiégési idő;T98%: Kiégési idő; v: Átlagos égési sebesség;Vmax: Maximális tömegveszteségi sebesség
3. táblázat: Az A és B szén három értékelési mutatója.
| Paraméter | Mértékegység | A szén | B szén |
|---|---|---|---|
| Égési intenzitás, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Átlagos hőleadási intenzitás, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Égési jellemző index, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Következtetés
A szénminták égési jellemzői a NETZSCH STA Jupiter® segítségével vizsgálhatók. A szénminták fűtési folyamat során megfigyelhető alapvető paraméterei – például a gyulladási hőmérséklet, a hőleadás és az elégési idő – a TGA-, DTG- és DSC-görbékből határozhatók meg.
A levezetett termikus paraméterek alapján további átfogó mutatók – azaz az égési intenzitás, az átlagos hőleadási intenzitás és az égési jellemző index – számíthatók ki. Ezek az értékelési mutatók átfogó képet adnak a szén égési viselkedéséről, és megbízhatóbb összehasonlítást tesznek lehetővé a különböző szénminták között, ezáltal segítve a adott alkalmazáshoz legmegfelelőbb szén kiválasztását.
Bevezetés
Kínában a szén a cementgyártás fő tüzelőanyaga, és a cementgyártás nyersanyag-fogyasztásának egyik legfontosabb mutatója. A szén minősége nemcsak a cementklinker-előállítás hozamát és minőségét befolyásolja, hanem annak költségeit is, mivel a magasabb fűtőértékű, kiváló minőségű szén magasabb feldolgozási hőmérsékletet tesz lehetővé, vagy állandó feldolgozási hőmérséklet mellett csökkenti a szénigényt, ezáltal megtakarítást eredményezve az üzemanyagköltségek terén. A modern vizsgálati módszerek és a szénminőség javítása fontos tényezők a szénfogyasztás csökkentésének és a cementtermékek minőségének javításának biztosításában.
A szén égési viselkedése a cementiparban összetett. A hagyományos ipari analitikai értékelési módszerek [1] már nem alkalmazhatók. Egy példa erre az AdiabatikusAz adiabatikus olyan rendszert vagy mérési módot ír le, amelyben nincs hőcsere a környezettel. Ez az üzemmód a gyorsuló sebességű kalorimetria módszerének (ARC®) megfelelő kalorimetriás készülékkel valósítható meg. Egy ilyen készülék fő célja a forgatókönyvek és a termikus elszabaduló reakciók tanulmányozása. Az adiabatikus üzemmód rövid leírása a következő: "nincs hő befelé - nincs hő kifelé".adiabatikus kalorimetria, amelynek során a szenet egy AdiabatikusAz adiabatikus olyan rendszert vagy mérési módot ír le, amelyben nincs hőcsere a környezettel. Ez az üzemmód a gyorsuló sebességű kalorimetria módszerének (ARC®) megfelelő kalorimetriás készülékkel valósítható meg. Egy ilyen készülék fő célja a forgatókönyvek és a termikus elszabaduló reakciók tanulmányozása. Az adiabatikus üzemmód rövid leírása a következő: "nincs hő befelé - nincs hő kifelé".adiabatikus edénybe helyezik, és a szén hőtartalmát az edény belsejében bekövetkező hőmérséklet-változás mérésével számítják ki. Bár ez a módszer csak egyszerű berendezést igényel, a mérési eredmények viszonylag pontatlanok.
Ebben a munkában két széntípus anyagjellemzését végeztük el egyidejű termikus elemzéssel, egy NETZSCH STA Jupiter® műszer segítségével. A termogravimetriás (TG) és a differenciálkalorimetriai (DSC) eredmények alapján meghatároztuk a fontos égési paramétereket, beleértve az exoterm folyamat kezdeti és végső hőmérsékletét (Tonset,Tend), a kezdeti tömegvesztés hőmérsékletét (Ti), a maximális tömegvesztési sebességet (Vmax), a teljes exoterm hőmennyiséget (q) és az átlagos égési sebességet (v).
Ezen paraméterek alapján meghatározták az értékelési mutatókat:
- égési intenzitás (I),
- átlagos hőleadási intenzitás (Q), valamint
- az égési jellemző index (S)
. Ezek a mutatók mennyiségi alapot nyújtanak a szén égési teljesítményének értékeléséhez. A cementiparban a szén felhasználására vonatkozó követelmények az optimális égési viselkedés, amely alacsony égési intenzitásban, magas átlagos hőleadási intenzitásban és magas égési jellemző indexben nyilvánul meg. Ez tükrözi a gyulladási viselkedés, a hőleadás és az általános reaktivitás közötti kedvező egyensúlyt.
Módszer és mérési paraméterek
Két különböző szénmintát (A és B szén, tömegük körülbelül 10 mg) szobahőmérsékletről 1000 °C-ra melegítettünk levegőben, 10 K/perc fűtési sebességgel. Az 1. táblázat a TG- és DSC-görbék összes fontos paraméterét tartalmazza, a jelöléseikkel, mértékegységeikkel és meghatározásaikkal együtt.
Égési indexek:
Az egyes mért értékeket ezt követően felhasználjuk az égési intenzitás, az átlagos hőleadási intenzitás és az égési jellemző index [2] meghatározásához (a rövidítéseket lásd az 1. táblázatban).
a) Égési intenzitás (I)
A szén égési intenzitása jelzi az exoterm folyamat során bekövetkező pillanatnyi hőleadás intenzitását, és a következőképpen definiálható:
b) Átlagos hőleadási intenzitás (Q)
A szén átlagos exoterm intenzitása a szén exoterm aktivitásának kezdetétől a végéig tartó időszak alatt a szén tömegegységenként és hőmérsékleti egységenként felszabaduló hőmennyiséget jelzi, és a következőképpen definiálható:
c) Égési jellemzői index (S)
A szén égési jellemzői – ideértve a gyúlékonyságot, a gyulladási pontot, az égési intenzitást és az égési időtartamot – átfogó mutatói a szén minőségének. Ezen szempontok alapján, valamint a vonatkozó szakirodalom figyelembevételével
1. táblázat: A TG- és DSC-görbék fontos paraméterei jelöléssel, mértékegységgel és meghatározással.
| Paraméter | Jel | Mértékegység | Meghatározás |
|---|---|---|---|
| Termogravimetria (TG) | |||
| A tömegvesztés kezdeti hőmérséklete | Ti | °C | Az a hőmérséklet, amelyen a minta tömegveszteséget kezd mutatni (gyulladási hőmérséklet). |
| Égési idő | t98% | min | Az üzemanyag 98%-ának elégetéséhez szükséges idő. |
| Égési hőmérséklet | T98% | °C | Az a hőmérséklet, amelyen a tüzelőanyag 98%-a elégett. |
| Átlagos égési sebesség | V | %/min | A teljes tömegveszteség osztva az égési idővel. |
| Differenciális termogravimetria (DTG) | |||
| Maximális tömegveszteség-sebesség | Vmax | %/min | A maximális tömegveszteség-sebesség. |
| Differenciális pásztázó kalorimetria (DSC) | |||
| Az exoterm csúcs kezdeti hőmérséklete | Tonset | °C | Az exoterm hatás kezdetének hőmérséklete. |
| Az exoterm csúcs véghőmérséklete | Tend | °C | Az exoterm hatás végének hőmérséklete. |
| Az exoterm csúcs területe | q | J/g | A minta égési entalpiája. |
| Az exoterm csúcs magassága | H | mW/mg | Az exoterm csúcs magassága a DSC alapvonalhoz viszonyítva. |
| Az exoterm csúcs félszélessége | W | min | Az exoterm csúcs félszélességének megfelelő idő. |
Eredmények és megbeszélés
Az A és a B szén TG- és DSC-görbéit az 1. és 2. ábra mutatja be. Mindkét minta két tömegveszteségi szakaszt mutat. Az első, körülbelül 150 °C-ig tartó szakasz feltehetően a nedvesség felszabadulásának tulajdonítható. Összehasonlításképpen: az A és a B szénminta nedvességtartalma itt hasonló (1,8%, illetve 1,6%). A második, lényegesen nagyobb tömegvesztés-szakasz a szénminták termikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásának és égésének felel meg.
A görbék a két széntípus hőtechnikai tulajdonságainak alapvető paramétereit mutatják. A 2. táblázat az egyes mintákra vonatkozó eredményeket tartalmazza.
Az A szénminta (412 °C) és a B szénminta (416 °C) gyulladási hőmérsékletei hasonló értékeket mutatnak, a B szénminta hőmérséklete azonban kissé magasabb. Minél magasabb a gyulladási hőmérséklet, annál nehezebb a szén meggyújtása. A B szén égési entalpiája szintén magasabb, mint az A széné. Minél magasabb az égési entalpia, annál jobb a szén minősége. A szén felhasználásakor egy másik fontos paraméter az égési idő: minél hosszabb az időtartam, annál gyengébb az égési teljesítmény. A két minta összehasonlítása azt mutatja, hogy az A szénminta – közel 28 perces égési idejével – kissé meghaladja a B szénminta égési idejét (kb. 26 perc).
A két széntípusra vonatkozó három értékelési paramétert a 3. táblázat tartalmazza. A cementiparban minél magasabb az égési jellemző index (S), annál jobb a szén égési teljesítménye és annál jobb a minősége. A szén általános égési teljesítményét azonban nem lehet kizárólag ebből az indexből meghatározni. Figyelembe kell venni az égési intenzitást (I) és az átlagos hőleadási intenzitást (Q) is. A cementiparban való felhasználásra alkalmas szénnek ezért alacsony égési intenzitással (I), magas átlagos hőleadási intenzitással (Q) és magas égési jellemző indexszel (S) kell rendelkeznie.
Ezt figyelembe véve, valamint a 3. táblázatra hivatkozva látható, hogy az A szén alacsonyabb égési intenzitása és magasabb égési jellemző indexe miatt jobb égési teljesítményt nyújt, mint a B szén.
2. táblázat: Az A és B szénminták TG- és DSC-méréseinek eredményei.
| Paraméter | Mértékegység | A szén | B szén |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | mW/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 | %/perc | 3,150 | 3,394 |
Ti: gyulladási hőmérséklet; H: az exoterm csúcs magassága; W: az exoterm csúcs félszélessége; q: égési entalpia;Tonset: az exoterm csúcs kezdeti hőmérséklete;Tend: az exoterm csúcs véghőmérséklete;t98%: égési idő;T98%: égési hőmérséklet; V: átlagos égési sebesség;Vmax: maximális tömegveszteségi sebesség
3. táblázat: Az A és B szénminták számított égési paraméterei.
| Paraméter | Mértékegység | A szén | B szén |
|---|---|---|---|
| Égési intenzitás I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Átlagos hőleadási intenzitás Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Égési jellemző index S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Összefoglalás
A különböző szénminták égési jellemzői az NETZSCH STA Jupiter® segítségével vizsgálhatók. A szénminták égési folyamatának alapvető paraméterei – például a gyulladási hőmérséklet, a hőleadás és az égési idő – a TG-, DTG- és DSC-mérések eredményeiből határozhatók meg.
Ezen mérési értékek alapján kiegészítően kiszámíthatók olyan átfogó mutatók is, mint az égési intenzitás, az átlagos hőleadási intenzitás és az égési jellemző index. Ezek az értékelési mutatók átfogó képet adnak a szén égési viselkedéséről, és megbízhatóbb összehasonlítást tesznek lehetővé a különböző szénminták között, elősegítve ezzel az adott alkalmazáshoz leginkább megfelelő szén kiválasztását.