Introduzione
Il carbone è il principale combustibile utilizzato nella produzione di cemento in Cina e rappresenta uno degli indicatori chiave del consumo di combustibile grezzo in tale settore. La qualità del carbone influisce non solo sulla resa e sulla qualità della produzione di clinker da cemento, ma anche sui relativi costi, poiché un carbone di alta qualità con un potere calorifico più elevato consente di raggiungere temperature di processo più elevate o di ridurre il consumo di carbone a parità di temperatura di processo, abbassando così i costi del combustibile. Metodi di analisi avanzati e il rafforzamento della gestione della qualità del carbone sono elementi fondamentali per garantire la riduzione del consumo di carbone e il miglioramento della qualità dei prodotti cementizi.
Il comportamento di combustione del carbone nell’industria del cemento è complesso. I tradizionali metodi di valutazione analitica industriale [1] non sono più applicabili. Un esempio è il metodo del calorimetro AdiabaticoL'adiabatico descrive un sistema o una modalità di misurazione senza alcuno scambio di calore con l'ambiente circostante. Questa modalità può essere realizzata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo il metodo della calorimetria a velocità accelerata (ARC®). Lo scopo principale di tale dispositivo è quello di studiare scenari e reazioni di fuga termica. Una breve descrizione della modalità adiabatica è "nessun calore in entrata - nessun calore in uscita".adiabatico, in cui il carbone viene posto in un contenitore AdiabaticoL'adiabatico descrive un sistema o una modalità di misurazione senza alcuno scambio di calore con l'ambiente circostante. Questa modalità può essere realizzata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo il metodo della calorimetria a velocità accelerata (ARC®). Lo scopo principale di tale dispositivo è quello di studiare scenari e reazioni di fuga termica. Una breve descrizione della modalità adiabatica è "nessun calore in entrata - nessun calore in uscita".adiabatico e il suo contenuto termico viene calcolato misurando la variazione di temperatura all’interno del contenitore. Sebbene questo metodo utilizzi apparecchiature semplici, i risultati delle misurazioni sono relativamente imprecisi.
Nel presente lavoro, la caratterizzazione del carbone viene effettuata utilizzando un analizzatore termico simultaneo (STA) NETZSCH Jupiter® . Le curve termogravimetriche (TGA) e di calorimetria a scansione differenziale (DSC) sono state utilizzate per determinare i parametri chiave della combustione, tra cui le temperature di inizio e fine dell’esotermia (Tonset, Tend), la temperatura iniziale di perdita di massa (Ti), la velocità massima di perdita di massa (Vmax), il calore EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico totale (q) e la velocità media di combustione (v). Sulla base di questi parametri, sono stati calcolati tre indici di valutazione,
- intensità di combustione (I),
- l’intensità media di rilascio di calore (Q) e
- l’indice caratteristico di combustione (S)
. Tali indici forniscono una base quantitativa per valutare le prestazioni della combustione del carbone. Nell’industria del cemento, il carbone con un comportamento di combustione ottimale è caratterizzato da una bassa intensità di combustione (I), da un’elevata intensità media di rilascio di calore (Q) e da un elevato indice caratteristico di combustione (S), il che riflette un equilibrio favorevole tra comportamento di accensione, produzione di calore e reattività complessiva.
Metodo di misurazione
Per la serie sperimentale sono stati selezionati due campioni di carbone − carbone A e carbone B −. Ciascun campione aveva una massa di circa 10 mg. Il programma di temperatura applicato andava dalla temperatura ambiente (RT) a 1000 °C. Il riscaldamento è stato effettuato a una velocità costante di 10 K/min in atmosfera d’aria. La tabella 1 riporta tutti i parametri rilevanti delle curve TGA e DSC, insieme al simbolo, all’unità di misura e alla definizione corrispondenti.
Definizione dei parametri degli indici di valutazione
Utilizzando i parametri di base della curva di analisi termica, è possibile definire i seguenti tre parametri dell’indice di valutazione [2] (si veda la tabella 1 per le abbreviazioni).
a) Intensità di combustione (I)
L’intensità di combustione del carbone indica l’intensità del rilascio istantaneo di calore nel processo EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico. È definita come:
b) Intensità media di rilascio di calore (Q)
L’intensità esotermica media del carbone esprime la quantità di calore rilasciata per unità di massa di carbone per unità di temperatura durante il periodo compreso tra l’inizio e la fine dell’attività esotermica del carbone. È definita come segue:
c) Indice delle caratteristiche di combustione (S)
Le caratteristiche di combustione del carbone costituiscono un indice complessivo del carbone stesso, che comprende l’infiammabilità, il punto di accensione, l’intensità di combustione e il tempo di combustione del carbone. Da questi punti di vista, e alla luce della letteratura corrispondente [3-4], è possibile
Tabella 1: Parametri importanti delle curve TGA e DSC con simbolo, unità di misura e definizione.
| Parametro | Unità | Definizione | |
|---|---|---|---|
Termogravimetria (TGA) | |||
| Temperatura di inizio della perdita di massa | Ti | °C | La temperatura alla quale il carbone inizia a perdere peso (temperatura di accensione). |
| Tempo di combustione completa | t98% | min | Il tempo necessario per bruciare il 98% del combustibile. |
| Temperatura di combustione completa | T98% | °C | La temperatura corrispondente alla combustione del 98% del combustibile. |
| Velocità media di combustione | V | %/min | Percentuale di perdita di peso totale divisa per il tempo di combustione completa. |
Termogravimetria differenziale (DTG) | |||
| Tasso massimo di perdita di massa | Vmax | %/min | Il tasso massimo di perdita di massa. |
Flusso termico (DSC) | |||
| Temperatura di inizio del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico | Inizio | °C | Temperatura del carbone all’inizio dell’effetto EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico |
| Temperatura di fine del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico | Tend | °C | Temperatura alla fine dell’effetto EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico |
| Area del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico | q | J/g | Capacità esotermica del carbone |
| Altezza del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico | H | Altezza del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico rispetto alla linea di base del DSC | |
| Larghezza a metà picco del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico (larghezza) | W | min | Tempo corrispondente alla larghezza del picco pari alla metà dell’altezza del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico. |
Risultati e discussione
Le curve STA del carbone A e del carbone B sono riportate rispettivamente nelle figure 1 e 2. Come si può notare, entrambi i campioni presentano due fasi di perdita di massa. Il primo, fino a 150 °C, è dovuto al rilascio di umidità. Le corrispondenti perdite di massa per il carbone A e il carbone B sono rispettivamente dell’1,8% e dell’1,6%, il che indica tenori di umidità comparabili. Il secondo gradino di perdita di massa, sostanzialmente più marcato, corrisponde alla Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione termica e alla combustione dei campioni di carbone.
Dalle curve STA è possibile ricavare i parametri fondamentali delle caratteristiche termiche dei due tipi di carbone, riportati nella tabella 1.
Come si evince dalla tabella 1, le temperature di accensione dei due tipi di carbone, in ordine decrescente, sono le seguenti: carbone B > carbone A. La temperatura di accensione riflette il grado di difficoltà dell’accensione del carbone. Quanto più bassa è la temperatura di accensione, tanto più facile è l’accensione del carbone. La capacità esotermica dei due tipi di carbone, in ordine decrescente, è la seguente: carbone B > carbone A; maggiore è la capacità esotermica, migliore è la qualità del carbone. Il tempo di combustione completa dei due campioni di carbone, in ordine decrescente, è il seguente: carbone A > carbone B. In generale, quanto più lungo è il tempo di combustione completa, tanto peggiore è la resa di combustione.
I tre parametri degli indici di valutazione dei due tipi di carbone sono elencati nella tabella 2. Per l’industria del cemento, quanto maggiore è l’indice di caratteristica di combustione (S), tanto migliori sono le prestazioni di combustione del carbone e tanto migliore è la qualità del carbone. Tuttavia, le prestazioni complessive di combustione del carbone non possono essere determinate da questo unico indice. Occorre inoltre considerare l’entità dell’intensità di combustione (I) e l’intensità media di rilascio di calore (Q). Solo il carbone con una bassa intensità di combustione (I), un’elevata intensità media di rilascio di calore (Q) e un elevato indice caratteristico di combustione (S) presenta prestazioni complessive superiori.
Come si evince dalla tabella 3, il carbone B presenta un’intensità di combustione e un’intensità media di rilascio di calore superiori rispetto al carbone A. Tuttavia, il suo indice di combustibilità (5,35 × 10⁻⁹) è inferiore a quello del carbone A (5,46 × 10⁻⁹). In generale, il carbone A possiede prestazioni di combustione complessive superiori.
Tabella 2: Risultati delle analisi TGA e DSC condotte sui carboni A e B.
| Parametro | Unità | Carbone A | Carbone B |
|---|---|---|---|
| °C | 412 | 416 | |
| Ti | m/W/mg | 12,24 | 13,16 |
| H | v | 27,80 | 25,80 |
| W | J/g | 20509 | 20.520 |
| q | °C | 247 | 248 |
| Inizio | °C | 706 | 689 |
| t98% | min | 26,8 | 24,8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
Ti: Tempo di accensione; H: Altezza del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico; W: Larghezza a metà altezza del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico; q: Area del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico;Tonset: Temperatura di inizio del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico;Tend: Temperatura finale del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico;t98%: Tempo di combustione completa;T98%: Tempo di combustione completa; v: Velocità media di combustione;Vmax: Velocità massima di perdita di massa
Tabella 3: Tre parametri degli indici di valutazione dei carboni A e B.
| Parametro | Unità | Carbone A | Carbone B |
|---|---|---|---|
| Intensità di combustione, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensità media di rilascio di calore, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Indice caratteristico di combustione, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Conclusione
Le caratteristiche di combustione dei campioni di carbone possono essere studiate mediante il sistema di analisi termica ( NETZSCH, STA) Jupiter®. Dai grafici TGA, DTG e DSC è possibile ricavare i parametri fondamentali dei campioni di carbone durante il processo di riscaldamento, quali la temperatura di accensione, il rilascio di calore e il tempo di combustione completa.
Sulla base dei parametri termici ricavati, è possibile calcolare ulteriori indici completi, ovvero l’intensità di combustione, l’intensità media di rilascio di calore e l’indice delle caratteristiche di combustione. Questi indicatori di valutazione forniscono una descrizione integrata del comportamento di combustione del carbone e consentono un confronto più affidabile tra diversi campioni di carbone, favorendo così la selezione del carbone più idoneo per una determinata applicazione.
Introduzione
Il carbone è il combustibile principale utilizzato nella produzione di cemento in Cina e rappresenta uno degli indicatori più significativi del consumo di materie prime e combustibili in tale settore. La qualità del carbone influisce non solo sulla resa e sulla qualità della produzione di clinker da cemento, ma anche sui relativi costi, poiché un carbone di alta qualità con un potere calorifico più elevato consente di raggiungere temperature di processo più elevate oppure, a parità di temperatura di processo, riduce il fabbisogno di carbone, consentendo così un risparmio sui costi del combustibile. I moderni metodi di analisi e il miglioramento della qualità del carbone sono fattori importanti per garantire una riduzione del consumo di carbone e un miglioramento della qualità dei prodotti cementizi.
Il comportamento di combustione del carbone nell’industria del cemento è complesso. I metodi convenzionali di valutazione analitica industriale [1] non sono più applicabili. Un esempio è la calorimetria adiabatica, in cui il carbone viene collocato in un recipiente AdiabaticoL'adiabatico descrive un sistema o una modalità di misurazione senza alcuno scambio di calore con l'ambiente circostante. Questa modalità può essere realizzata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo il metodo della calorimetria a velocità accelerata (ARC®). Lo scopo principale di tale dispositivo è quello di studiare scenari e reazioni di fuga termica. Una breve descrizione della modalità adiabatica è "nessun calore in entrata - nessun calore in uscita".adiabatico e il contenuto termico del carbone viene calcolato misurando la variazione di temperatura all’interno del recipiente. Sebbene questo metodo richieda solo attrezzature semplici, i risultati delle misurazioni sono relativamente imprecisi.
Nel presente lavoro, la caratterizzazione dei materiali di due tipi di carbone viene effettuata mediante analisi termica simultanea utilizzando uno strumento STA NETZSCH Jupiter®. Sulla base dei risultati della termogravimetria (TG) e della calorimetria differenziale (DSC), sono stati determinati importanti parametri di combustione, tra cui le temperature di inizio e di fine (Tonset,Tend) dell’esotermia, la temperatura di perdita di massa iniziale (Ti), la velocità massima di perdita di massa (Vmax), il calore EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico totale (q) e la velocità media di combustione (v).
Sulla base di tali parametri, sono stati calcolati gli indici di valutazione
- intensità di combustione (I),
- l’intensità media di rilascio di calore (Q) e
- l’indice caratteristico di combustione (S)
sono stati calcolati. Tali indici forniscono una base quantitativa per la valutazione delle prestazioni di combustione del carbone. I requisiti per l’impiego del carbone nell’industria del cemento prevedono un comportamento di combustione ottimale caratterizzato da bassa intensità di combustione, elevata intensità media di rilascio di calore e un elevato indice caratteristico di combustione. Ciò riflette un equilibrio favorevole tra comportamento di accensione, rilascio di calore e reattività complessiva.
Metodo e parametri di misurazione
Due diversi campioni di carbone (carbone A e B, massa di circa 10 mg) sono stati riscaldati da temperatura ambiente a 1000 °C con una velocità di riscaldamento di 10 K/min in aria. La tabella 1 riporta tutti i parametri rilevanti delle curve TG e DSC, insieme ai relativi simboli, unità di misura e definizioni.
Indici di combustione:
I singoli valori misurati vengono successivamente utilizzati per determinare l’intensità di combustione, l’intensità media di rilascio di calore e l’indice caratteristico di combustione [2] (si veda la tabella 1 per le abbreviazioni).
a) Intensità di combustione (I)
L’intensità di combustione del carbone indica l’intensità del rilascio istantaneo di calore in questo EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.processo esotermico ed è definita come:
b) Intensità media di rilascio di calore (Q)
L’intensità esotermica media del carbone indica la quantità di calore rilasciata per unità di massa di carbone e per unità di temperatura durante il periodo che va dall’inizio alla fine dell’attività esotermica del carbone ed è definita come segue:
c) Indice delle caratteristiche di combustione (S)
Le caratteristiche di combustione del carbone costituiscono indicatori globali della sua qualità, tra cui l’infiammabilità, il punto di accensione, l’intensità di combustione e la durata della combustione. Sulla base di tali aspetti e tenendo conto della letteratura pertinente
Tabella 1: Parametri rilevanti delle curve TG e DSC con simbolo, unità di misura e definizione.
| Parametro | Simbolo | Unità | Definizione |
|---|---|---|---|
| Termogravimetria (TG) | |||
| Temperatura di inizio della perdita di massa | Ti | °C | La temperatura alla quale il campione inizia a perdere massa (temperatura di accensione). |
| Tempo di combustione | t98% | min | Tempo necessario per bruciare il 98% del combustibile. |
| Temperatura di combustione | T98% | °C | Temperatura alla quale è stato bruciato il 98% del combustibile. |
| Velocità media di combustione | V | %/min | Perdita di massa totale divisa per il tempo di combustione. |
| Termogravimetria differenziale (DTG) | |||
| Velocità massima di perdita di massa | Vmax | %/min | Il tasso massimo di perdita di massa. |
| Calorimetria a scansione differenziale (DSC) | |||
| Temperatura di inizio del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico | Tonset | °C | Temperatura all’inizio dell’effetto EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico. |
| Temperatura di fine del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico | Tend | °C | Temperatura alla fine dell’effetto EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico. |
| Area del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico | q | J/g | Entalpia di combustione del campione. |
| Altezza del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico | H | mW/mg | Altezza del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico rispetto alla linea di base del DSC. |
| Larghezza a metà altezza del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico | W | min | Tempo corrispondente alla larghezza a metà altezza dell'esotermia. |
Risultati e discussione
Le curve TG e DSC del carbone A e del carbone B sono illustrate nelle figure 1 e 2. Entrambi i campioni presentano due fasi di perdita di massa. Il primo, fino a circa 150 °C, può presumibilmente essere attribuito al rilascio di umidità. A questo proposito, i carboni A e B presentano qui tenori di umidità simili (rispettivamente 1,8% e 1,6%). La seconda fase di perdita di massa, notevolmente più marcata, corrisponde alla Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione termica e alla combustione dei campioni di carbone.
Le curve forniscono i parametri fondamentali relativi alle proprietà termiche dei due tipi di carbone. La tabella 2 riporta i risultati relativi ai singoli campioni.
Le temperature di accensione del campione di carbone A (412 °C) e del campione di carbone B (416 °C) presentano valori simili, con la temperatura del campione di carbone B leggermente superiore. Maggiore è la temperatura di accensione, maggiore è la difficoltà di accensione del carbone. Anche l’entalpia di combustione del carbone B è superiore a quella del carbone A. Maggiore è l’entalpia di combustione, migliore è la qualità del carbone. Un altro parametro importante nell’utilizzo del carbone è il tempo di combustione: maggiore è la durata, peggiore è la resa di combustione. Un confronto tra i due campioni mostra che il campione di carbone A, con quasi 28 minuti, registra un tempo leggermente superiore rispetto al campione di carbone B (circa 26 minuti).
I tre parametri di valutazione per i due tipi di carbone sono elencati nella tabella 3. Per l’industria del cemento, quanto più elevato è l’indice delle caratteristiche di combustione (S), tanto migliori sono le prestazioni di combustione del carbone e tanto migliore è la sua qualità. Tuttavia, le prestazioni complessive di combustione del carbone non possono essere determinate solo sulla base di questo indice. Occorre infatti considerare anche l’intensità di combustione (I) e l’intensità media di rilascio di calore (Q). Il carbone utilizzato dovrebbe quindi presentare una bassa intensità di combustione (I), un’elevata intensità media di rilascio di calore (Q) e un elevato indice caratteristico di combustione (S) per essere idoneo all’impiego nell’industria del cemento.
Alla luce di questa considerazione e con riferimento alla tabella 3, si può osservare che il carbone A presenta prestazioni di combustione migliori rispetto al carbone B, grazie alla sua minore intensità di combustione e al suo indice di combustione più elevato.
Tabella 2: Risultati delle analisi TG e DSC sui campioni di carbone A e B.
| Parametro | Unità | Carbone A | Carbone 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: temperatura di accensione; H: altezza del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico; W: semilarghezza del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico; q: entalpia di combustione;Tonset: temperatura di inizio del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico;Tend: temperatura finale del picco EsotermicoUna transizione di campioni o una reazione è esotermica se viene generato calore. esotermico;t98%: tempo di combustione;T98%: temperatura di combustione; V: velocità media di combustione;Vmax: velocità massima di perdita di massa
Tabella 3: Parametri di combustione calcolati per i campioni di carbone A e B.
| Parametro | Unità | Carbone A | Carbone B |
|---|---|---|---|
| Intensità di combustione I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensità media di rilascio di calore Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Indice caratteristico di combustione S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Sintesi
Le caratteristiche di combustione di diversi campioni di carbone possono essere analizzate utilizzando l’ NETZSCH e STA Jupiter®. Dai risultati delle misurazioni TG, DTG e DSC è possibile determinare i parametri fondamentali dei campioni di carbone durante il processo di combustione, quali ad esempio la temperatura di accensione, il rilascio di calore e il tempo di combustione.
Sulla base di questi valori misurati, è inoltre possibile calcolare indici completi quali l’intensità di combustione, l’intensità media di rilascio di calore e l’indice caratteristico di combustione. Questi indici di valutazione forniscono una descrizione integrata del comportamento di combustione del carbone e consentono un confronto più affidabile tra diversi campioni di carbone, facilitando la selezione del carbone più adatto a una particolare applicazione.