はじめに
中国におけるセメント生産では、石炭が主要な燃料として使用されており、セメント生産における原料燃料の消費量の重要な指標の一つとなっています。 石炭の品質は、セメントクリンカーの生産量や品質に影響を与えるだけでなく、そのコストにも影響を及ぼします。これは、発熱量の高い高品質な石炭を使用することで、プロセス温度を高く設定できるほか、同じプロセス温度でも石炭消費量を削減できるため、燃料コストの低減につながるからです。 高度な試験手段の導入と石炭の品質管理の強化は、石炭消費量の削減とセメント製品の品質向上を確保するための重要な要素です。
セメント産業における石炭の燃焼挙動は複雑です。 従来の工業用分析評価法 [1] は、もはや適用できません。その一例が断熱熱量計法であり、石炭を断熱容器に入れ、容器内の温度変化を測定することでその発熱量を算出します。この方法は単純な装置を使用しますが、測定結果は比較的精度が低くなります。
本研究では、NETZSCH 社製のSTA Jupiter® 同時熱分析装置を用いて、石炭の材料特性評価を行いました。 熱重量分析（TGA）および示差走査熱量測定（DSC）曲線を用いて、発熱（発熱性）反応の開始温度および終了温度（Tonset、Tend）、初期質量減少温度（Ti）、最大質量減少率（Vmax）、 総発熱量（q）、および平均燃焼速度（v）を決定しました。これらのパラメータに基づき、3つの評価指標、
- 燃焼強度（I）、
- 平均発熱強度（Q）、および
- 燃焼特性指数（S）
が算出されました。これらの指標は、石炭燃焼の性能を評価するための定量的根拠となります。 セメント産業において、最適な燃焼挙動を示す石炭は、低い燃焼強度（I）、高い平均発熱強度（Q）、および高い燃焼特性指数（S）を特徴としており、これらは着火挙動、発熱量、および全体的な反応性の間の良好なバランスを反映しています。
測定方法
一連の実験では、2つの石炭試料（石炭Aおよび石炭B）が選定されました。各試料の質量は約10 mgでした。適用された温度プログラムは、室温（RT）から1000°Cまででした。加熱は、空気雰囲気下で10 K/minの一定速度で行われました。 表1には、TGAおよびDSC曲線の重要なパラメータすべてと、それに対応する記号、単位、定義が示されています。
評価指標パラメータの策定
熱分析曲線の基本パラメータを用いて、以下の3つの評価指標パラメータを定義することができます[2]（略語については表1を参照してください）。
a) 燃焼強度（I）
石炭の燃焼強度は、発熱（発熱性）過程における瞬間的な放熱の強度を示します。これは次のように定義されます：
b) 平均発熱強度（Q）
石炭の平均発熱（発熱性）強度は、石炭の発熱活動の開始から終了までの期間において、石炭の単位質量あたり、単位温度あたりに放出される熱量を表します。その定義は次のとおりです：
c) 燃焼特性指数（S）
石炭の燃焼特性とは、石炭の可燃性、着火点、燃焼強度、燃焼時間などを含む、石炭の総合的な指標です。これらの観点から、関連する文献[3-4]と併せて考察すると、次のように言えます。
表1：TGAおよびDSC曲線の重要なパラメータ（記号、単位、定義付き）。
| パラメータ | 単位 | 定義 | |
|---|---|---|---|
熱重量分析（TGA） | |||
| 質量減少の開始温度 | Ti | °C | 石炭が重量を失い始める温度（着火温度）。 |
| 燃焼完了時間 | t98% | 分 | 燃料の98%が燃焼するのに必要な時間です。 |
| 燃焼完了温度 | T98% | °C | 燃料の98％が燃焼した時点に対応する温度です。 |
| 平均燃焼速度 | V | %/分 | 総減量率を燃焼完了時間で見積もった値です。 |
示差熱重量分析法（DTG） | |||
| 最大質量減少率 | Vmax | %/分 | 最大質量減少率。 |
熱流（DSC） | |||
| 発熱ピークの開始温度 | Tonset | °C | 発熱（発熱性）現象が始まる時点での石炭の温度 |
| 発熱（発熱性）ピークの終了温度 | Tend | °C | 発熱（発熱性）作用の終了時の温度 |
| 発熱ピークの面積 | q | J/g | 石炭の発熱容量 |
| 発熱ピークの高さ | H | DSCベースラインに対する発熱（発熱性）ピークの高さ | |
| 発熱ピークの半値幅（幅） | W | 分 | 発熱ピークの高さの半分に相当するピーク幅に対応する時間。 |
結果と考察
石炭Aおよび石炭BのSTA曲線は、それぞれ図1および図2に示されています。ご覧のとおり、両試料とも2段階の質量減少が見られます。 最初の段階は150°Cまでで、これは水分放出によるものです。石炭Aと石炭Bの対応する質量減少率は、それぞれ1.8％と1.6％であり、これらは両者の水分含有量が同程度であることを示しています。2番目の、はるかに大きな質量減少段階は、石炭試料の熱分解および燃焼に起因するものです。
STA曲線から、2種類の石炭の熱特性に関する基本パラメータを導き出すことができ、それらは表1に示されています。
表1からわかるように、2種類の石炭の発火温度は高い順に、石炭B > 石炭Aとなっています。発火温度は、石炭の発火の難しさの程度を表しています。発火温度が低いほど、石炭は発火しやすくなります。 2種類の石炭の発熱（発熱性）は、高い順に「石炭B > 石炭A」となります。発熱（発熱性）が高いほど、石炭の品質は良好です。 2種類の石炭試料の燃焼時間は、高い順に次のようになります：石炭A > 石炭B。一般的に、燃焼時間が長いほど、燃焼性能は劣ります。
2種類の石炭に関する3つの評価指標パラメータを表2に示します。セメント業界において、燃焼特性指数（S）が大きいほど、石炭の燃焼性能が高く、石炭の品質も優れています。ただし、石炭の総合的な燃焼性能は、この単一の指標だけで判断することはできません。 燃焼強度（I）および平均発熱強度（Q）の大きさも考慮する必要があります。燃焼強度（I）が低く、平均発熱強度（Q）が高く、かつ燃焼特性指数（S）が高い石炭のみが、優れた総合性能を備えています。
表3からわかるように、石炭Bは石炭Aよりも燃焼強度と平均発熱強度が高いです。しかし、その燃焼特性指数（5.35×10⁻⁹）は、石炭A（5.46×10⁻⁹）よりも低くなっています。一般的に、石炭Aの方が優れた総合的な燃焼性能を有しています。
表2：石炭AおよびBのTGAおよびDSC測定結果。
| パラメータ | 単位 | 石炭A | 石炭B |
|---|---|---|---|
| °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 |
| 融点 | °C | 706 | 689 |
| t98% | 分 | 26.8 | 24.8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
Ti：着火時間；H：発熱（発熱性）ピークの高さ；W：発熱（発熱性）ピークの半値幅；q：発熱（発熱性）ピークの面積；Tonset：発熱（発熱性）ピークの開始温度；Tend：発熱（発熱性）ピークの終端温度；t98％：燃焼完了時間；T98％：燃焼完了温度；v：平均燃焼速度；Vmax：最大質量損失率
表3：石炭AおよびBの3つの評価指標パラメータ。
| パラメータ | 単位 | 石炭A | 石炭B |
|---|---|---|---|
| 燃焼強度、I | mW/mg·min | 0.440 | 0.525 |
| 平均発熱強度、Q | J/g·°C | 44.721 | 46.594 |
| 燃焼特性指数、S | 5.46 × 10⁻⁹ | 5.35 × 10⁻⁹ |
結論
石炭試料の燃焼特性は、NETZSCH のSTA（Jupiter® ）を用いて調査することができます。加熱過程における石炭試料の基本パラメータ（着火温度、発熱量、燃焼完了時間など）は、TGA、DTG、およびDSC曲線から得ることができます。
導出された熱パラメータに基づき、燃焼強度、平均発熱強度、燃焼特性指数といった追加の総合指標を算出することができます。これらの評価指標は、石炭の燃焼挙動を包括的に記述するものであり、異なる石炭試料間のより信頼性の高い比較を可能にし、それによって特定の用途に最適な石炭の選定を支援します。
はじめに
中国におけるセメント生産の主な燃料は石炭であり、セメント生産における原料・燃料消費量の最も重要な指標の一つとなっています。 石炭の品質は、セメントクリンカーの生産量や品質に影響を与えるだけでなく、コストにも影響を及ぼします。これは、発熱量の高い高品質な石炭を使用することで、プロセス温度を高く設定できるほか、プロセス温度を一定に保った場合でも石炭の需要を削減できるため、燃料費の節約につながるからです。 最新の試験方法と石炭品質の向上は、石炭消費量の削減とセメント製品の品質向上を確保するための重要な要素です。
セメント産業における石炭の燃焼挙動は複雑です。 従来の工業用分析評価法 [1] は、もはや適用できません。その一例が断熱熱量測定法であり、これは石炭を断熱容器に入れ、容器内の温度変化を測定することで石炭の熱量を算出するものです。この方法は単純な装置のみで済みますが、測定結果は比較的精度が低いものです。
本研究では、NETZSCH 社のSTA Jupiter® 装置を用いた同時熱分析により、2種類の石炭の材料特性評価を行いました。 熱重量分析（TG）および示差走査熱量測定（DSC）の結果に基づき、発熱反応の開始温度および終了温度（Tonset、Tend）、初期質量損失温度（Ti）、最大質量損失率（Vmax）、 総発熱量（q）、および平均燃焼速度（v）など、重要な燃焼パラメータが決定されました。
これらのパラメータに基づき、評価指標である
- 燃焼強度（I）、
- 平均発熱強度（Q）、および
- 燃焼特性指数（S）
が算出されました。これらの指標は、石炭の燃焼性能を評価するための定量的な根拠となります。セメント産業における石炭の使用要件は、低い燃焼強度、高い平均発熱強度、および高い燃焼特性指数を通じて、最適な燃焼挙動を実現することです。これは、着火挙動、発熱、および全体的な反応性の間の良好なバランスを反映しています。
方法および測定パラメータ
2種類の異なる石炭試料（石炭AおよびB、質量約10 mg）を、空気中において10 K/minの昇温速度で室温から1000 °Cまで加熱しました。表1には、TGおよびDSC曲線の重要なパラメータすべてと、それぞれの記号、単位、定義が示されています。
燃焼指標：
個々の測定値を用いて、燃焼強度、平均発熱強度、および燃焼特性指数[2]を算出します（略語については表1を参照してください）。
a) 燃焼強度（I）
石炭の燃焼強度は、この発熱（発熱性）反応における瞬間的な熱放出の強度を示し、次のように定義されます：
b) 平均発熱強度（Q）
石炭の平均発熱（発熱性）強度は、石炭の発熱活動が始まってから終わるまでの期間において、石炭の単位質量あたりおよび単位温度あたりに放出される熱量を示し、次のように定義されます：
c) 燃焼特性指数（S）
石炭の燃焼特性は、可燃性、着火点、燃焼強度、燃焼合計時間などを含む、その品質を総合的に示す指標です。これらの観点から、また関連文献も踏まえて
表1：TGおよびDSC曲線の重要なパラメータ（記号、単位、定義付き）。
| パラメータ | 記号 | 単位 | 定義 |
|---|---|---|---|
| 熱重量分析（TG） | |||
| 質量減少の開始温度 | Ti | °C | 試料が質量を失い始める温度（着火温度）です。 |
| 燃焼時間 | t98% | 分 | 燃料の98%が燃焼するのに要する時間です。 |
| 燃焼温度 | T98% | °C | 燃料の98％が燃焼した時点の温度です。 |
| 平均燃焼速度 | V | %/分 | 総質量損失を燃焼時間で割った値です。 |
| 差熱重量分析法（DTG） | |||
| 最大質量減少率 | Vmax | %/分 | 最大質量減少率。 |
| 示差走査熱量測定（DSC） | |||
| 発熱ピークの開始温度 | Tonset | °C | 発熱（発熱性）現象が始まる温度。 |
| 発熱（発熱性）ピークの終点温度 | Tend | °C | 発熱（発熱性）現象の終了時の温度。 |
| 発熱（発熱性）ピークの面積 | q | J/g | 試料の燃焼エンタルピー。 |
| 発熱ピークの高さ | H | mW/mg | DSCベースラインに対する発熱（発熱性）ピークの高さ。 |
| 発熱（発熱性）ピークの半値幅 | W | 分 | 発熱ピークの半値幅に対応する時間。 |
結果と考察
石炭Aおよび石炭BのTG曲線とDSC曲線を図1および図2に示します。どちらの試料も、2つの質量減少段階が見られます。 最初の段階（約150 °Cまで）は、おそらく水分放出に起因すると考えられます。比較すると、この段階における石炭AとBの水分含有量はほぼ同等です（それぞれ1.8%および1.6%）。2番目の、はるかに大きな質量減少の段階は、石炭試料の熱分解および燃焼に相当します。
これらの曲線は、2種類の石炭の熱的特性に関する基本的なパラメータを示しています。表2には、個々の試料の結果がまとめられています。
石炭試料A（412 °C）と石炭試料B（416 °C）の着火温度は類似した値を示しており、石炭試料Bの方がわずかに高い温度となっています。 着火温度が高いほど、石炭の着火は困難になります。また、石炭Bの燃焼エンタルピーも石炭Aよりも高くなっています。燃焼エンタルピーが高いほど、石炭の品質は良好です。 石炭を使用する際のもう一つの重要なパラメータは燃焼時間です。合計時間が長いほど、燃焼性能は劣ります。両試料を比較すると、石炭試料Aは約28分と、石炭試料B（約26分）をわずかに上回っています。
これら2種類の石炭に関する3つの評価パラメータを表3に示します。セメント業界においては、燃焼特性指数（S）が高いほど、石炭の燃焼性能が優れており、品質も高いと言えます。ただし、石炭の全体的な燃焼性能は、この指数だけでは判断できません。 燃焼強度（I）および平均発熱強度（Q）も併せて考慮する必要があります。したがって、セメント産業での使用に適した石炭は、燃焼強度（I）が低く、平均発熱強度（Q）が高く、かつ燃焼特性指数（S）が高いものである必要があります。
この点を考慮し、表3を参照すると、石炭Aは石炭Bよりも燃焼強度が低く、燃焼特性指数が高いため、燃焼性能が優れていることがわかります。
表2：石炭試料AおよびBのTGおよびDSC測定結果。
| 測定項目 | 単位 | 石炭A | 石炭B |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | mW/mg | 12.24 | 13.16 |
| W | 分 | 27.80 | 25.80 |
| q | J/g | 20509 | 20,520 |
| トンセット | °C | 247 | 248 |
| テンド | °C | 706 | 689 |
| t98% | 分 | 26.8 | 24.8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
| V | %/分 | 3.150 | 3.394 |
Ti：着火温度；H：発熱（発熱性）ピークの高さ；W：発熱（発熱性）ピークの半値幅；q：燃焼エンタルピー；Tonset：発熱（発熱性）ピークの開始温度；Tend：発熱（発熱性）ピークの終了温度；t98%：燃焼時間；T98%：燃焼温度；V：平均燃焼速度；Vmax：最大質量損失率
表3：石炭試料AおよびBの算出された燃焼パラメータ。
| パラメータ | 単位 | 石炭A | 石炭B |
|---|---|---|---|
| 燃焼強度 I | mW/mg・min | 0.440 | 0.525 |
| 平均発熱強度 Q | J/g·°C | 44.721 | 46.594 |
| 燃焼特性指数 S | 5.46 × 10⁻⁹ | 5.35 × 10⁻⁹ |
概要
NETZSCH （STA）Jupiter® を使用することで、さまざまな石炭試料の燃焼特性を調査することができます。燃焼過程における石炭試料の基本パラメータ（例えば、着火温度、発熱量、燃焼時間など）は、TG、DTG、およびDSCの測定結果から決定することができます。
これらの測定値に基づき、燃焼強度、平均発熱強度、燃焼特性指数などの包括的な指標をさらに算出することができます。これらの評価指標は、石炭の燃焼挙動を統合的に記述するものであり、異なる石炭試料間のより信頼性の高い比較を可能にし、特定の用途に最適な石炭の選定を支援します。