서론
석탄은 중국 시멘트 생산에 사용되는 주요 연료이며, 시멘트 생산에 투입되는 원료 연료 소비량의 핵심 지표 중 하나입니다. 석탄의 품질은 시멘트 클링커 생산의 수율과 품질뿐만 아니라 비용에도 영향을 미치는데, 발열량이 높은 고품질 석탄을 사용하면 공정 온도를 높일 수 있거나 동일한 공정 온도에서 석탄 소비량을 줄일 수 있어 연료 비용을 절감할 수 있기 때문이다. 첨단 시험 수단과 석탄 품질 관리 강화는 석탄 소비를 줄이고 시멘트 제품의 품질을 향상시키기 위한 중요한 요소입니다.
시멘트 산업에서 석탄의 연소 거동은 복잡합니다. 기존의 산업용 분석 평가 방법[1]은 더 이상 적용할 수 없습니다. 한 가지 예로, 석탄을 단열 용기에 넣고 용기 내부의 온도 변화를 측정하여 열량을 계산하는 단열 열량계 방법이 있습니다. 이 방법은 간단한 장비를 사용하지만, 측정 결과는 비교적 부정확합니다.
본 연구에서는 NETZSCH 의 STA Jupiter® 동시 열 분석기를 사용하여 석탄의 물성 분석을 수행하였다. 열중량 분석(TGA) 및 차동 주사 열량 분석(DSC) 곡선을 이용하여 발열 반응의 시작 및 종료 온도(Tonset, Tend), 초기 질량 손실 온도(Ti), 최대 질량 손실 속도(Vmax), 총 발열량(q), 평균 연소 속도(v) 등이 포함됩니다. 이러한 매개변수를 바탕으로,
- 연소 강도(I),
- 평균 발열 강도(Q),
- 연소 특성 지수(S)
를 산출하였다. 이러한 지수들은 석탄 연소 성능을 평가하기 위한 정량적 근거를 제공한다. 시멘트 산업에서 최적의 연소 거동을 보이는 석탄은 낮은 연소 강도(I), 높은 평균 발열 강도(Q), 그리고 높은 연소 특성 지수(S)를 특징으로 하며, 이는 점화 거동, 열출력 및 전반적인 반응성 간의 유리한 균형을 반영한다.
측정 방법
실험 시리즈를 위해 석탄 A와 석탄 B라는 두 가지 석탄 시편이 선정되었다. 각 시편의 질량은 약 10 mg이었다. 적용된 온도 프로그램은 실온(RT)에서 1000°C까지였다. 가열은 공기 분위기 하에서 10 K/min의 일정한 속도로 진행되었다. 표 1에는 TGA 및 DSC 곡선의 모든 주요 매개변수와 이에 해당하는 기호, 단위 및 정의가 나와 있다.
평가 지표 매개변수의 설정
열 분석 곡선의 기본 매개변수를 이용하여 다음 세 가지 평가 지표 매개변수를 정의할 수 있다 [2] (약어는 표 1 참조).
a) 연소 강도 (I)
석탄의 연소 강도는 발열 과정에서 발생하는 순간적인 열 방출의 강도를 나타냅니다. 이는 다음과 같이 정의됩니다:
b) 평균 발열 강도 (Q)
석탄의 평균 발열 강도는 석탄의 발열 활동이 시작되는 시점부터 끝나는 시점까지의 기간 동안, 석탄의 단위 질량당 단위 온도당 방출되는 열량을 나타냅니다. 이는 다음과 같이 정의됩니다:
c) 연소 특성 지수 (S)
석탄의 연소 특성은 석탄의 가연성, 발화점, 연소 강도 및 연소 시간을 포함하는 포괄적인 지표입니다. 이러한 관점에서 관련 문헌[3-4]을 종합해 보면, 다음과 같이 할 수 있습니다.
표 1: 기호, 단위 및 정의가 포함된 TGA 및 DSC 곡선의 주요 매개변수.
| 매개변수 | 단위 | 정의 | |
|---|---|---|---|
열중량 분석(TGA) | |||
| 질량 손실의 시작 온도 | Ti | °C | 석탄이 무게를 잃기 시작하는 온도(점화 온도). |
| 소모 시간 | t98% | min | 연료의 98%가 연소되는 데 걸리는 시간. |
| 연소 완료 온도 | T98% | °C | 연료의 98%가 연소되는 시점에 해당하는 온도. |
| 평균 연소 속도 | V | %/분 | 총 중량 감소율을 연소 완료 시간으로 나눈 값. |
차동 열중량 분석법(DTG) | |||
| 최대 질량 손실률 | Vmax | %/분 | 최대 질량 손실률. |
열유량 (DSC) | |||
| 발열 피크의 시작 온도 | 시작 | °C | 발열 현상이 시작될 때의 석탄 온도 |
| 발열 피크의 종료 온도 | Tend | °C | 발열 반응 종료 시의 온도 |
| 발열 피크의 면적 | q | J/g | 석탄의 발열 용량 |
| 발열 곡선의 피크 높이 | H | DSC 기준선 대비 발열 피크의 높이 | |
| 발열 피크의 반폭 (폭) | W | min | 발열 피크 높이의 절반에 해당하는 피크 폭에 상응하는 시간. |
결과 및 고찰
석탄 A와 석탄 B의 STA 곡선은 각각 그림 1과 2에 제시되어 있다. 보시다시피, 두 시료 모두 두 단계의 질량 감소 현상을 보인다. 첫 번째 단계는 150°C까지 이어지며, 이는 수분 방출에 기인한 것이다. 석탄 A와 석탄 B의 해당 질량 손실률은 각각 1.8%와 1.6%로, 두 시료의 수분 함량이 비슷한 수준임을 나타낸다. 두 번째 단계는 훨씬 더 큰 질량 손실을 보이며, 이는 석탄 시료의 열분해 및 연소에 기인한다.
STA 곡선을 통해 두 종류의 석탄의 열적 특성에 대한 기본 매개변수를 구할 수 있으며, 이는 표 1에 정리되어 있다.
표 1에서 볼 수 있듯이, 두 종류의 석탄의 점화 온도는 내림차순으로 다음과 같습니다: 석탄 B > 석탄 A. 점화 온도는 석탄이 점화되는 난이도를 반영합니다. 점화 온도가 낮을수록 석탄이 점화되기 쉽습니다. 두 석탄의 발열량은 내림차순으로 다음과 같습니다: 석탄 B > 석탄 A; 발열량이 높을수록 석탄의 품질이 우수합니다. 두 석탄 시료의 소진 시간은 내림차순으로 다음과 같습니다: 석탄 A > 석탄 B. 일반적으로 소진 시간이 길수록 소진 성능은 나쁩니다.
두 종류의 석탄에 대한 세 가지 평가 지표는 표 2에 정리되어 있습니다. 시멘트 산업에서 연소 특성 지수(S)가 클수록 석탄의 연소 성능이 우수하며 석탄 품질도 더 좋습니다. 그러나 석탄의 종합적인 연소 성능은 이 단일 지표만으로 판단할 수 없습니다. 연소 강도(I)와 평균 발열 강도(Q)의 크기 또한 고려해야 한다. 연소 강도(I)가 낮고, 평균 발열 강도(Q)가 높으며, 연소 특성 지수(S)가 높은 석탄만이 우수한 종합 성능을 갖는다.
표 3에서 볼 수 있듯이, 석탄 B는 석탄 A보다 연소 강도와 평균 발열 강도가 더 높습니다. 그러나 그 연소 특성 지수(5.35 ×10⁻⁹)는 석탄 A(5.46 ×10⁻⁹)보다 낮습니다. 일반적으로 석탄 A가 더 우수한 종합 연소 성능을 지닙니다.
표 2: 석탄 A와 B에 대한 TGA 및 DSC 측정 결과.
| 매개변수 | 단위 | 석탄 A | 석탄 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 |
| 발병 | °C | 706 | 689 |
| t98% | min | 26.8 | 24.8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
Ti: 점화 시간; H: 발열 피크의 높이; W: 발열 피크의 반폭; q: 발열 피크의 면적;Tonset: 발열 피크의 시작 온도;Tend: 발열 피크의 종료 온도;t98%: 소진 시간;T98%: 소진 시간; v: 평균 연소 속도;Vmax: 최대 질량 손실률
표 3: 석탄 A와 B의 세 가지 평가 지표.
| 항목 | 단위 | 석탄 A | 석탄 B |
|---|---|---|---|
| 연소 강도, I | mW/mg·min | 0.440 | 0.525 |
| 평균 발열 강도, Q | J/g·°C | 44.721 | 46.594 |
| 연소 특성 지수, S | 5.46 × 10⁻⁹ | 5.35 × 10⁻⁹ |
결론
석탄 시료의 연소 특성은 열분석 시스템( NETZSCH, STA) Jupiter® 을 통해 연구할 수 있습니다. 가열 과정 중 석탄 시료의 기본 매개변수(점화 온도, 발열량, 소진 시간 등)는 TGA, DTG 및 DSC 곡선에서 얻을 수 있습니다.
도출된 열적 매개변수를 바탕으로 연소 강도, 평균 발열 강도, 연소 특성 지수 등 추가적인 종합 지표를 산출할 수 있습니다. 이러한 평가 지표들은 석탄의 연소 거동을 종합적으로 설명해 주며, 서로 다른 석탄 시료 간의 보다 신뢰할 수 있는 비교를 가능하게 함으로써, 특정 용도에 가장 적합한 석탄을 선정하는 데 도움을 줍니다.
서론
석탄은 중국 시멘트 생산의 주요 연료이며, 시멘트 생산 과정에서 원료 및 연료 소비를 나타내는 가장 중요한 지표 중 하나입니다. 석탄의 품질은 시멘트 클링커 생산의 수율과 품질뿐만 아니라 비용에도 영향을 미치는데, 발열량이 높은 고품질 석탄은 공정 온도를 높일 수 있게 하거나, 동일한 공정 온도에서 석탄 수요를 줄여 연료 비용을 절감할 수 있기 때문이다. 현대적인 시험 방법과 석탄 품질 개선은 석탄 소비를 줄이고 시멘트 제품의 품질을 향상시키는 데 중요한 요소입니다.
시멘트 산업에서 석탄의 연소 거동은 복잡합니다. 기존의 산업용 분석 평가 방법[1]은 더 이상 적용할 수 없습니다. 한 가지 예로, 석탄을 단열 용기에 넣고 용기 내부의 온도 변화를 측정하여 석탄의 열량을 계산하는 단열 열량측정이 있습니다. 이 방법은 간단한 장비만 필요하지만, 측정 결과는 상대적으로 부정확합니다.
본 연구에서는 NETZSCH 의 STA Jupiter® 장비를 이용한 동시 열분석을 통해 두 가지 석탄 유형에 대한 물질 특성 분석을 수행하였다. 열중량 분석(TG) 및 차동 열량 분석(DSC) 결과를 바탕으로, 발열 반응의 시작 및 종료 온도(Tonset,Tend), 초기 질량 손실 온도(Ti), 최대 질량 손실 속도(Vmax), 총 발열량(q), 평균 연소 속도(v) 등을 도출했습니다.
이러한 매개변수를 바탕으로,
- 연소 강도(I),
- 평균 발열 강도(Q), 그리고
- 연소 특성 지수(S)
이 산출되었다. 이러한 지수들은 석탄의 연소 성능을 평가하기 위한 정량적 근거를 제공한다. 시멘트 산업에서 석탄 사용에 요구되는 조건은 낮은 연소 강도, 높은 평균 발열 강도, 그리고 높은 연소 특성 지수를 통한 최적의 연소 거동이다. 이는 점화 거동, 발열, 그리고 전반적인 반응성 간의 유리한 균형을 반영한다.
방법 및 측정 매개변수
두 가지 서로 다른 석탄 시료(석탄 A와 B, 질량 약 10 mg)를 공기 중에서 10 K/min의 가열 속도로 실온에서 1000 °C까지 가열하였다. 표 1에는 TG 및 DSC 곡선의 모든 주요 매개변수와 그 기호, 단위 및 정의가 제시되어 있다.
연소 지수:
이후 개별 측정값을 이용하여 연소 강도, 평균 발열 강도 및 연소 특성 지수[2]를 산출한다(약어는 표 1 참조).
a) 연소 강도 (I)
석탄의 연소 강도는 이 발열 과정에서 발생하는 순간적인 열 방출의 강도를 나타내며, 다음과 같이 정의된다:
b) 평균 발열 강도 (Q)
석탄의 평균 발열 강도는 석탄의 발열 활동이 시작되는 시점부터 끝나는 시점까지의 기간 동안 석탄의 단위 질량당 및 단위 온도당 방출되는 열량을 나타내며, 다음과 같이 정의된다:
c) 연소 특성 지수 (S)
석탄의 연소 특성은 가연성, 발화점, 연소 강도, 연소 지속 시간 등을 포함하는 석탄 품질의 종합적인 지표입니다. 이러한 측면을 바탕으로 관련 문헌을 고려하여
표 1: 기호, 단위 및 정의가 포함된 TG 및 DSC 곡선의 주요 매개변수.
| 매개변수 | 기호 | 단위 | 정의 |
|---|---|---|---|
| 열중량 분석(TG) | |||
| 질량 손실 개시 온도 | Ti | °C | 시료가 질량을 잃기 시작하는 온도(점화 온도). |
| 연소 시간 | t98% | min | 연료의 98%가 연소되는 데 걸리는 시간. |
| 연소 온도 | T98% | °C | 연료의 98%가 연소된 시점의 온도. |
| 평균 연소 속도 | V | %/min | 총 질량 손실을 연소 시간으로 나눈 값. |
| 차동 열중량 분석법(DTG) | |||
| 최대 질량 손실률 | Vmax | %/min | 최대 질량 손실률. |
| 차동 스캐닝 열량법(DSC) | |||
| 발열 피크의 시작 온도 | Tonset | °C | 발열 현상이 시작되는 온도. |
| 발열 피크의 종료 온도 | 종점 | °C | 발열 현상이 끝나는 시점의 온도. |
| 발열 피크의 면적 | q | J/g | 시료의 연소 엔탈피. |
| 발열 곡선의 피크 높이 | H | mW/mg | DSC 기준선 대비 발열 피크의 높이. |
| 발열 피크의 반폭 | W | min | 발열 피크의 반폭에 해당하는 시간. |
결과 및 고찰
석탄 A와 석탄 B의 TG 및 DSC 곡선은 그림 1과 2에 제시되어 있다. 두 시료 모두 두 단계의 질량 감소 현상을 보인다. 첫 번째 단계는 약 150 °C까지이며, 이는 수분 방출에 기인한 것으로 추정된다. 이에 비해, 석탄 A와 B는 이 구간에서 유사한 수분 함량(각각 1.8%와 1.6%)을 보인다. 두 번째 단계는 훨씬 더 큰 질량 손실 단계를 보이며, 이는 석탄 시료의 열분해 및 연소에 해당한다.
이 곡선들은 두 가지 석탄 유형의 열적 특성에 대한 기본 매개변수를 보여준다. 표 2에는 개별 시료에 대한 결과가 정리되어 있다.
석탄 시료 A(412 °C)와 석탄 시료 B(416 °C)의 점화 온도는 비슷한 값을 보이며, 석탄 시료 B의 온도가 약간 더 높다. 점화 온도가 높을수록 석탄의 점화가 더 어려워집니다. 석탄 B의 연소 엔탈피도 석탄 A보다 높습니다. 연소 엔탈피가 높을수록 석탄의 품질이 우수합니다. 석탄 사용 시 또 다른 중요한 매개변수는 연소 시간으로, 시간이 길수록 연소 성능은 떨어집니다. 두 시료를 비교해 보면, 석탄 시료 A의 연소 시간이 약 28분으로 석탄 시료 B(약 26분)보다 약간 더 긴 것으로 나타났습니다.
두 가지 석탄 유형에 대한 세 가지 평가 매개변수는 표 3에 정리되어 있습니다. 시멘트 산업에서 연소 특성 지수(S)가 높을수록 석탄의 연소 성능이 우수하고 품질도 더 좋습니다. 그러나 이 지수만으로는 석탄의 전반적인 연소 성능을 판단할 수 없습니다. 연소 강도(I)와 평균 발열 강도(Q)도 함께 고려해야 합니다. 따라서 시멘트 산업에 사용되기 적합한 석탄은 연소 강도(I)가 낮고, 평균 발열 강도(Q)가 높으며, 연소 특성 지수(S)가 높아야 합니다.
이러한 점을 고려하고 표 3을 참조하면, 석탄 A는 석탄 B보다 연소 강도가 낮고 연소 특성 지수가 높기 때문에 연소 성능이 더 우수하다는 것을 알 수 있다.
표 2: 석탄 시료 A와 B의 TG 및 DSC 측정 결과.
| 측정 항목 | 단위 | 석탄 A | 석탄 B |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | mW/mg | 12.24 | 13.16 |
| W | min | 27.80 | 25.80 |
| q | J/g | 20509 | 20520 |
| 톤셋 | °C | 247 | 248 |
| 텐드 | °C | 706 | 689 |
| t98% | 분 | 26.8 | 24.8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
| V | %/분 | 3.150 | 3.394 |
Ti: 발화 온도; H: 발열 피크의 높이; W: 발열 피크의 반폭; q: 연소 엔탈피;Tonset: 발열 피크의 시작 온도;Tend: 발열 피크의 종료 온도;t98%: 연소 시간;T98%: 연소 온도; V: 평균 연소 속도;Vmax: 최대 질량 손실 속도
표 3: 석탄 시료 A와 B의 산출된 연소 매개변수.
| 매개변수 | 단위 | 석탄 A | 석탄 B |
|---|---|---|---|
| 연소 강도 I | mW/mg·min | 0.440 | 0.525 |
| 평균 발열 강도 Q | J/g·°C | 44.721 | 46.594 |
| 연소 특성 지수 S | 5.46 × 10⁻⁹ | 5.35 × 10⁻⁹ |
요약
NETZSCH 의 STA Jupiter®를 사용하여 다양한 석탄 시료의 연소 특성을 조사할 수 있습니다. TG, DTG 및 DSC 측정 결과를 통해 연소 과정 중 석탄 시료의 기본 매개변수(예: 점화 온도, 발열량, 연소 시간)를 파악할 수 있습니다.
이러한 측정값을 바탕으로 연소 강도, 평균 발열 강도, 연소 특성 지수 등의 종합적인 지표를 추가로 산출할 수 있습니다. 이러한 평가 지표는 석탄의 연소 거동을 종합적으로 설명해 주며, 서로 다른 석탄 시료 간의 보다 신뢰할 수 있는 비교를 가능하게 하여 특정 용도에 가장 적합한 석탄을 선정하는 데 도움을 줍니다.