Inleiding
Steenkool is de belangrijkste brandstof die bij de cementproductie in China wordt gebruikt, en een van de belangrijkste indicatoren voor het verbruik van ruwe brandstof bij de cementproductie. De kwaliteit van steenkool beïnvloedt niet alleen de opbrengst en de kwaliteit van de cementklinkerproductie, maar ook de kosten daarvan, aangezien hoogwaardige steenkool met een hogere calorische waarde hogere procestemperaturen mogelijk maakt of het steenkoolverbruik bij dezelfde procestemperatuur kan verminderen, waardoor de brandstofkosten dalen. Geavanceerde testmethoden en een versterking van het kwaliteitsbeheer van steenkool zijn essentiële elementen om het steenkoolverbruik te verminderen en de kwaliteit van cementproducten te verbeteren.
Het verbrandingsgedrag van steenkool in de cementindustrie is complex. Traditionele industriële analytische evaluatiemethoden [1] zijn niet langer toepasbaar. Een voorbeeld hiervan is de adiabatische calorimetermethode, waarbij de steenkool in een adiabatische container wordt geplaatst en de warmte-inhoud ervan wordt berekend door de temperatuurverandering in de container te meten. Hoewel deze methode gebruikmaakt van eenvoudige apparatuur, zijn de meetresultaten relatief onnauwkeurig.
In dit onderzoek wordt de materiaalkarakterisering van steenkool uitgevoerd met behulp van een STA-apparaat NETZSCH Jupiter® voor gelijktijdige thermische analyse. Thermogravimetrische (TGA) en differentiële scanningcalorimetrie (DSC)-curves werden gebruikt om belangrijke verbrandingsparameters te bepalen, waaronder de begin- en eindtemperatuur van de exotherme reactie (Tonset, Tend), de temperatuur bij het begin van het massaverlies (Ti), de maximale massaverliesnelheid (Vmax), de totale exotherme warmte (q) en de gemiddelde verbrandingssnelheid (v). Op basis van deze parameters werden drie evaluatie-indexen vastgesteld,
- verbrandingsintensiteit (I),
- de gemiddelde warmteafgifte-intensiteit (Q) en
- de verbrandingskarakteristiekindex (S)
berekend. Deze indices bieden een kwantitatieve basis voor het beoordelen van de prestaties van de steenkoolverbranding. In de cementindustrie wordt steenkool met een optimaal verbrandingsgedrag gekenmerkt door een lage verbrandingsintensiteit (I), een hoge gemiddelde warmteafgifte-intensiteit (Q) en een hoge verbrandingskarakteristiekindex (S), wat wijst op een gunstige balans tussen ontstekingsgedrag, warmteafgifte en algehele reactiviteit.
Meetmethode
Voor de reeks experimenten werden twee steenkoolmonsters − steenkool A en steenkool B − geselecteerd. Elk monster had een massa van ongeveer 10 mg. Het toegepaste temperatuurprogramma liep van kamertemperatuur (RT) tot 1000 °C. De verwarming vond plaats met een constante snelheid van 10 K/min in een luchtatmosfeer. Tabel 1 toont alle belangrijke parameters van de TGA- en DSC-curves, samen met het bijbehorende symbool, de eenheid en de definitie.
Vaststelling van parameters voor de evaluatie-index
Aan de hand van de basisparameters van de thermische analysecurve kunnen de volgende drie parameters voor de evaluatie-index worden gedefinieerd [2] (zie tabel 1 voor afkortingen).
a) Verbrandingsintensiteit (I)
De verbrandingsintensiteit van steenkool geeft de intensiteit aan van de momentane warmteafgifte tijdens het exotherme proces. Deze wordt gedefinieerd als:
b) Gemiddelde warmteafgifte-intensiteit (Q)
De gemiddelde exotherme intensiteit van steenkool geeft de hoeveelheid vrijgekomen warmte per massa-eenheid steenkool per temperatuureenheid weer gedurende de periode vanaf het begin tot het einde van de exotherme activiteit van de steenkool. Deze wordt gedefinieerd als:
c) Index voor verbrandingskenmerken (S)
De verbrandingskenmerken van steenkool vormen een alomvattende index voor steenkool, waaronder de ontvlambaarheid van steenkool, het ontbrandingspunt van steenkool, de verbrandingsintensiteit van steenkool en de brandduur van steenkool. Vanuit deze invalshoeken, in combinatie met de desbetreffende literatuur [3-4], kan worden
Tabel 1: Belangrijke parameters van de TGA- en DSC-curves, met symbool, eenheid en definitie.
| Parameter | Eenheid | Definitie | |
|---|---|---|---|
Thermogravimetrie (TGA) | |||
| Beginpunt van het massaverlies | Ti | °C | De temperatuur waarbij de steenkool gewicht begint te verliezen (ontbrandingstemperatuur). |
| Verbrandingstijd | t98% | min | De tijd die nodig is om 98% van de brandstof te verbranden. |
| Uitbrandtemperatuur | T98% | °C | De temperatuur bij welke 98% van de brandstof is verbrand. |
| Gemiddelde verbrandingssnelheid | V | %/min | Het totale gewichtsverlies in procenten gedeeld door de verbrandingsduur. |
Differentiële thermogravimetrie (DTG) | |||
| Maximale snelheid van het massaverlies | Vmax | %/min | De maximale snelheid van het massaverlies. |
Warmtestroom (DSC) | |||
| Begintemperatuur van de exotherme piek | Begin | °C | Temperatuur van de steenkool bij het begin van het exotherme effect |
| Eindtemperatuur van de exotherme piek | Tend | °C | Temperatuur aan het einde van het exotherme effect |
| Oppervlakte van de exotherme piek | q | J/g | Exothermische capaciteit van steenkool |
| Piekhoogte van de exotherme curve | H | Hoogte van de exotherme piek ten opzichte van de DSC-basislijn | |
| Halve piekbreedte van de exotherme piek (breedte) | W | min | Tijd die overeenkomt met de piekbreedte bij de helft van de hoogte van de exotherme piek. |
Resultaten en bespreking
De STA-curves van steenkool A en steenkool B worden respectievelijk weergegeven in figuren 1 en 2. Zoals u kunt zien, vertonen beide monsters twee fasen van massaverlies. De eerste, tot 150 °C, is het gevolg van het vrijkomen van vocht. De bijbehorende massaverliezen voor steenkool A en steenkool B bedragen respectievelijk 1,8 % en 1,6 %, wat wijst op vergelijkbare vochtgehaltes. De tweede, aanzienlijk grotere fase van massaverlies komt overeen met de thermische ontleding en verbranding van de steenkoolmonsters.
Uit de STA-curves kunnen de basisparameters van de thermische eigenschappen van de twee soorten steenkool worden afgeleid; deze zijn weergegeven in tabel 1.
Zoals uit tabel 1 blijkt, zijn de ontbrandingstemperaturen van de twee steensoorten in afnemende volgorde als volgt: steensoort B > steensoort A. De ontbrandingstemperatuur geeft aan hoe moeilijk het is om de steensoort te ontsteken. Hoe lager de ontbrandingstemperatuur, hoe gemakkelijker de steensoort te ontsteken is. De exotherme capaciteit van de twee steensoorten in aflopende volgorde is als volgt: steenkool B > steenkool A; hoe hoger de exotherme capaciteit, hoe beter de kwaliteit van de steenkool. De uitbrandtijd van de twee steenkoolmonsters in aflopende volgorde is als volgt: steenkool A > steenkool B. Over het algemeen geldt: hoe langer de uitbrandtijd, hoe slechter de uitbrandprestaties.
De drie evaluatie-indexparameters van de twee kolensoorten zijn weergegeven in tabel 2. Voor de cementindustrie geldt: hoe groter de verbrandingskarakteristiekindex (S), hoe beter de verbrandingsprestaties van de kolen en hoe beter de kwaliteit ervan. De algehele verbrandingsprestaties van kolen kunnen echter niet aan de hand van deze ene index worden bepaald. Er moet ook rekening worden gehouden met de verbrandingsintensiteit (I) en de gemiddelde warmteafgifte-intensiteit (Q). Alleen steenkool met een lage verbrandingsintensiteit (I), een hoge gemiddelde warmteafgifte-intensiteit (Q) en een hoge verbrandingskarakteristiekindex (S) vertoont superieure algehele prestaties.
Zoals te zien is in tabel 3, heeft steenkool B een hogere verbrandingsintensiteit en gemiddelde warmteafgifte-intensiteit dan steenkool A. De verbrandingskarakteristiekindex (5,35 × 10⁻⁹) is echter lager dan die van steenkool A (5,46 × 10⁻⁹). In het algemeen bezit steenkool A superieure algehele verbrandingsprestaties.
Tabel 2: Meetresultaten van de TGA- en DSC-metingen aan steenkool A en B.
| Parameter | Eenheid | Steenkool A | Steenkool 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 |
| Begin | °C | 706 | 689 |
| t98% | min | 26,8 | 24,8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
Ti: Ontbrandingstijd; H: Hoogte van de exotherme piek; W: Halve piekbreedte van de exotherme piek; q: Oppervlakte van de exotherme piek;Tonset: Begintemperatuur van de exotherme piek;Tend: Eindtemperatuur van de exotherme piek;t98%: Uitbrandtijd;T98%: Uitbrandtijd; v: gemiddelde verbrandingssnelheid;Vmax: Maximale massaverliesnelheid
Tabel 3: Drie evaluatie-indexparameters van steenkool A en B.
| Parameter | Eenheid | Steenkool A | Steenkool B |
|---|---|---|---|
| Verbrandingsintensiteit, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Gemiddelde warmteafgifte-intensiteit, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Verbrandingskarakteristiekindex, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Conclusie
De verbrandingskenmerken van steenkoolmonsters kunnen worden onderzocht met behulp van de NETZSCH STA Jupiter®. Uit de TGA-, DTG- en DSC-curves kunnen de basisparameters van steenkoolmonsters tijdens het verwarmingsproces worden afgeleid, zoals de ontstekingstemperatuur, de warmteafgifte en de uitbrandtijd.
Op basis van de afgeleide thermische parameters kunnen aanvullende, uitgebreide indices – namelijk de verbrandingsintensiteit, de gemiddelde warmteafgifte-intensiteit en de verbrandingskarakteristiekindex – worden berekend. Deze evaluatie-indicatoren bieden een geïntegreerde beschrijving van het verbrandingsgedrag van steenkool en maken een betrouwbaardere vergelijking tussen verschillende steenkoolmonsters mogelijk, waardoor de keuze van de meest geschikte steenkool voor een bepaalde toepassing wordt ondersteund.
Inleiding
Steenkool is de belangrijkste brandstof voor de cementproductie in China en vormt een van de belangrijkste indicatoren voor het verbruik van grondstoffen en brandstoffen bij de cementproductie. De kwaliteit van steenkool beïnvloedt niet alleen de opbrengst en kwaliteit van de cementklinkerproductie, maar ook de kosten daarvan, aangezien hoogwaardige steenkool met een hogere calorische waarde hogere procestemperaturen mogelijk maakt of, bij een constante procestemperatuur, de vraag naar steenkool vermindert, waardoor brandstofkosten worden bespaard. Moderne testmethoden en verbetering van de steenkoolkwaliteit zijn belangrijke factoren om een vermindering van het steenkoolverbruik en een verbetering van de kwaliteit van cementproducten te waarborgen.
Het verbrandingsgedrag van steenkool in de cementindustrie is complex. Conventionele industriële analytische evaluatiemethoden [1] zijn niet langer toepasbaar. Een voorbeeld hiervan is adiabatische calorimetrie, waarbij steenkool in een AdiabatischAdiabatisch beschrijft een systeem of meetmodus zonder warmteuitwisseling met de omgeving. Deze modus kan worden gerealiseerd met een calorimeter volgens de methode van versnellende snelheidscalorimetrie (ARC®). Het belangrijkste doel van zo'n apparaat is om scenario's en thermische wegloopreacties te bestuderen. Een korte beschrijving van de adiabatische modus is "geen warmte in - geen warmte uit".adiabatisch vat wordt geplaatst en de warmte-inhoud van de steenkool wordt berekend door de temperatuurverandering in het vat te meten. Hoewel deze methode slechts eenvoudige apparatuur vereist, zijn de meetresultaten relatief onnauwkeurig.
In dit onderzoek wordt de materiaalkarakterisering van twee steenkoolsoorten uitgevoerd door middel van gelijktijdige thermische analyse met behulp van een STA-instrument NETZSCH Jupiter®. Op basis van de resultaten van de thermogravimetrie (TG) en differentiële calorimetrie (DSC) werden belangrijke verbrandingsparameters bepaald, waaronder de begin- en eindtemperaturen (Tonset,Tend) van de exotherme reactie, de temperatuur van het eerste massaverlies (Ti), de maximale massaverliesnelheid (Vmax), de totale exotherme warmte (q) en de gemiddelde verbrandingssnelheid (v).
Op basis van deze parameters werden de evaluatie-indexen
- verbrandingsintensiteit (I),
- de gemiddelde warmteafgifte-intensiteit (Q) en
- de verbrandingskarakteristiekindex (S)
berekend. Deze indices bieden een kwantitatieve basis voor de beoordeling van de verbrandingsprestaties van steenkool. De eisen voor het gebruik van steenkool in de cementindustrie zijn een optimaal verbrandingsgedrag door een lage verbrandingsintensiteit, een hoge gemiddelde warmteafgifte-intensiteit en een hoge verbrandingskarakteristiekindex. Dit weerspiegelt een gunstig evenwicht tussen ontstekingsgedrag, warmteafgifte en algehele reactiviteit.
Methode en meetparameters
Twee verschillende steenkoolmonsters (steenkool A en B, met een massa van ongeveer 10 mg) werden in lucht verwarmd van kamertemperatuur tot 1000 °C met een verwarmingssnelheid van 10 K/min. Tabel 1 geeft een overzicht van alle belangrijke parameters van de TG- en DSC-curven, samen met hun symbolen, eenheden en definities.
Verbrandingsindexen:
De afzonderlijke meetwaarden worden vervolgens gebruikt om de verbrandingsintensiteit, de gemiddelde warmteafgifte-intensiteit en de verbrandingskarakteristieke index [2] te bepalen (zie tabel 1 voor afkortingen).
a) Verbrandingsintensiteit (I)
De verbrandingsintensiteit van steenkool geeft de intensiteit van de momentane warmteafgifte in dit exotherme proces aan en wordt gedefinieerd als:
b) Gemiddelde warmteafgifte-intensiteit (Q)
De gemiddelde exotherme intensiteit van steenkool geeft de hoeveelheid vrijgekomen warmte per massa-eenheid steenkool en per temperatuureenheid aan gedurende de periode vanaf het begin tot het einde van de exotherme activiteit van de steenkool en wordt gedefinieerd als:
c) Index voor verbrandingskenmerken (S)
De verbrandingskenmerken van steenkool vormen een alomvattende maatstaf voor de kwaliteit ervan, waaronder ontvlambaarheid, ontbrandingspunt, verbrandingsintensiteit en verbrandingsduur. Op basis van deze aspecten en rekening houdend met de relevante literatuur
Tabel 1: Belangrijke parameters van de TG- en DSC-curven, met symbool, eenheid en definitie.
| Parameter | Symbool | Eenheid | Definitie |
|---|---|---|---|
| Thermogravimetrie (TG) | |||
| Beginpunt van het massaverlies | Ti | °C | De temperatuur waarbij het monster massa begint te verliezen (ontbrandingstemperatuur). |
| Verbrandingstijd | t98% | min | De tijd die nodig is om 98% van de brandstof te verbranden. |
| Verbrandingstemperatuur | T98% | °C | Temperatuur waarbij 98% van de brandstof is verbrand. |
| Gemiddelde verbrandingssnelheid | V | %/min | Totaal massaverlies gedeeld door de verbrandingstijd. |
| Differentiële thermogravimetrie (DTG) | |||
| Maximale snelheid van het massaverlies | Vmax | %/min | De maximale snelheid van het massaverlies. |
| Differentiële scanningcalorimetrie (DSC) | |||
| Begintemperatuur van de exotherme piek | Tonset | °C | Temperatuur bij het begin van het exotherme effect. |
| Eindtemperatuur van de exotherme piek | Tend | °C | Temperatuur aan het einde van het exotherme effect. |
| Oppervlakte van de exotherme piek | q | J/g | Verbrandingsenthalpie van het monster. |
| Piekhoogte van de exotherme curve | H | mW/mg | Hoogte van de exotherme piek ten opzichte van de DSC-basislijn. |
| Halve breedte van de exotherme piek | W | min | Tijd die overeenkomt met de halve breedte van de exotherme piek. |
Resultaten en bespreking
De TG- en DSC-curves van steenkool A en steenkool B zijn weergegeven in figuren 1 en 2. Beide monsters vertonen twee stappen in het massaverlies. De eerste, tot ongeveer 150 °C, kan vermoedelijk worden toegeschreven aan het vrijkomen van vocht. Ter vergelijking: steenkool A en B vertonen hier vergelijkbare vochtgehaltes (respectievelijk 1,8 % en 1,6 %). De tweede, aanzienlijk grotere fase van massaverlies komt overeen met de thermische ontleding en verbranding van de steenkoolmonsters.
De grafieken geven de basisparameters weer van de thermische eigenschappen van de twee steenkoolsoorten. Tabel 2 geeft een overzicht van de resultaten voor de afzonderlijke monsters.
De ontbrandingstemperaturen van steenkoolmonster A (412 °C) en steenkoolmonster B (416 °C) vertonen vergelijkbare waarden, waarbij de temperatuur van steenkoolmonster B iets hoger is. Hoe hoger de ontbrandingstemperatuur, hoe moeilijker het is om de steenkool te ontsteken. De verbrandingsenthalpie van steenkool B is eveneens hoger dan die van steenkool A. Hoe hoger de verbrandingsenthalpie, hoe beter de kwaliteit van de steenkool. Een andere belangrijke parameter bij het gebruik van steenkool is de verbrandingsduur: hoe langer de duur, hoe slechter de verbrandingsprestaties. Uit een vergelijking van beide monsters blijkt dat steenkoolmonster A, met bijna 28 minuten, iets boven steenkoolmonster B (ongeveer 26 minuten) ligt.
De drie evaluatieparameters voor de twee steenkoolsoorten zijn opgenomen in tabel 3. Voor de cementindustrie geldt: hoe hoger de verbrandingskarakteristiekindex (S), hoe beter de verbrandingsprestaties van de steenkool en hoe beter de kwaliteit ervan. De algehele verbrandingsprestaties van steenkool kunnen echter niet uitsluitend aan de hand van deze index worden bepaald. Er moet ook rekening worden gehouden met de verbrandingsintensiteit (I) en de gemiddelde warmteafgifte-intensiteit (Q). De gebruikte steenkool moet daarom een lage verbrandingsintensiteit (I), een hoge gemiddelde warmteafgifte-intensiteit (Q) en een hoge verbrandingskarakteristiekindex (S) hebben om geschikt te zijn voor gebruik in de cementindustrie.
Gezien deze overweging en aan de hand van tabel 3 blijkt dat steenkool A betere verbrandingsprestaties vertoont dan steenkool B vanwege de lagere verbrandingsintensiteit en de hogere verbrandingskarakteristiekindex.
Tabel 2: Meetresultaten van de TG- en DSC-metingen van steenkoolmonsters A en B.
| Parameter | Eenheid | Steenkool A | Steenkool B |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | mW/mg | 12,24 | 13,16 |
| W | min | 27,80 | 25,80 |
| q | J/g | 20509 | 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: ontbrandingstemperatuur; H: hoogte van de exotherme piek; W: halve breedte van de exotherme piek; q: verbrandingsenthalpie;Tonset: begin temperatuur van de exotherme piek;Tend: eindtemperatuur van de exotherme piek;t98%: verbrandingstijd;T98%: verbrandingstemperatuur; V: gemiddelde verbrandingssnelheid;Vmax: maximale massaverliesnelheid
Tabel 3: Berekende verbrandingsparameters van steenkoolmonsters A en B.
| Parameter | Eenheid | Steenkool A | Steenkool B |
|---|---|---|---|
| Verbrandingsintensiteit I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Gemiddelde warmteafgifte-intensiteit Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Verbrandingskarakteristiekindex S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Samenvatting
De verbrandingskenmerken van verschillende steenkoolmonsters kunnen worden onderzocht met behulp van de NETZSCH STA Jupiter®. Uit de meetresultaten van TG-, DTG- en DSC-metingen kunnen fundamentele parameters van de steenkoolmonsters tijdens het verbrandingsproces worden bepaald, zoals bijvoorbeeld de ontbrandingstemperatuur, de warmteafgifte en de verbrandingsduur.
Op basis van deze meetwaarden kunnen bovendien uitgebreide indices worden berekend, zoals de verbrandingsintensiteit, de gemiddelde warmteafgifte-intensiteit en de verbrandingskarakteristiekindex. Deze evaluatie-indices bieden een geïntegreerde beschrijving van het verbrandingsgedrag van steenkool en maken een betrouwbaardere vergelijking tussen verschillende steenkoolmonsters mogelijk, wat de selectie van de steenkool die het meest geschikt is voor een bepaalde toepassing ondersteunt.