Introdução
O carvão é o principal combustível utilizado na produção de cimento na China e um dos principais indicadores do consumo de combustível bruto nessa produção. A qualidade do carvão afeta não apenas o rendimento e a qualidade da produção de clínquer de cimento, mas também seus custos, uma vez que o carvão de alta qualidade, com maior poder calorífico, permite temperaturas de processo mais elevadas ou reduz o consumo de carvão na mesma temperatura de processo, diminuindo assim os custos com combustível. Métodos avançados de ensaio e o fortalecimento da gestão da qualidade do carvão são elementos importantes para garantir a redução do consumo de carvão e a melhoria da qualidade dos produtos de cimento.
O comportamento de combustão do carvão na indústria de cimento é complexo. Os métodos tradicionais de avaliação analítica industrial [1] não são mais aplicáveis. Um exemplo é o método do calorímetro AdiabáticoAdiabático descreve um sistema ou modo de medição sem nenhuma troca de calor com o ambiente. Esse modo pode ser realizado usando um dispositivo de calorímetro de acordo com o método de calorimetria de taxa acelerada (ARC®). O principal objetivo desse dispositivo é estudar cenários e reações de fuga térmica. Uma breve descrição do modo adiabático é "sem entrada de calor - sem saída de calor".adiabático, no qual o carvão é colocado em um recipiente AdiabáticoAdiabático descreve um sistema ou modo de medição sem nenhuma troca de calor com o ambiente. Esse modo pode ser realizado usando um dispositivo de calorímetro de acordo com o método de calorimetria de taxa acelerada (ARC®). O principal objetivo desse dispositivo é estudar cenários e reações de fuga térmica. Uma breve descrição do modo adiabático é "sem entrada de calor - sem saída de calor".adiabático e seu conteúdo de calor é calculado por meio da medição da variação de temperatura no interior do recipiente. Embora esse método utilize equipamentos simples, os resultados das medições são relativamente imprecisos.
Neste trabalho, a caracterização do carvão é realizada utilizando um analisador térmico simultâneo (STA) da NETZSCH Jupiter® . Curvas de termogravimetria (TGA) e de calorimetria diferencial de varredura (DSC) foram utilizadas para determinar parâmetros-chave de combustão, incluindo as temperaturas de início e fim da exotermia (Tonset, Tend), a temperatura de perda de massa inicial (Ti), a taxa máxima de perda de massa (Vmax), calor ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico total (q) e taxa média de combustão (v). Com base nesses parâmetros, foram estabelecidos três índices de avaliação,
- intensidade de combustão (I),
- intensidade média de liberação de calor (Q) e
- o índice característico de combustão (S)
foram calculados. Esses índices fornecem uma base quantitativa para avaliar o desempenho da combustão do carvão. Na indústria de cimento, o carvão com comportamento de combustão ideal é caracterizado por baixa intensidade de combustão (I), alta intensidade média de liberação de calor (Q) e um alto índice característico de combustão (S), refletindo um equilíbrio favorável entre comportamento de ignição, produção de calor e reatividade geral.
Método de medição
Para a série experimental, foram selecionadas duas amostras de carvão — carvão A e carvão B. Cada amostra tinha uma massa de aproximadamente 10 mg. O programa de temperatura aplicado variou da temperatura ambiente (TA) até 1.000 °C. O aquecimento foi realizado a uma taxa constante de 10 K/min em atmosfera de ar. A Tabela 1 apresenta todos os parâmetros importantes das curvas de TGA e DSC, juntamente com o símbolo, a unidade e a definição correspondentes.
Definição dos parâmetros do índice de avaliação
Utilizando os parâmetros básicos da curva de análise térmica, é possível definir os três parâmetros do índice de avaliação a seguir [2] (consulte a tabela 1 para as abreviações).
a) Intensidade de combustão (I)
A intensidade de combustão do carvão indica a intensidade da liberação instantânea de calor no processo ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico. É definida como:
b) Intensidade média de liberação de calor (Q)
A intensidade exotérmica média do carvão expressa a quantidade de calor liberada por unidade de massa de carvão por unidade de temperatura durante o período que vai do início ao fim da atividade exotérmica do carvão. É definida como:
c) Índice de Características de Combustão (S)
As características de combustão do carvão constituem um índice abrangente do carvão, incluindo sua inflamabilidade, ponto de ignição, intensidade de queima e tempo de queima. A partir dessas perspectivas, em conjunto com a literatura correspondente [3-4], pode-se
Tabela 1: Parâmetros importantes das curvas de TGA e DSC, com símbolo, unidade e definição.
| Parâmetro | Unidade | Definição | |
|---|---|---|---|
Termogravimetria (TGA) | |||
| Temperatura de início da perda de massa | Ti | °C | A temperatura na qual o carvão começa a perder peso (temperatura de ignição). |
| Tempo de queima total | t98% | min | O tempo necessário para queimar 98% do combustível. |
| Temperatura de queima total | T98% | °C | A temperatura correspondente à queima de 98% do combustível. |
| Taxa média de combustão | V | %/min | Porcentagem de perda total de peso dividida pelo tempo de queima total. |
Termogravimetria diferencial (DTG) | |||
| Taxa máxima de perda de massa | Vmax | %/min | A taxa máxima de perda de massa. |
Fluxo de calor (DSC) | |||
| Temperatura de início do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico | Início | °C | Temperatura do carvão no início do efeito ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico |
| Temperatura final do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico | Tend | °C | Temperatura no final do efeito ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico |
| Área do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico | q | J/g | Capacidade exotérmica do carvão |
| Altura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico | H | Altura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico em relação à linha de base do DSC | |
| Largura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico (largura) | W | min | Tempo correspondente à largura do pico na metade da altura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico. |
Resultados e Discussão
As curvas STA do carvão A e do carvão B são apresentadas nas figuras 1 e 2, respectivamente. Como se pode observar, ambas as amostras apresentam duas etapas de perda de massa. A primeira, até 150 °C, deve-se à liberação de umidade. As perdas de massa correspondentes para o carvão A e o carvão B são de 1,8% e 1,6%, respectivamente, indicando teores de umidade comparáveis. A segunda etapa de perda de massa, substancialmente maior, corresponde à Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição térmica e à combustão das amostras de carvão.
A partir das curvas STA, é possível obter os parâmetros básicos das características térmicas dos dois tipos de carvão, os quais estão listados na tabela 1.
Conforme pode ser observado na Tabela 1, as temperaturas de ignição dos dois tipos de carvão, em ordem decrescente, são as seguintes: carvão B > carvão A. A temperatura de ignição reflete o grau de dificuldade na ignição do carvão. Quanto menor a temperatura de ignição, mais fácil é acender o carvão. A capacidade exotérmica dos dois carvões, em ordem decrescente, é a seguinte: carvão B > carvão A; quanto maior a capacidade exotérmica, melhor é a qualidade do carvão. O tempo de queima das duas amostras de carvão, em ordem decrescente, é o seguinte: carvão A > carvão B. Em geral, quanto maior o tempo de queima, pior é o desempenho de queima.
Os três parâmetros dos índices de avaliação dos dois tipos de carvão estão listados na tabela 2. Para a indústria de cimento, quanto maior o índice de característica de combustão (S), melhor é o desempenho de combustão do carvão e melhor é a qualidade do carvão. No entanto, o desempenho global de combustão do carvão não pode ser determinado apenas por esse único índice. Devemos também considerar a intensidade de queima (I) e a intensidade média de liberação de calor (Q). Somente o carvão com baixa intensidade de queima (I), alta intensidade média de liberação de calor (Q) e alto índice de característica de combustão (S) apresenta desempenho global superior.
Conforme pode ser observado na tabela 3, o carvão B apresenta maior intensidade de queima e maior intensidade média de liberação de calor do que o carvão A. No entanto, seu índice de característica de combustão (5,35 × 10⁻⁹) é inferior ao do carvão A (5,46 × 10⁻⁹). Em geral, o carvão A possui desempenho global de combustão superior.
Tabela 2: Resultados das medições de TGA e DSC realizadas no carvão A e B.
| Parâmetro | Unidade | Carvão A | Carvão B |
|---|---|---|---|
| °C | 412 | 416 | |
| Ti | m/W/mg | 12,24 | 13,16 |
| H | v | 27,80 | 25,80 |
| W | J/g | 20.509 | 20.520 |
| q | °C | 247 | 248 |
| Tonset | °C | 706 | 689 |
| t98% | min | 26,8 | 24,8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
Ti: Tempo de ignição; H: Altura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico; W: Largura na metade do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico; q: Área do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico;Tonset: Temperatura de início do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico;Tend: Temperatura final do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico;t98%: Tempo de queima completa;T98%: Tempo de queima completa; v: taxa média de combustão;Vmax: Taxa máxima de perda de massa
Tabela 3: Três parâmetros dos índices de avaliação dos carvões A e B.
| Parâmetro | Unidade | Carvão A | Carvão B |
|---|---|---|---|
| Intensidade de combustão, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensidade média de liberação de calor, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Índice característico de combustão, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Conclusão
As características de combustão de amostras de carvão podem ser estudadas por meio do Analisador de Análise Termográfica ( NETZSCH, STA) Jupiter®. Os parâmetros básicos das amostras de carvão durante o processo de aquecimento podem ser obtidos a partir das curvas de TGA, DTG e DSC, tais como temperatura de ignição, liberação de calor e tempo de queima completa.
Com base nos parâmetros térmicos derivados, é possível calcular índices abrangentes adicionais — a saber, intensidade de queima, intensidade média de liberação de calor e índice de característica de combustão. Esses indicadores de avaliação fornecem uma descrição integrada do comportamento de combustão do carvão e permitem uma comparação mais confiável entre diferentes amostras de carvão, auxiliando assim na seleção do carvão mais adequado para uma determinada aplicação.
Introdução
O carvão é o principal combustível para a produção de cimento na China e representa um dos indicadores mais importantes do consumo de combustível bruto na produção de cimento. A qualidade do carvão influencia não apenas o rendimento e a qualidade da produção de clínquer de cimento, mas também seus custos, uma vez que o carvão de alta qualidade, com maior poder calorífico, permite temperaturas de processo mais elevadas ou, a temperatura de processo constante, reduz a demanda por carvão, gerando, assim, economia nos custos com combustível. Métodos modernos de ensaio e o aprimoramento da qualidade do carvão são fatores importantes para garantir uma redução no consumo de carvão e uma melhoria na qualidade dos produtos de cimento.
O comportamento de combustão do carvão na indústria cimenteira é complexo. Os métodos convencionais de avaliação analítica industrial [1] não são mais aplicáveis. Um exemplo é a calorimetria adiabática, na qual o carvão é colocado em um recipiente AdiabáticoAdiabático descreve um sistema ou modo de medição sem nenhuma troca de calor com o ambiente. Esse modo pode ser realizado usando um dispositivo de calorímetro de acordo com o método de calorimetria de taxa acelerada (ARC®). O principal objetivo desse dispositivo é estudar cenários e reações de fuga térmica. Uma breve descrição do modo adiabático é "sem entrada de calor - sem saída de calor".adiabático e o conteúdo de calor do carvão é calculado por meio da medição da variação de temperatura no interior do recipiente. Embora esse método exija apenas equipamentos simples, os resultados das medições são relativamente imprecisos.
Neste trabalho, a caracterização dos materiais de dois tipos de carvão é realizada por meio de análise térmica simultânea, utilizando um instrumento STA Jupiter® da empresa NETZSCH. Com base nos resultados da termogravimetria (TG) e da calorimetria diferencial (DSC), foram determinados importantes parâmetros de combustão, incluindo as temperaturas de início e fim (Tonset,Tend) da exotermia, a temperatura de perda de massa inicial (Ti), a taxa máxima de perda de massa (Vmax), o calor ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico total (q) e a taxa média de combustão (v).
Com base nesses parâmetros, foram determinados os índices de avaliação
- intensidade de combustão (I),
- intensidade média de liberação de calor (Q) e
- o índice característico de combustão (S)
foram calculados. Esses índices fornecem uma base quantitativa para a avaliação do desempenho da combustão do carvão. Os requisitos para o uso do carvão na indústria de cimento são um comportamento de combustão ideal, caracterizado por baixa intensidade de combustão, alta intensidade média de liberação de calor e um alto índice característico de combustão. Isso reflete um equilíbrio favorável entre o comportamento de ignição, a liberação de calor e a reatividade geral.
Método e parâmetros de medição
Duas amostras diferentes de carvão (carvão A e B, com massa de aproximadamente 10 mg) foram aquecidas da temperatura ambiente até 1.000 °C a uma taxa de aquecimento de 10 K/min no ar. A Tabela 1 apresenta todos os parâmetros importantes das curvas de TG e DSC, juntamente com seus símbolos, unidades e definições.
Índices de combustão:
Os valores medidos individualmente são posteriormente utilizados para determinar a intensidade de combustão, a intensidade média de liberação de calor e o índice característico de combustão [2] (consulte a Tabela 1 para as abreviações).
a) Intensidade de combustão (I)
A intensidade de combustão do carvão indica a intensidade da liberação instantânea de calor nesse ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.processo exotérmico e é definida como:
b) Intensidade média de liberação de calor (Q)
A intensidade exotérmica média do carvão indica a quantidade de calor liberada por unidade de massa de carvão e por unidade de temperatura durante o período que vai do início ao fim da atividade exotérmica do carvão e é definida como:
c) Índice de características de combustão (S)
As características de combustão do carvão constituem indicadores abrangentes de sua qualidade, incluindo inflamabilidade, ponto de ignição, intensidade de combustão e duração da combustão. A partir desses aspectos e levando em consideração a literatura pertinente
Tabela 1: Parâmetros importantes das curvas de TG e DSC, com símbolo, unidade e definição.
| Parâmetro | Símbolo | Unidade | Definição |
|---|---|---|---|
| Termogravimetria (TG) | |||
| Temperatura de início da perda de massa | Ti | °C | A temperatura na qual a amostra começa a perder massa (temperatura de ignição). |
| Tempo de combustão | t98% | min | Tempo necessário para queimar 98% do combustível. |
| Temperatura de combustão | T98% | °C | Temperatura na qual 98% do combustível já foi queimado. |
| Taxa média de combustão | V | %/min | Perda de massa total dividida pelo tempo de combustão. |
| Termogravimetria diferencial (DTG) | |||
| Taxa máxima de perda de massa | Vmax | %/min | A taxa máxima de perda de massa. |
| Calorimetria diferencial de varredura (DSC) | |||
| Temperatura de início do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico | Início | °C | Temperatura no início do efeito ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico. |
| Temperatura final do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico | Tend | °C | Temperatura no final do efeito ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico. |
| Área do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico | q | J/g | Entalpia de combustão da amostra. |
| Altura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico | H | mW/mg | Altura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico em relação à linha de base do DSC. |
| Largura à meia altura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico | W | min | Tempo correspondente à meia largura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico. |
Resultados e Discussão
As curvas de TG e DSC do carvão A e do carvão B são apresentadas nas figuras 1 e 2. Ambas as amostras apresentam duas etapas de perda de massa. A primeira, até aproximadamente 150 °C, pode ser presumivelmente atribuída à liberação de umidade. Em comparação, o carvão A e o carvão B apresentam teores de umidade semelhantes nessa faixa (1,8% e 1,6%, respectivamente). A segunda etapa de perda de massa, consideravelmente maior, corresponde à Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição térmica e à combustão das amostras de carvão.
As curvas fornecem os parâmetros básicos das propriedades térmicas dos dois tipos de carvão. A Tabela 2 apresenta os resultados para cada amostra.
As temperaturas de ignição da amostra de carvão A (412 °C) e da amostra de carvão B (416 °C) apresentam valores semelhantes, sendo a temperatura da amostra de carvão B ligeiramente mais elevada. Quanto mais elevada for a temperatura de ignição, mais difícil será inflamar o carvão. A entalpia de combustão do carvão B também é superior à do carvão A. Quanto maior for a entalpia de combustão, melhor será a qualidade do carvão. Outro parâmetro importante no uso do carvão é o tempo de combustão: quanto maior a duração, pior o desempenho da combustão. Uma comparação entre ambas as amostras mostra que a amostra de carvão A, com quase 28 minutos, está ligeiramente acima da amostra de carvão B (aproximadamente 26 minutos).
Os três parâmetros de avaliação para os dois tipos de carvão estão listados na tabela 3. Para a indústria de cimento, quanto maior o índice de característica de combustão (S), melhor é o desempenho de combustão do carvão e melhor é sua qualidade. No entanto, o desempenho geral de combustão do carvão não pode ser determinado apenas a partir desse índice. A intensidade de combustão (I) e a intensidade média de liberação de calor (Q) também devem ser consideradas. O carvão utilizado deve, portanto, apresentar baixa intensidade de combustão (I), alta intensidade média de liberação de calor (Q) e um alto índice de característica de combustão (S) para ser adequado ao uso na indústria de cimento.
Tendo isso em conta e com base na tabela 3, pode-se observar que o carvão A apresenta melhor desempenho de combustão do que o carvão B, devido à sua menor intensidade de combustão e ao seu índice de característica de combustão mais elevado.
Tabela 2: Resultados das medições de TG e DSC das amostras de carvão A e B.
| Parâmetro | Unidade | Carvão A | Carvão 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 |
| Início da reação | °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 de ignição; H: altura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico; W: meia-largura do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico; q: entalpia de combustão;Tonset: temperatura de início do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico;Tend: temperatura final do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor. exotérmico;t98%: tempo de combustão;T98%: temperatura de combustão; V: taxa média de combustão;Vmax: taxa máxima de perda de massa
Tabela 3: Parâmetros de combustão calculados das amostras de carvão A e B.
| Parâmetro | Unidade | Carvão A | Carvão B |
|---|---|---|---|
| Intensidade de combustão I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensidade média de liberação de calor Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Índice característico de combustão S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Resumo
As características de combustão de diferentes amostras de carvão podem ser investigadas utilizando o sistema de análise de combustão NETZSCH STA Jupiter®. Os parâmetros fundamentais das amostras de carvão durante o processo de combustão podem ser determinados a partir dos resultados das medições de TG, DTG e DSC, tais como a temperatura de ignição, a liberação de calor e o tempo de combustão.
Com base nesses valores medidos, índices abrangentes, tais como a intensidade de combustão, a intensidade média de liberação de calor e o índice de característica de combustão, podem ser calculados adicionalmente. Esses índices de avaliação fornecem uma descrição integrada do comportamento de combustão do carvão e permitem uma comparação mais confiável entre diferentes amostras de carvão, auxiliando na seleção do carvão mais adequado para uma determinada aplicação.