Introducere
Cărbunele este principalul combustibil utilizat în producția de ciment din China și unul dintre indicatorii-cheie ai consumului de combustibil brut în producția de ciment. Calitatea cărbunelui afectează nu numai randamentul și calitatea producției de clincher de ciment, ci și costurile acesteia, întrucât cărbunele de înaltă calitate, cu o putere calorică mai mare, permite atingea unor temperaturi de proces mai ridicate sau reducerea consumului de cărbune la aceeași temperatură de proces, reducând astfel costurile cu combustibilul. Mijloacele avansate de testare și consolidarea managementului calității cărbunelui sunt elemente importante pentru a asigura reducerea consumului de cărbune și îmbunătățirea calității produselor din ciment.
Comportamentul de ardere al cărbunelui în industria cimentului este complex. Metodele tradiționale de evaluare analitică industrială [1] nu mai sunt aplicabile. Un exemplu este metoda calorimetriei adiabatice, în care cărbunele este plasat într-un recipient AdiabaticAdiabatic descrie un sistem sau un mod de măsurare fără niciun schimb de căldură cu mediul înconjurător. Acest mod poate fi realizat utilizând un dispozitiv calorimetric în conformitate cu metoda calorimetriei cu rată de accelerare (ARC®). Scopul principal al unui astfel de dispozitiv este de a studia scenariile și reacțiile termice scăpate de sub control. O scurtă descriere a modului adiabatic este "nu intră căldură - nu iese căldură".adiabatic, iar conținutul său termic este calculat prin măsurarea variației de temperatură din interiorul recipientului. Deși această metodă utilizează echipamente simple, rezultatele măsurătorilor sunt relativ inexacte.
În această lucrare, caracterizarea materialului cărbunelui se realizează cu ajutorul unui analizor termic simultan NETZSCH STA Jupiter®. Curbele termogravimetrice (TGA) și de calorimetrie diferențială de scanare (DSC) au fost utilizate pentru a determina parametrii-cheie ai combustiei, inclusiv temperaturile de început și de sfârșit ale reacției exotermice (Tonset, Tend), temperatura inițială de pierdere a masei (Ti), rata maximă de pierdere a masei (Vmax), căldura ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermică totală (q) și viteza medie de ardere (v). Pe baza acestor parametri, au fost stabiliți trei indici de evaluare,
- intensitatea combustiei (I),
- intensitatea medie de eliberare a căldurii (Q) și
- indicele caracteristic al arderii (S)
. Acești indici oferă o bază cantitativă pentru evaluarea performanței arderii cărbunelui. În industria cimentului, cărbunele cu un comportament optim de ardere se caracterizează printr-o intensitate scăzută a arderii (I), o intensitate medie ridicată a eliberării de căldură (Q) și un indice caracteristic de ardere ridicat (S), ceea ce reflectă un echilibru favorabil între comportamentul de aprindere, producția de căldură și reactivitatea generală.
Metoda de măsurare
Pentru seria experimentală, au fost selectate două probe de cărbune − cărbunele A și cărbunele B. Fiecare probă avea o masă de aproximativ 10 mg. Programul de temperatură aplicat s-a întins de la temperatura ambiantă (RT) până la 1000 °C. Încălzirea s-a efectuat cu o viteză constantă de 10 K/min, în atmosferă de aer. Tabelul 1 prezintă toți parametrii importanți ai curbelor TGA și DSC, împreună cu simbolul, unitatea și definiția corespunzătoare.
Stabilirea parametrilor indicilor de evaluare
Folosind parametrii de bază ai curbei de analiză termică, se pot defini următorii trei parametri ai indicilor de evaluare [2] (a se vedea tabelul 1 pentru abrevieri).
a) Intensitatea arderii (I)
Intensitatea de ardere a cărbunelui indică intensitatea eliberării instantanee de căldură în cadrul procesului exoterm. Aceasta se definește astfel:
b) Intensitatea medie a degajării de căldură (Q)
Intensitatea ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermică medie a cărbunelui exprimă cantitatea de căldură eliberată pe unitate de masă de cărbune pe unitate de temperatură în perioada cuprinsă între începutul și sfârșitul activității exoterme a cărbunelui. Aceasta se definește astfel:
c) Indicele caracteristicilor de ardere (S)
Caracteristicile de ardere ale cărbunelui constituie un indice cuprinzător al acestuia, incluzând inflamabilitatea cărbunelui, punctul de aprindere al cărbunelui, intensitatea arderii cărbunelui și durata de ardere a cărbunelui. Din aceste perspective, în combinație cu literatura de specialitate corespunzătoare [3-4], se poate
Tabelul 1: Parametri importanți ai curbelor TGA și DSC, cu simbolul, unitatea de măsură și definiția acestora.
| Parametru | Unitate | Definiție | |
|---|---|---|---|
Termogravimetrie (TGA) | |||
| Temperatura de debut a pierderii de masă | Ti | °C | Temperatura la care cărbunele începe să-și piardă din greutate (temperatura de aprindere). |
| Timpul de ardere completă | t98% | min | Timpul necesar pentru arderea a 98 % din combustibil. |
| Temperatura de ardere completă | T98% | °C | Temperatura corespunzătoare arderii a 98 % din combustibil. |
| Viteza medie de ardere | V | %/min | Procentul total de pierdere în greutate împărțit la timpul de ardere completă. |
Termogravimetrie diferențială (DTG) | |||
| Rata maximă de pierdere în masă | Vmax | %/min | Rata maximă de pierdere a masei. |
Fluxul de căldură (DSC) | |||
| Temperatura de debut a vârfului exoterm | Tonset | °C | Temperatura cărbunelui la începutul efectului exoterm |
| Temperatura finală a vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermic | Tend | °C | Temperatura la sfârșitul efectului exoterm |
| Aria vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermic | q | J/g | Capacitatea ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermică a cărbunelui |
| Înălțimea vârfului exoterm | H | Înălțimea vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermic raportată la linia de bază DSC | |
| Lățimea la jumătatea înălțimii vârfului exoterm (lățime) | W | min | Timpul corespunzător lățimii la jumătatea înălțimii vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermic. |
Rezultate și discuții
Curbele STA ale cărbunelui A și ale cărbunelui B sunt prezentate în figurile 1 și, respectiv, 2. După cum se poate observa, ambele probe prezintă două etape de pierdere de masă. Prima, până la 150 °C, se datorează eliberării umidității. Pierderile de masă corespunzătoare pentru cărbunele A și cărbunele B sunt de 1,8 % și, respectiv, 1,6 %, indicând conținuturi de umiditate comparabile. A doua etapă de pierdere de masă, substanțial mai mare, corespunde descompunerii termice și arderii probelor de cărbune.
Din curbele STA se pot obține parametrii de bază ai caracteristicilor termice ale celor două tipuri de cărbune, care sunt prezentați în tabelul 1.
După cum se poate observa în tabelul 1, temperaturile de aprindere ale celor două tipuri de cărbune, în ordine descrescătoare, sunt următoarele: cărbunele B > cărbunele A. Temperatura de aprindere reflectă gradul de dificultate al aprinderii cărbunelui. Cu cât temperatura de aprindere este mai scăzută, cu atât cărbunele se aprinde mai ușor. Capacitatea ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermică a celor două tipuri de cărbune, în ordine descrescătoare, este următoarea: cărbunele B > cărbunele A; cu cât capacitatea ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermică este mai mare, cu atât calitatea cărbunelui este mai bună. Timpul de ardere completă al celor două probe de cărbune, în ordine descrescătoare, este următorul: cărbunele A > cărbunele B. În general, cu cât timpul de ardere completă este mai lung, cu atât performanța de ardere este mai slabă.
Cei trei parametri ai indicilor de evaluare ai celor două tipuri de cărbune sunt prezentați în tabelul 2. Pentru industria cimentului, cu cât indicele caracteristic de ardere (S) este mai mare, cu atât performanța de ardere a cărbunelui este mai bună și cu atât calitatea cărbunelui este mai bună. Cu toate acestea, performanța globală de ardere a cărbunelui nu poate fi determinată doar pe baza acestui singur indice. Trebuie să luăm în considerare și valoarea intensității de ardere (I) și a intensității medii de degajare a căldurii (Q). Numai cărbunele cu o intensitate de ardere scăzută (I), o intensitate medie de degajare a căldurii ridicată (Q) și un indice caracteristic de ardere ridicat (S) prezintă o performanță globală superioară.
După cum se poate observa în tabelul 3, cărbunele B are o intensitate de ardere și o intensitate medie de degajare a căldurii mai mari decât cărbunele A. Cu toate acestea, indicele său caracteristic de ardere (5,35 × 10⁻⁹) este mai mic decât cel al cărbunelui A (5,46 × 10⁻⁹). În general, cărbunele A prezintă performanțe globale de ardere superioare.
Tabelul 2: Rezultatele măsurătorilor TGA și DSC efectuate pe cărbunii A și B.
| Parametru | Unitate | Cărbune A | Cărbune 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 |
| Tonset | °C | 706 | 689 |
| t98% | min | 26,8 | 24,8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
Ti: Timpul de aprindere; H: Înălțimea vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermic; W: Lățimea la jumătatea vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermic; q: Aria vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermic;Tonset: Temperatura de debut a vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermic;Tend: Temperatura finală a vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermic;t98%: Timpul de ardere completă;T98%: Timpul de ardere completă; v: viteza medie de ardere;Vmax: Viteza maximă de pierdere de masă
Tabelul 3: Trei parametri ai indicilor de evaluare pentru cărbunii A și B.
| Parametru | Unitate | Cărbunele A | Cărbune B |
|---|---|---|---|
| Intensitatea arderii, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensitatea medie de degajare a căldurii, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Indicele caracteristic de combustie, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Concluzie
Caracteristicile de ardere ale probelor de cărbune pot fi studiate cu ajutorul sistemului de analiză termogravimetrică NETZSCH STA Jupiter®. Parametrii de bază ai probelor de cărbune în timpul procesului de încălzire pot fi obținuți din curbele TGA, DTG și DSC, cum ar fi temperatura de aprindere, eliberarea de căldură și timpul de ardere completă.
Pe baza parametrilor termici derivați, se pot calcula indici suplimentari cuprinzători – și anume, intensitatea arderii, intensitatea medie a eliberării de căldură și indicele caracteristic de ardere. Acești indicatori de evaluare oferă o descriere integrată a comportamentului de ardere al cărbunelui și permit o comparație mai fiabilă între diferite probe de cărbune, sprijinind astfel selectarea celui mai potrivit cărbune pentru o anumită aplicație.
Introducere
Cărbunele este principalul combustibil utilizat în producția de ciment din China și reprezintă unul dintre cei mai importanți indicatori ai consumului de combustibil brut în acest proces. Calitatea cărbunelui influențează nu numai randamentul și calitatea producției de clincher de ciment, ci și costurile acesteia, întrucât cărbunele de înaltă calitate, cu o putere calorică mai mare, permite temperaturi de proces mai ridicate sau, la o temperatură constantă a procesului, reduce cererea de cărbune, economisind astfel costurile cu combustibilul. Metodele moderne de testare și îmbunătățirea calității cărbunelui sunt factori importanți pentru asigurarea unei reduceri a consumului de cărbune și a unei îmbunătățiri a calității produselor din ciment.
Comportamentul de ardere al cărbunelui în industria cimentului este complex. Metodele convenționale de evaluare analitică industrială [1] nu mai sunt aplicabile. Un exemplu este calorimetria AdiabaticAdiabatic descrie un sistem sau un mod de măsurare fără niciun schimb de căldură cu mediul înconjurător. Acest mod poate fi realizat utilizând un dispozitiv calorimetric în conformitate cu metoda calorimetriei cu rată de accelerare (ARC®). Scopul principal al unui astfel de dispozitiv este de a studia scenariile și reacțiile termice scăpate de sub control. O scurtă descriere a modului adiabatic este "nu intră căldură - nu iese căldură".adiabatică, în care cărbunele este plasat într-un vas AdiabaticAdiabatic descrie un sistem sau un mod de măsurare fără niciun schimb de căldură cu mediul înconjurător. Acest mod poate fi realizat utilizând un dispozitiv calorimetric în conformitate cu metoda calorimetriei cu rată de accelerare (ARC®). Scopul principal al unui astfel de dispozitiv este de a studia scenariile și reacțiile termice scăpate de sub control. O scurtă descriere a modului adiabatic este "nu intră căldură - nu iese căldură".adiabatic, iar conținutul de căldură al cărbunelui este calculat prin măsurarea variației de temperatură din interiorul vasului. Deși această metodă necesită doar echipamente simple, rezultatele măsurătorilor sunt relativ inexacte.
În această lucrare, caracterizarea materială a două tipuri de cărbune este realizată prin analiză termică simultană, utilizând un instrument STA „ NETZSCH ” Jupiter®. Pe baza rezultatelor termogravimetriei (TG) și ale calorimetriei diferențiale (DSC), au fost determinați parametri importanți ai combustiei, inclusiv temperaturile de început și de sfârșit (Tonset,Tend) ale exotermei, temperatura pierderii inițiale de masă (Ti), rata maximă de pierdere de masă (Vmax), căldura ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermică totală (q) și viteza medie de ardere (v).
Pe baza acestor parametri, au fost stabiliți indicii de evaluare
- intensitatea combustiei (I),
- intensitatea medie de eliberare a căldurii (Q) și
- indicele caracteristic de ardere (S)
. Acești indici oferă o bază cantitativă pentru evaluarea performanței de ardere a cărbunelui. Cerințele privind utilizarea cărbunelui în industria cimentului vizează un comportament optim de ardere, caracterizat printr-o intensitate scăzută a arderii, o intensitate medie ridicată a eliberării de căldură și un indice caracteristic de ardere ridicat. Acest lucru reflectă un echilibru favorabil între comportamentul de aprindere, eliberarea de căldură și reactivitatea generală.
Metoda și parametrii de măsurare
Două probe diferite de cărbune (cărbunele A și B, cu o masă de aproximativ 10 mg) au fost încălzite de la temperatura camerei la 1000 °C, cu o viteză de încălzire de 10 K/min, în aer. Tabelul 1 prezintă toți parametrii importanți ai curbelor TG și DSC, împreună cu simbolurile, unitățile și definițiile acestora.
Indici de combustie:
Valorile individuale măsurate sunt utilizate ulterior pentru a determina intensitatea combustiei, intensitatea medie de degajare a căldurii și indicele caracteristic al combustiei [2] (a se vedea tabelul 1 pentru abrevieri).
a) Intensitatea combustiei (I)
Intensitatea de ardere a cărbunelui indică intensitatea eliberării instantanee de căldură în cadrul acestui proces exoterm și este definită ca:
b) Intensitatea medie a degajării de căldură (Q)
Intensitatea medie a exoterismului cărbunelui indică cantitatea de căldură eliberată pe unitate de masă de cărbune și pe unitate de temperatură în perioada cuprinsă între începutul și sfârșitul activității exotermice a cărbunelui și se definește astfel:
c) Indicele caracteristicilor de ardere (S)
Caracteristicile de ardere ale cărbunelui sunt indicatori cuprinzători ai calității acestuia, incluzând inflamabilitatea, punctul de aprindere, intensitatea arderii și durata arderii. Din aceste perspective și ținând cont de literatura de specialitate relevantă
Tabelul 1: Parametri importanți ai curbelor TG și DSC, cu simbolul, unitatea de măsură și definiția acestora.
| Parametru | Simbol | Unitate | Definiție |
|---|---|---|---|
| Termogravimetrie (TG) | |||
| Temperatura de debut a pierderii de masă | Ti | °C | Temperatura la care proba începe să piardă din masă (temperatura de aprindere). |
| Timpul de ardere | t98% | min | Timpul necesar pentru arderea a 98 % din combustibil. |
| Temperatura de ardere | T98% | °C | Temperatura la care 98 % din combustibil a fost ars. |
| Viteza medie de ardere | V | %/min | Pierderea totală de masă împărțită la timpul de ardere. |
| Termogravimetrie diferențială (DTG) | |||
| Rata maximă de pierdere de masă | Vmax | %/min | Rata maximă de pierdere de masă. |
| Calorimetria diferențială de scanare (DSC) | |||
| Temperatura de debut a vârfului exoterm | Tonset | °C | Temperatura la începutul efectului exoterm. |
| Temperatura de sfârșit a picului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermic | Tend | °C | Temperatura la sfârșitul efectului exoterm. |
| Aria vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermic | q | J/g | Entalpia de combustie a probei. |
| Înălțimea vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermic | H | mW/mg | Înălțimea picului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermic raportată la linia de bază a DSC. |
| Lățimea la jumătate a picului exoterm | W | min | Timpul corespunzător lățimii la jumătate a exotermei. |
Rezultate și discuții
Curbele TG și DSC ale cărbunelui A și ale cărbunelui B sunt prezentate în figurile 1 și 2. Ambele probe prezintă două etape de pierdere de masă. Prima, până la aproximativ 150 °C, poate fi atribuită, probabil, eliberării de umiditate. În comparație, cărbunii A și B prezintă aici conținuturi de umiditate similare (1,8 % și, respectiv, 1,6 %). A doua etapă de pierdere de masă, considerabil mai mare, corespunde descompunerii termice și arderii probelor de cărbune.
Curbele prezintă parametrii de bază ai proprietăților termice ale celor două tipuri de cărbune. Tabelul 2 prezintă rezultatele pentru fiecare probă în parte.
Temperaturile de aprindere ale probei de cărbune A (412 °C) și ale probei de cărbune B (416 °C) prezintă valori similare, temperatura probei de cărbune B fiind ușor mai ridicată. Cu cât temperatura de aprindere este mai ridicată, cu atât este mai dificilă aprinderea cărbunelui. Entalpia de ardere a cărbunelui B este, de asemenea, mai mare decât cea a cărbunelui A. Cu cât entalpia de ardere este mai mare, cu atât calitatea cărbunelui este mai bună. Un alt parametru important în utilizarea cărbunelui este timpul de ardere: cu cât durata este mai lungă, cu atât performanța de ardere este mai slabă. O comparație între cele două probe arată că proba de cărbune A, cu o durată de aproape 28 de minute, se situează ușor peste proba de cărbune B (aproximativ 26 de minute).
Cei trei parametri de evaluare pentru cele două tipuri de cărbune sunt prezentați în tabelul 3. În industria cimentului, cu cât indicele caracteristic de ardere (S) este mai mare, cu atât performanța de ardere a cărbunelui este mai bună și cu atât calitatea acestuia este mai bună. Cu toate acestea, performanța generală de ardere a cărbunelui nu poate fi determinată doar pe baza acestui indice. Trebuie luate în considerare și intensitatea de ardere (I) și intensitatea medie de degajare a căldurii (Q). Prin urmare, cărbunele utilizat ar trebui să aibă o intensitate de ardere (I) scăzută, o intensitate medie de degajare a căldurii (Q) ridicată și un indice caracteristic de ardere (S) ridicat pentru a fi adecvat utilizării în industria cimentului.
Având în vedere aceste aspecte și consultând tabelul 3, se poate observa că cărbunele A are o performanță de ardere mai bună decât cărbunele B, datorită intensității sale de ardere mai scăzute și indicelui caracteristic de ardere mai ridicat.
Tabelul 2: Rezultatele măsurătorilor TG și DSC efectuate pe probele de cărbune A și B.
| Parametru | Unitate | Cărbune A | Cărbune B |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | mW/mg | 12,24 | 13,16 |
| W | min | 27,80 | 25,80 |
| q | J/g | 20509 | 20520 |
| 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 de aprindere; H: înălțimea vârfului ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermic; W: lățimea la jumătate a vârfului exotermic; q: entalpia de ardere;Tonset: temperatura de debut a vârfului exotermic;Tend: temperatura finală a picului exoterm;t98%: timpul de ardere;T98%: temperatura de ardere; V: viteza medie de ardere;Vmax: viteza maximă de pierdere de masă
Tabelul 3: Parametrii de ardere calculați pentru probele de cărbune A și B.
| Parametru | Unitate | Cărbune A | Cărbune B |
|---|---|---|---|
| Intensitatea de ardere I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensitatea medie de degajare a căldurii Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Indicele caracteristic de ardere S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Rezumat
Caracteristicile de ardere ale diferitelor probe de cărbune pot fi analizate cu ajutorul sistemului de analiză termogravimetrică „ NETZSCH ” STA Jupiter®. Parametrii fundamentali ai probelor de cărbune în timpul procesului de ardere pot fi determinați pe baza rezultatelor măsurătorilor TG, DTG și DSC, cum ar fi temperatura de aprindere, eliberarea de căldură și durata arderii.
Pe baza acestor valori măsurate, se pot calcula, în plus, indici cuprinzători, precum intensitatea arderii, intensitatea medie a eliberării de căldură și indicele caracteristic al arderii. Acești indici de evaluare oferă o descriere integrată a comportamentului de ardere al cărbunelui și permit o comparație mai fiabilă între diferite probe de cărbune, sprijinind selectarea cărbunelui cel mai potrivit pentru o anumită aplicație.