Введение
Уголь является основным видом топлива, используемого при производстве цемента в Китае, а также одним из ключевых показателей потребления сырого топлива в цементной промышленности. Качество угля влияет не только на выход и качество цементного клинкера, но и на затраты на его производство, поскольку высококачественный уголь с более высокой теплотворной способностью позволяет повысить температуру технологического процесса или снизить расход угля при той же температуре, тем самым сокращая расходы на топливо. Современные методы испытаний и укрепление системы управления качеством угля являются важными составляющими обеспечения сокращения потребления угля и повышения качества цементной продукции.
Характеристики горения угля в цементной промышленности носят сложный характер. Традиционные промышленные методы аналитической оценки [1] больше не применимы. Одним из примеров является метод адиабатического калориметра, при котором уголь помещается в адиабатический контейнер, а его теплосодержание рассчитывается путем измерения изменения температуры внутри контейнера. Хотя этот метод использует простое оборудование, результаты измерений являются относительно неточными.
В данной работе характеристика угля проводится с использованием одновременного термического анализатора STA NETZSCH Jupiter®. Для определения ключевых параметров сгорания, включая начальную и конечную температуры экзотермической реакции (Tonset, Tend), температуру начала потери массы (Ti), максимальную скорость потери массы (Vmax), общее количество выделяемого тепла (q) и среднюю скорость горения (v). На основании этих параметров были определены три оценочных показателя:
- интенсивность горения (I),
- средняя интенсивность тепловыделения (Q) и
- характеристический индекс сгорания (S)
. Эти показатели служат количественной основой для оценки эффективности сгорания угля. В цементной промышленности уголь с оптимальными характеристиками сгорания характеризуется низкой интенсивностью сгорания (I), высокой средней интенсивностью тепловыделения (Q) и высоким индексом характеристик сгорания (S), что отражает благоприятный баланс между воспламеняемостью, теплоотдачей и общей реакционной способностью.
Метод измерения
Для проведения серии экспериментов были отобраны два образца угля — уголь А и уголь В. Масса каждого образца составляла примерно 10 мг. Применяемая температурная программа охватывала диапазон от температуры окружающей среды (RT) до 1000 °C. Нагрев осуществлялся с постоянной скоростью 10 К/мин в атмосфере воздуха. В таблице 1 приведены все важные параметры кривых ТГА и ДСК вместе с соответствующими обозначениями, единицами измерения и определениями.
Определение параметров оценочных показателей
На основе основных параметров кривой термического анализа можно определить следующие три параметра оценочных показателей [2] (сокращения см. в таблице 1).
а) Интенсивность горения (I)
Интенсивность горения угля характеризует интенсивность мгновенного выделения тепла в ходе экзотермического процесса. Она определяется следующим образом:
б) Средняя интенсивность выделения тепла (Q)
Средняя интенсивность тепловыделения угля выражает количество тепла, выделяемого на единицу массы угля при единичном повышении температуры в течение периода от начала до окончания тепловыделяющей активности угля. Она определяется следующим образом:
c) Индекс характеристик горения (S)
Характеристики сгорания угля представляют собой комплексный показатель, включающий в себя воспламеняемость угля, температуру самовоспламенения угля, интенсивность горения угля и время горения угля. С учетом этих аспектов, а также с опорой на соответствующие литературные источники [3–4], можно
Таблица 1: Важные параметры кривых ТГА и ДСК с указанием обозначений, единиц измерения и определений.
| Параметр | Единица измерения | Определение | |
|---|---|---|---|
Термогравиметрия (TGA) | |||
| Температура начала потери массы | Ti | °C | Температура, при которой уголь начинает терять массу (температура возгорания). |
| Время полного сгорания | t98% | мин | Время, необходимое для сгорания 98 % топлива. |
| Температура полного сгорания | T98% | °C | Температура, соответствующая сгоранию 98 % топлива. |
| Средняя скорость сгорания | V | %/мин | Процент общей потери веса, деленный на время полного сгорания. |
Дифференциальная термогравиметрия (DTG) | |||
| Максимальная скорость потери массы | Vmax | %/мин | Максимальная скорость потери массы. |
Тепловой поток (ДСК) | |||
| Температура начала экзотермического пика | Tonset | °C | Температура угля в начале экзотермического эффекта |
| Конечная температура экзотермического пика | Tend | °C | Температура в конце экзотермического эффекта |
| Площадь пика экзотермической реакции | q | Дж/г | Экзотермическая мощность угля |
| Высота пика экзотермического эффекта | H | Высота экзотермического пика относительно базовой линии ДСК | |
| Половина ширины пика экзотермической кривой (ширина) | W | мин | Время, соответствующее ширине пика при половине высоты экзотермического пика. |
Результаты и обсуждение
Кривые STA угля А и угля В представлены на рисунках 1 и 2 соответственно. Как видно, оба образца демонстрируют два этапа потери массы. Первая — до 150 °C — обусловлена выделением влаги. Соответствующие потери массы для угля А и угля В составляют 1,8 % и 1,6 % соответственно, что свидетельствует о сопоставимом содержании влаги. Вторая, значительно более выраженная ступень потери массы, соответствует термическому разложению и сгоранию образцов угля.
По кривым STA можно определить основные параметры тепловых характеристик двух видов угля, которые приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, температуры самовоспламенения двух видов угля в порядке убывания следующие: уголь B > уголь A. Температура самовоспламенения отражает степень сложности воспламенения угля. Чем ниже температура самовоспламенения, тем легче уголь воспламеняется. Тепловыделение обоих видов угля в порядке убывания следующее: уголь B > уголь A; чем выше тепловыделение, тем выше качество угля. Время полного сгорания двух образцов угля в порядке убывания следующее: уголь А > уголь В. Как правило, чем дольше время полного сгорания, тем хуже показатели сгорания.
Три параметра оценочных показателей для двух видов угля приведены в таблице 2. Для цементной промышленности чем выше индекс характеристик сгорания (S), тем лучше показатели сгорания угля и тем выше его качество. Однако комплексные показатели сгорания угля нельзя определить только по этому единственному показателю. Необходимо также учитывать величину интенсивности горения (I) и среднюю интенсивность тепловыделения (Q). Только уголь с низкой интенсивностью горения (I), высокой средней интенсивностью тепловыделения (Q) и высоким индексом горении (S) обладает превосходными комплексными характеристиками.
Как видно из таблицы 3, уголь B имеет более высокую интенсивность горения и среднюю интенсивность тепловыделения, чем уголь A. Однако его индекс горении (5,35 × 10⁻⁹) ниже, чем у угля A (5,46 × 10⁻⁹). В целом уголь A обладает лучшими комплексными характеристиками сгорания.
Таблица 2: Результаты измерений методами ТГА и ДСК для углей А и В.
| Параметр | Единица измерения | Уголь A | Уголь B |
|---|---|---|---|
| °C | 412 | 416 | |
| Ti | м/Вт/мг | 12,24 | 13,16 |
| H | v | 27,80 | 25,80 |
| W | J/г | 20509 | 20520 |
| q | °C | 247 | 248 |
| Тонсет | °C | 706 | 689 |
| t98% | мин | 26,8 | 24,8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
Ti: время возгорания; H: высота экзотермического пика; W: ширина на половине высоты экзотермического пика; q: площадь экзотермического пика;Tonset: температура начала экзотермического пика;Tend: конечная температура экзотермического пика;t98%: время полного сгорания;T98%: температура 98-процентного сгорания; v: средняя скорость горения;Vmax: максимальная скорость потери массы
Таблица 3: Три показателя оценочных индексов углей А и В.
| Параметр | Единица измерения | Уголь A | Уголь B |
|---|---|---|---|
| Интенсивность горения, I | мВт/мг·мин | 0,440 | 0,525 |
| Средняя интенсивность тепловыделения, Q | Дж/г·°C | 44,721 | 46,594 |
| Характеристический показатель горения, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Заключение
Характеристики горения образцов угля можно изучить с помощью системы автоматического термического анализа NETZSCH (STA) Jupiter®. По кривым ТГА, ДТГ и ДСК можно определить основные параметры образцов угля в процессе нагрева, такие как температура возгорания, тепловыделение и время полного сгорания.
На основе полученных термических параметров можно рассчитать дополнительные комплексные показатели — а именно: интенсивность горения, средняя интенсивность тепловыделения и индекс характеристик горения. Эти оценочные показатели дают комплексное описание поведения угля при горении и позволяют провести более достоверное сравнение различных образцов угля, что способствует выбору наиболее подходящего угля для конкретного применения.
Введение
Уголь является основным топливом для производства цемента в Китае и представляет собой один из важнейших показателей потребления сырья и топлива в цементной промышленности. Качество угля влияет не только на выход и качество цементного клинкера, но и на себестоимость его производства, поскольку высококачественный уголь с более высокой теплотворной способностью позволяет поддерживать более высокие технологические температуры или, при постоянной температуре процесса, снижает потребность в угле, что приводит к экономии затрат на топливо. Современные методы испытаний и повышение качества угля являются важными факторами, обеспечивающими сокращение потребления угля и улучшение качества цементной продукции.
Характеристики сгорания угля в цементной промышленности носят сложный характер. Традиционные промышленные методы аналитической оценки [1] больше не применимы. Одним из примеров является адиабатическая калориметрия, при которой уголь помещается в адиабатическую камеру, а теплосодержание угля рассчитывается на основе измерения изменения температуры внутри камеры. Хотя этот метод требует лишь простого оборудования, результаты измерений являются относительно неточными.
В данной работе характеристика двух типов угля проводится посредством одновременного термического анализа с использованием прибора STA NETZSCH Jupiter®. На основании результатов термогравиметрического (TG) и дифференциального калориметрического (DSC) анализов были определены важные параметры горения, в том числе температуры начала и окончания (Tonset,Tend) экзотермической фазы, температура начальной потери массы (Ti), максимальная скорость потери массы (Vmax), общее количество выделенного тепла (q) и среднюю скорость горения (v).
На основе этих параметров были рассчитаны оценочные показатели
- интенсивность горения (I),
- средняя интенсивность тепловыделения (Q) и
- индекс характеристики сгорания (S)
. Данные показатели служат количественной основой для оценки горемостных характеристик угля. Требования к использованию угля в цементной промышленности заключаются в обеспечении оптимальных горемостных характеристик, выражающихся в низкой интенсивности горения, высокой средней интенсивности тепловыделения и высоком индексе горемостных характеристик. Это отражает благоприятный баланс между воспламеняемостью, тепловыделением и общей реакционной способностью.
Метод и параметры измерения
Два различных образца угля (уголь А и В, масса примерно 10 мг) нагревали в воздухе от комнатной температуры до 1000 °C со скоростью нагрева 10 К/мин. В таблице 1 приведены все важные параметры кривых ТГ и ДСК, а также их обозначения, единицы измерения и определения.
Показатели горения:
Отдельные измеренные значения впоследствии используются для определения интенсивности горения, средней интенсивности выделения тепла и характеристического показателя горения [2] (сокращения см. в таблице 1).
а) Интенсивность горения (I)
Интенсивность горения угля характеризует интенсивность мгновенного выделения тепла в ходе этого экзотермического процесса и определяется следующим образом:
б) Средняя интенсивность тепловыделения (Q)
Средняя интенсивность тепловыделения угля характеризует количество тепла, выделяемого на единицу массы угля и на единицу температуры в период с начала до окончания экзотермической активности угля, и определяется следующим образом:
c) Показатель характеристик горения (S)
Характеристики сгорания угля представляют собой комплексные показатели его качества, включая воспламеняемость, температуру воспламенения, интенсивность горения и продолжительность горения. Исходя из этих аспектов и с учётом соответствующих данных литературы
Таблица 1: Важные параметры кривых ТГ и ДСК с указанием обозначений, единиц измерения и определений.
| Параметр | Символ | Единица измерения | Определение |
|---|---|---|---|
| Термогравиметрия (TG) | |||
| Температура начала потери массы | Ti | °C | Температура, при которой образец начинает терять массу (температура возгорания). |
| Время горения | t98% | мин | Время, необходимое для сгорания 98 % топлива. |
| Температура сгорания | T98% | °C | Температура, при которой сгорело 98 % топлива. |
| Средняя скорость сгорания | V | %/мин | Общая потеря массы, деленная на время сгорания. |
| Дифференциальная термогравиметрия (ДТГ) | |||
| Максимальная скорость потери массы | Vmax | %/мин | Максимальная скорость потери массы. |
| Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) | |||
| Температура начала экзотермического пика | Tonset | °C | Температура начала экзотермического эффекта. |
| Температура окончания экзотермического пика | Tend | °C | Температура в конце экзотермического эффекта. |
| Площадь экзотермического пика | q | Дж/г | Энтальпия сгорания образца. |
| Высота пика экзотермической кривой | H | мВт/мг | Высота экзотермического пика относительно базовой линии ДСК. |
| Половина ширины экзотермического пика | W | мин | Время, соответствующее половине ширины экзотермического пика. |
Результаты и обсуждение
Кривые ТГ и ДСК угля А и угля В представлены на рисунках 1 и 2. Оба образца демонстрируют два этапа потери массы. Первый этап, продолжающийся до температуры примерно 150 °C, предположительно связан с выделением влаги. При этом содержание влаги в угле A и угле B в данном диапазоне температур схоже (1,8 % и 1,6 % соответственно). Второй, значительно более выраженный этап потери массы, соответствует термическому разложению и сгоранию образцов угля.
Эти кривые отражают основные параметры тепловых свойств двух типов угля. В таблице 2 приведены результаты по отдельным образцам.
Температуры возгорания образца угля А (412 °C) и образца угля В (416 °C) имеют схожие значения, причём температура образца угля В несколько выше. Чем выше температура возгорания, тем сложнее зажечь уголь. Энтальпия сгорания угля B также выше, чем у угля A. Чем выше энтальпия сгорания, тем выше качество угля. Ещё одним важным параметром при использовании угля является время сгорания: чем дольше оно длится, тем хуже показатели сгорания. Сравнение обоих образцов показывает, что время сгорания образца угля А, составляющее почти 28 минут, немного превышает аналогичный показатель для образца угля В (примерно 26 минут).
Три оценочных параметра для двух видов угля приведены в таблице 3. Для цементной промышленности чем выше индекс сгорания (S), тем лучше показатели сгорания угля и тем выше его качество. Однако общие показатели сгорания угля нельзя определить только по этому индексу. Необходимо также учитывать интенсивность сгорания (I) и среднюю интенсивность тепловыделения (Q). Таким образом, уголь, используемый в цементной промышленности, должен обладать низкой интенсивностью сгорания (I), высокой средней интенсивностью тепловыделения (Q) и высоким показателем сгорания (S).
С учётом вышесказанного и на основании данных таблицы 3 можно сделать вывод, что уголь А обладает лучшими горевыми характеристиками, чем уголь В, благодаря более низкой интенсивности горения и более высокому индексу горевых характеристик.
Таблица 2: Результаты измерений TG и DSC образцов угля A и B.
| Параметр | Единица измерения | Уголь A | Уголь B |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | мВт/мг | 12,24 | 13,16 |
| В | мин | 27,80 | 25,80 |
| q | Дж/г | 20509 | 20 520 |
| Тонсет | °C | 247 | 248 |
| Тенд | °C | 706 | 689 |
| t98% | мин | 26,8 | 24,8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
| V | %/мин | 3,150 | 3,394 |
Ti: температура воспламенения; H: высота экзотермического пика; W: полуширина экзотермического пика; q: энтальпия сгорания;Tonset: температура начала экзотермического пика;Tend: конечная температура экзотермического пика;t98%: время горения;T98%: температура горения; V: средняя скорость горения;Vmax: максимальная скорость потери массы
Таблица 3: Расчетные параметры сгорания образцов угля A и B.
| Параметр | Единица измерения | Уголь A | Уголь B |
|---|---|---|---|
| Интенсивность сгорания I | мВт/мг·мин | 0,440 | 0,525 |
| Средняя интенсивность тепловыделения Q | Дж/г·°C | 44,721 | 46,594 |
| Характеристический индекс горения S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Резюме
Характеристики сгорания различных образцов угля можно исследовать с помощью системы автоматического анализа сгорания NETZSCH STA Jupiter®. На основании результатов измерений ТГ (TG), ДТГ (DTG) и ДСК (DSC) можно определить основные параметры образцов угля в процессе сгорания, например, температуру самовоспламенения, тепловыделение и время сгорания.
На основе этих измеренных значений можно дополнительно рассчитать комплексные показатели, такие как интенсивность сгорания, средняя интенсивность тепловыделения и индекс характеристик сгорания. Эти оценочные показатели дают комплексное описание поведения угля при сгорании и позволяют проводить более достоверное сравнение различных образцов угля, что способствует выбору угля, наиболее подходящего для конкретного применения.