Inledning
Kol är det viktigaste bränslet som används vid cementtillverkning i Kina och en av de viktigaste indikatorerna på förbrukningen av råbränsle vid cementtillverkning. Kolets kvalitet påverkar inte bara utbytet och kvaliteten vid tillverkningen av cementklinker, utan även kostnaderna, eftersom högkvalitativt kol med högre värmevärde möjliggör högre processtemperaturer eller minskar kolförbrukningen vid samma processtemperatur, vilket därmed sänker bränslekostnaderna. Avancerade testmetoder och en förstärkt kvalitetshantering av kolet är viktiga faktorer för att säkerställa en minskning av kolförbrukningen och en förbättring av cementprodukternas kvalitet.
Kolets förbränningsbeteende inom cementindustrin är komplext. Traditionella industriella analysmetoder [1] är inte längre tillämpliga. Ett exempel är den adiabatiska kalorimetermetoden, där kolet placeras i en AdiabatiskAdiabatiskt beskriver ett system eller mätläge utan någon värmeväxling med omgivningen. Detta läge kan realiseras med hjälp av en kalorimeteranordning enligt metoden för accelererande hastighetskalorimetri (ARC®). Huvudsyftet med en sådan anordning är att studera scenarier och termiska flyktreaktioner. En kort beskrivning av det adiabatiska läget är "ingen värme in - ingen värme ut".adiabatisk behållare och dess värmeinnehåll beräknas genom att mäta temperaturförändringen inuti behållaren. Även om denna metod använder enkel utrustning är mätresultaten relativt oprecisa.
I detta arbete utförs materialkaraktäriseringen av kolet med hjälp av en simultan termisk analysator (STA) av typen ” NETZSCH ” Jupiter®. Termogravimetriska (TGA) och differentiella svepkalorimetriska (DSC) kurvor användes för att bestämma viktiga förbränningsparametrar, däribland start- och sluttemperaturer för exotermen (Tonset, Tend), initial massförlusttemperatur (Ti), maximal massförlusthastighet (Vmax), total ExotermEn provövergång eller en reaktion är exoterm om värme genereras.exoterm värme (q) och genomsnittlig förbränningshastighet (v). Baserat på dessa parametrar fastställdes tre utvärderingsindex:
- förbränningsintensitet (I),
- genomsnittlig värmeavgivningsintensitet (Q) samt
- förbränningskarakteristikindexet (S)
beräknades. Dessa index utgör en kvantitativ grund för bedömning av kolförbränningens prestanda. Inom cementindustrin kännetecknas kol med optimalt förbränningsbeteende av låg förbränningsintensitet (I), hög genomsnittlig värmeavgivningsintensitet (Q) och ett högt förbränningsegenskapsindex (S), vilket återspeglar en gynnsam balans mellan antändningsbeteende, värmeavgivning och total reaktivitet.
Mätmetod
För försöksserien valdes två kolprover ut – kol A och kol B. Varje prov hade en massa på cirka 10 mg. Temperaturprogrammet sträckte sig från rumstemperatur (RT) till 1000 °C. Uppvärmningen skedde med en konstant hastighet på 10 K/min i en luftatmosfär. Tabell 1 visar alla viktiga parametrar för TGA- och DSC-kurvorna tillsammans med motsvarande symbol, enhet och definition.
Fastställande av parametrar för utvärderingsindex
Med hjälp av de grundläggande parametrarna i den termiska analyskurvan kan följande tre utvärderingsindexparametrar definieras [2] (se tabell 1 för förkortningar).
a) Förbränningsintensitet (I)
Förbränningsintensiteten hos kol anger intensiteten hos den momentana värmeavgivningen i den exoterma processen. Den definieras som:
b) Genomsnittlig värmeavgivningsintensitet (Q)
Den genomsnittliga exoterma intensiteten hos kol uttrycker den mängd värme som frigörs per massenhet kol per temperaturenhet under perioden från början till slutet av kolets exotermiska aktivitet. Den definieras som:
c) Index för förbränningsegenskaper (S)
Kolets förbränningsegenskaper utgör ett samlat index för kolet, som omfattar kolets antändlighet, antändningspunkt, förbränningsintensitet och förbränningstid. Ur dessa perspektiv, i kombination med relevant litteratur [3–4], kan man
Tabell 1: Viktiga parametrar för TGA- och DSC-kurvorna med symbol, enhet och definition.
| Parameter | Enhet | Definition | |
|---|---|---|---|
Termogravimetri (TGA) | |||
| Starttemperatur för massförlusten | Ti | °C | Den temperatur vid vilken kolet börjar förlora vikt (antändningstemperatur). |
| Förbränningstid | t98% | min | Den tid som krävs för att förbränna 98 % av bränslet. |
| Utbränningstemperatur | T98 % | °C | Den temperatur som motsvarar förbränning av 98 % av bränslet. |
| Genomsnittlig förbränningshastighet | V | %/min | Den totala viktförlusten i procent dividerad med förbränningstiden. |
Differentialtermogravimetri (DTG) | |||
| Maximal massförlust | Vmax | %/min | Den maximala massförlusthastigheten. |
Värmeflöde (DSC) | |||
| Starttemperatur för den exoterma toppen | Tonset | °C | Kolets temperatur vid början av den exoterma effekten |
| Sluttemperatur för den exotermiska toppen | Tend | °C | Temperaturen vid slutet av den exotermiska effekten |
| Areal för den exotermiska toppen | q | J/g | Kols exotermiska kapacitet |
| Exotermt toppvärde | H | Exotermt toppvärdes höjd relativt DSC-baslinjen | |
| Halvbredden för den exotermiska toppen (bredd) | W | min | Tid som motsvarar toppbredden vid halva höjden av den exotermiska toppen. |
Resultat och diskussion
STA-kurvorna för kol A och kol B visas i figur 1 respektive figur 2. Som man kan se uppvisar båda proverna två steg av massförlust. Det första, upp till 150 °C, beror på avgivning av fukt. De motsvarande massförlusterna för kol A och kol B är 1,8 % respektive 1,6 %, vilket indikerar jämförbara fukthalter. Det andra, betydligt större massförluststeget motsvarar den termiska nedbrytningen och förbränningen av kolproverna.
Utifrån STA-kurvorna kan man utläsa de grundläggande parametrarna för de två koltypernas termiska egenskaper, vilka redovisas i tabell 1.
Som framgår av tabell 1 är antändningstemperaturerna för de två koltyperna i fallande ordning följande: kol B > kol A. Antändningstemperaturen återspeglar hur svårt det är att antända kolet. Ju lägre antändningstemperatur, desto lättare är det att antända kolet. De två koltypernas exoterma kapacitet i fallande ordning är följande: kol B > kol A; ju högre exoterma kapacitet, desto bättre är kolkvaliteten. Förbränningstiden för de två kolproverna i fallande ordning är följande: kol A > kol B. Generellt gäller att ju längre förbränningstiden är, desto sämre är förbränningsegenskaperna.
De tre utvärderingsparametrarna för de två koltyperna anges i tabell 2. För cementindustrin gäller att ju högre förbränningsegenskapsindex (S) är, desto bättre är kolets förbränningsegenskaper och desto bättre är kolkvaliteten. Kolets totala förbränningsegenskaper kan dock inte bestämmas utifrån endast detta index. Man bör även beakta storleken på förbränningsintensiteten (I) och den genomsnittliga värmeavgivningsintensiteten (Q). Endast kol med låg förbränningsintensitet (I), hög genomsnittlig värmeavgivningsintensitet (Q) och högt förbränningsegenskapsindex (S) uppvisar överlägsen samlad prestanda.
Som framgår av tabell 3 har kol B en högre förbränningsintensitet och genomsnittlig värmeavgivningsintensitet än kol A. Dess förbränningsegenskapsindex (5,35 × 10⁻⁹) är dock lägre än kol A:s (5,46 × 10⁻⁹). Generellt sett har kol A överlägsna övergripande förbränningsegenskaper.
Tabell 2: Mätresultat från TGA- och DSC-mätningarna av kol A och B.
| Parameter | Enhet | Kol A | Kol 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 |
| Tonset | °C | 706 | 689 |
| t98 % | min | 26,8 | 24,8 |
| T98 % | °C | 692 | 676 |
Ti: Antändningstid; H: Höjden på den exoterma toppen; W: Halvbredden på den exoterma toppen; q: Arean av den exoterma toppen;Tonset: Starttemperatur för den exoterma toppen;Tend: Sluttemperatur för den exoterma toppen;t98 %: Utbränningstid;T98 %: Utbränningstid; v: Genomsnittlig förbränningshastighet;Vmax: Maximal massförlust
Tabell 3: Tre utvärderingsparametrar för kol A och B.
| Parameter | Enhet | Kol A | Kol B |
|---|---|---|---|
| Förbränningsintensitet, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Genomsnittlig värmeavgivningsintensitet, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Förbränningsegenskapsindex, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Slutsats
Förbränningsegenskaperna hos kolprover kan studeras med hjälp av termisk analys ( NETZSCH, STA) Jupiter®. De grundläggande parametrarna för kolproverna under uppvärmningsprocessen kan utläsas ur TGA-, DTG- och DSC-kurvorna, såsom antändningstemperatur, värmeavgivning och utbränningstid.
Utifrån de härledda termiska parametrarna kan ytterligare omfattande index – dvs. förbränningsintensitet, genomsnittlig värmeavgivningsintensitet och förbränningsegenskapsindex – beräknas. Dessa utvärderingsindikatorer ger en helhetsbild av kolets förbränningsbeteende och möjliggör en mer tillförlitlig jämförelse mellan olika kolprover, vilket underlättar valet av det mest lämpliga kolet för en given tillämpning.
Inledning
Kol är det viktigaste bränslet för cementtillverkning i Kina och utgör en av de viktigaste indikatorerna för råbränsleförbrukningen inom cementtillverkningen. Kolkvaliteten påverkar inte bara utbytet och kvaliteten vid tillverkningen av cementklinker, utan även kostnaderna, eftersom högkvalitativt kol med högre värmevärde möjliggör högre processtemperaturer eller, vid konstant processtemperatur, minskar kolbehovet, vilket leder till besparingar i bränslekostnaderna. Moderna testmetoder och förbättring av kolkvaliteten är viktiga faktorer för att säkerställa en minskning av kolförbrukningen och en förbättring av cementprodukternas kvalitet.
Kolets förbränningsegenskaper inom cementindustrin är komplexa. Konventionella industriella analysmetoder [1] är inte längre tillämpliga. Ett exempel är AdiabatiskAdiabatiskt beskriver ett system eller mätläge utan någon värmeväxling med omgivningen. Detta läge kan realiseras med hjälp av en kalorimeteranordning enligt metoden för accelererande hastighetskalorimetri (ARC®). Huvudsyftet med en sådan anordning är att studera scenarier och termiska flyktreaktioner. En kort beskrivning av det adiabatiska läget är "ingen värme in - ingen värme ut".adiabatisk kalorimetri, där kol placeras i ett adiabatiskt kärl och kolets värmeinnehåll beräknas genom att mäta temperaturförändringen inuti kärlet. Även om denna metod endast kräver enkel utrustning är mätresultaten relativt oprecisa.
I detta arbete utförs materialkaraktärisering av två koltyper genom samtidig termisk analys med hjälp av ett STA-instrument NETZSCH Jupiter®. Baserat på resultaten från termogravimetri (TG) och differentiell kalorimetri (DSC) bestämdes viktiga förbränningsparametrar, däribland start- och sluttemperaturerna (Tonset,Tend) för den exoterma reaktionen, temperaturen vid den initiala massförlusten (Ti), den maximala massförlusthastigheten (Vmax), den totala exoterma värmen (q) samt den genomsnittliga förbränningshastigheten (v).
Utifrån dessa parametrar fastställdes utvärderingsindexen
- förbränningsintensitet (I),
- genomsnittlig värmeavgivningsintensitet (Q) samt
- förbränningskarakteristikindexet (S)
beräknades. Dessa index utgör en kvantitativ grund för utvärdering av kolets förbränningsprestanda. Kraven för kolanvändning inom cementindustrin är ett optimalt förbränningsbeteende genom låg förbränningsintensitet, hög genomsnittlig värmeavgivningsintensitet och ett högt förbränningsegenskapsindex. Detta återspeglar en gynnsam balans mellan antändningsbeteende, värmeavgivning och övergripande reaktivitet.
Metod och mätparametrar
Två olika kolprover (kol A och B, massa cirka 10 mg) upphettades från rumstemperatur till 1000 °C med en uppvärmningshastighet på 10 K/min i luft. Tabell 1 visar alla viktiga parametrar för TG- och DSC-kurvorna, tillsammans med deras symboler, enheter och definitioner.
Förbränningsindex:
De enskilda mätvärdena används därefter för att bestämma förbränningsintensitet, genomsnittlig värmeavgivningsintensitet och det karakteristiska förbränningsindexet [2] (se tabell 1 för förkortningar).
a) Förbränningsintensitet (I)
Förbränningsintensiteten hos kol anger intensiteten hos den momentana värmeavgivningen i denna exoterma process och definieras som:
b) Genomsnittlig värmeavgivningsintensitet (Q)
Den genomsnittliga exotermiska intensiteten hos kol anger den mängd värme som avges per massenhet kol och per temperaturenhet under perioden från början till slutet av kolets exotermiska aktivitet och definieras som:
c) Förbränningsegenskapsindex (S)
Kolets förbränningsegenskaper är omfattande indikatorer på dess kvalitet, inklusive antändlighet, antändningspunkt, förbränningsintensitet och förbränningstid. Utifrån dessa aspekter och med hänsyn till relevant litteratur
Tabell 1: Viktiga parametrar för TG- och DSC-kurvorna med symbol, enhet och definition.
| Parameter | Symbol | Enhet | Definition |
|---|---|---|---|
| Termogravimetri (TG) | |||
| Starttemperatur för massförlust | Ti | °C | Den temperatur vid vilken provet börjar förlora massa (antändningstemperatur). |
| Förbränningstid | t98% | min | Den tid som krävs för att 98 % av bränslet ska förbrännas. |
| Förbränningstemperatur | T98% | °C | Den temperatur vid vilken 98 % av bränslet har förbränts. |
| Genomsnittlig förbränningshastighet | V | %/min | Total massförlust dividerat med förbränningstiden. |
| Differentiell termogravimetri (DTG) | |||
| Maximal massförlust | Vmax | %/min | Den maximala massförlusthastigheten. |
| Differentiell svepkalorimetri (DSC) | |||
| Starttemperatur för den exoterma toppen | Tonset | °C | Temperatur vid början av den exoterma effekten. |
| Sluttemperatur för den exoterma toppen | Tend | °C | Temperatur vid slutet av den exoterma effekten. |
| Areal för den exoterma toppen | q | J/g | Provets förbränningsentalpi. |
| Toppens höjd vid den exotermiska kurvan | H | mW/mg | Den exoterma toppens höjd relativt DSC-baslinjen. |
| Halvbredden hos den exotermiska toppen | W | min | Tid som motsvarar halvbredden hos den exotermiska toppen. |
Resultat och diskussion
TG- och DSC-kurvorna för kol A och kol B visas i figurerna 1 och 2. Båda proverna uppvisar två steg av massförlust. Det första, upp till cirka 150 °C, kan antagligen hänföras till avgivning av fukt. Här uppvisar kol A och B liknande fukthalter (1,8 % respektive 1,6 %). Det andra, betydligt större steget i massförlusten motsvarar termisk nedbrytning och förbränning av kolproverna.
Kurvorna visar de grundläggande parametrarna för de två koltypernas termiska egenskaper. I tabell 2 redovisas resultaten för de enskilda proverna.
Antändningstemperaturerna för kolprov A (412 °C) och kolprov B (416 °C) uppvisar liknande värden, där temperaturen för kolprov B är något högre. Ju högre antändningstemperatur, desto svårare är det att antända kolet. Förbränningsentalpin för kol B är också högre än för kol A. Ju högre förbränningsentalpi, desto bättre kvalitet har kolet. En annan viktig parameter vid användning av kol är förbränningstiden: ju längre tid det tar, desto sämre är förbränningsegenskaperna. En jämförelse av de båda proverna visar att kolprov A, med en tid på nästan 28 minuter, ligger något över kolprov B (cirka 26 minuter).
De tre utvärderingsparametrarna för de två koltyperna anges i tabell 3. För cementindustrin gäller att ju högre förbränningsegenskapsindex (S) är, desto bättre är kolets förbränningsprestanda och desto bättre är dess kvalitet. Kolets totala förbränningsprestanda kan dock inte fastställas enbart utifrån detta index. Förbränningsintensiteten (I) och den genomsnittliga värmeavgivningsintensiteten (Q) måste också beaktas. Det kol som används bör därför ha låg förbränningsintensitet (I), hög genomsnittlig värmeavgivningsintensitet (Q) och ett högt förbränningsegenskapsindex (S) för att vara lämpligt för användning inom cementindustrin.
Med hänsyn till detta och med utgångspunkt i tabell 3 framgår det att kol A har bättre förbränningsegenskaper än kol B på grund av sin lägre förbränningsintensitet och sitt högre förbränningsegenskapsindex.
Tabell 2: Mätresultat från TG- och DSC-mätningarna av kolproverna A och B.
| Parameter | Enhet | Kol A | Kol B |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | mW/mg | 12,24 | 13,16 |
| W | min | 27,80 | 25,80 |
| q | J/g | 20 509 | 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: antändningstemperatur; H: höjden på den exoterma toppen; W: halvbredden på den exoterma toppen; q: förbränningsentalpi;Tonset: starttemperatur för den exoterma toppen;Tend: sluttemperatur för den exoterma toppen;t98 %: förbränningstid;T98 %: förbränningstemperatur; V: genomsnittlig förbränningshastighet;Vmax: maximal massförlust
Tabell 3: Beräknade förbränningsparametrar för kolproverna A och B.
| Parameter | Enhet | Kol A | Kol B |
|---|---|---|---|
| Förbränningsintensitet I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Genomsnittlig värmeavgivningsintensitet Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Förbränningsegenskapsindex S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Sammanfattning
Förbränningsegenskaperna hos olika kolprover kan undersökas med hjälp av systemet ” NETZSCH ” (STA) Jupiter®. Grundläggande parametrar för kolproverna under förbränningsprocessen kan bestämmas utifrån mätresultaten från TG-, DTG- och DSC-mätningar, till exempel antändningstemperatur, värmeavgivning och förbränningstid.
Utifrån dessa mätvärden kan dessutom omfattande index beräknas, såsom förbränningsintensitet, genomsnittlig värmeavgivningsintensitet och förbränningsegenskapsindex. Dessa utvärderingsindex ger en samlad beskrivning av kolets förbränningsbeteende och möjliggör en mer tillförlitlig jämförelse mellan olika kolprover, vilket underlättar valet av det kol som är bäst lämpat för en viss tillämpning.