應(yīng)用故事 | 水泥生產(chǎn)中煤的燃燒特性的評價

煤炭是我國水泥生產(chǎn)的主要燃料，是水泥生產(chǎn)原燃料消耗的主要指標之一，煤炭質(zhì)量不僅影響水泥熟料煅燒的產(chǎn)量和質(zhì)量，也關(guān)系到水泥生產(chǎn)成本的高低。

采用先進的測試手段，加強煤的質(zhì)量管理，是保證降低煤耗，提高水泥產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。水泥工業(yè)中煤的燃燒行為比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的工業(yè)分析評價方法已不能適用。本文利用德國耐馳同步熱分析儀STA 449F5對煤進行熱分析測試，通過煤的放熱起始溫度（Tonset）、放熱結(jié)束溫度（Tend）、最大熱失重速率（Vmax）、熱失重起始溫度（Ti）、放熱量（q）、平均燃燒速率（v）等基本參數(shù)推導(dǎo)出適用于水泥生產(chǎn)中煤的三個評價指標——燃燒烈度（I）、平均放熱強度（Q）、燃燒特性指數(shù)（S）。

儀器：Netzsch STA 449F5

樣品：標煤A、標煤B、標煤C

測試方法：室溫～800度；升溫速率：20K/min，樣品質(zhì)量：10mg左右；測試氣氛：空氣

煤的STA曲線中各個物理量的定義

1） 熱重（TG）曲線：

熱失重起始溫度Onset：煤開始失重時的溫度，即著火溫度Ti，℃；

熱失重百分數(shù)Mass change：煤在燃燒過程中的熱失重百分數(shù)，M1，%；

殘余質(zhì)量百分數(shù)Residual change：煤的殘余質(zhì)量百分數(shù)，M2，%；

燃盡時間t98%：燒掉98%燃料量所需的時間，min；

燃盡溫度T98%：燒掉98%燃料量對應(yīng)的溫度，℃；

平均燃燒速率v：總失重百分數(shù)/燃盡時間，%/min；

2） 熱重一階（DTG）曲線：

Vmax：最大熱失重速率，%/min；

Peak：最大熱失重速率所對應(yīng)的溫度，Tp，℃;

3）熱流（DSC）曲線

放熱起始溫度Onset：煤開始放熱的起始溫度，Tonset，℃；

放熱終止溫度End：煤放熱結(jié)束時的溫度，Tend, ℃；

放熱量Area：煤的放熱量，q，J/g;

放熱峰峰值Peak：煤的放熱峰峰值（最大放熱強度）溫度，Tpeak，℃；

放熱峰高度Height：放熱峰峰值到DSC基線的高度，H，mW/mg;

放熱峰半高峰寬度Width：放熱峰半高峰所對應(yīng)的峰寬溫度的時間，W，min；

利用熱分析曲線的基本參數(shù)，可定義出以下三個評價指標參數(shù)：

1）燃燒烈度（I）

    煤的燃燒烈度表示放熱過程中瞬間放熱的強烈程度，單位：mW/mg·min。將其定義為：放熱峰高度H與半峰寬W的比值，I=H/W

2) 平均放熱強度（Q）

    煤的平均放熱強度表示煤從開始放熱到結(jié)束放熱這段時間內(nèi)的每單位質(zhì)量的煤在每單

位溫度下的放熱量，單位：J/g·℃。將其定義為：放熱量/(放熱終止溫度-放熱起始溫度)，Q=q/（Tend- Tonset）

3）燃燒特性指數(shù)（S）

煤的燃燒特性是煤的一個綜合性指標，包含了煤的易燃性、煤的著火點、煤的燃

燒猛烈程度和煤的燃盡時間，從這幾個角度出發(fā)，并結(jié)合相應(yīng)文獻[1-2]，可以將其定義為：

如圖1～3分別是標煤A、標煤B和標煤C的STA（TG-DSC）測試曲線。由STA曲線可得到3種標煤的熱特性基本參數(shù)，列于表1。由表1可知，3種標煤的著火溫度從大到小依次為：標煤C>標煤B>標煤A，著火溫度反映了煤的著火難易程度，著火溫度越低，表明煤著火越容易；3種標煤的放熱量從大到小依次為：標煤C>標煤B>標煤A，放熱量越大，表明煤質(zhì)越好；3種標煤的燃盡時間從大到小依次為：標煤B>標煤C>標煤A，一般來說，燃盡所需的時間越長，燃盡性能越差。

表1還列出了這3種煤的三個評價指標參數(shù)。對于水泥工業(yè)來說，燃燒特性指數(shù)（S）越大，煤的燃燒性能越佳，煤質(zhì)越優(yōu)，但是不能單憑這單一指標判定煤的綜合燃燒性能，我們還要考慮燃燒烈度（I）和平均放熱強度（Q）的大小。只有滿足燃燒烈度（I）不高、平均放熱強度（Q）較大和燃燒特性指數(shù)（S）較高的煤，才能認為該煤的綜合性能是較優(yōu)的。由表1可知，標煤A的燃燒烈度較高（I>2 mW/mg·min），平均放熱強度一般，燃燒特性指數(shù)（S<4）很低，故標煤A的綜合燃燒性能較差；

標煤B的燃燒烈度雖然不高（I<2 mW/mg·min），但其平均放熱強度低，這會造成熱量不足。而標煤C的燃燒烈度不高（I<2 mW/mg·min），平均放熱強度最大，燃燒特性指數(shù)也最高，故標煤C的綜合燃燒性能最佳。

表1.  標煤A、標煤B和標煤C的熱特性參數(shù)

圖1. 標煤A的STA測試曲線

圖2. 標煤B的STA測試曲線

圖3. 標煤C的STA測試曲線

利用Netzsch STA 449F5可以對煤樣品進行燃燒特性的研究，從TG、DTG和DSC曲線中可以得到煤在升溫過程中的質(zhì)量、熱量的變化規(guī)律，并可以獲得煤的著火溫度、放熱量和燃盡時間等基本參數(shù)，從而推導(dǎo)出適用于水泥工業(yè)用煤的三個評價指標——燃燒烈度（I）、平均放熱強度（Q）和燃燒特性指數(shù)（S）。在水泥工業(yè)中，評價煤的燃燒性能，需要平衡燃燒烈度（I）、平均放熱強度（Q）和燃燒特性指數(shù)（S）三者之間的關(guān)系，滿足燃燒烈度（I）不高、平均放熱強度（Q）較大和燃燒特性指數(shù)（S）較高的煤，其綜合燃燒性能才是好的。

[1] A Arenillas，F(xiàn) Rubiera．A TG／DTA study on the effectofcoal blending O13ignition behavior. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 76(2004), 603-614.

[2] RZ Liu，QL Qian，B Bai，CX Tao，XP Peng. Coal Assessment Based on Combustion Characteristics in Cement Industry. Cement Technology, 3(2008)18-21.

作者

盛沈俊

耐馳儀器公司應(yīng)用實驗室