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應(yīng)用故事 | 水泥生產(chǎn)中煤的燃燒特性的評價

更新時間:2023-05-06      點(diǎn)擊次數(shù):2379

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(biāo)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(jìn)的測試手段,加強(qiáng)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(jìn)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(biāo)——燃燒烈度(I)、平均放熱強(qiáng)度(Q)、燃燒特性指數(shù)(S)。

儀器:Netzsch STA 449F5

樣品:標(biāo)煤A、標(biāo)煤B、標(biāo)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?jǐn)?shù)Mass change:煤在燃燒過程中的熱失重百分?jǐn)?shù),M1,%;

殘余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)Residual change:煤的殘余質(zhì)量百分?jǐn)?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?jǐn)?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(qiáng)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(biāo)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(qiáng)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(qiáng)度(Q)

    煤的平均放熱強(qiáng)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(biāo),包含了煤的易燃性、煤的著火點(diǎn)、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(xiàn)[1-2],可以將其定義為:

如圖1~3分別是標(biāo)煤A、標(biāo)煤B和標(biāo)煤C的STA(TG-DSC)測試曲線。由STA曲線可得到3種標(biāo)煤的熱特性基本參數(shù),列于表1。由表1可知,3種標(biāo)煤的著火溫度從大到小依次為:標(biāo)煤C>標(biāo)煤B>標(biāo)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(biāo)煤的放熱量從大到小依次為:標(biāo)煤C>標(biāo)煤B>標(biāo)煤A,放熱量越大,表明煤質(zhì)越好;3種標(biāo)煤的燃盡時間從大到小依次為:標(biāo)煤B>標(biāo)煤C>標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(qiáng)度(Q)的大小。只有滿足燃燒烈度(I)不高、平均放熱強(qiáng)度(Q)較大和燃燒特性指數(shù)(S)較高的煤,才能認(rèn)為該煤的綜合性能是較優(yōu)的。由表1可知,標(biāo)煤A的燃燒烈度較高(I>2 mW/mg·min),平均放熱強(qiáng)度一般,燃燒特性指數(shù)(S<4)很低,故標(biāo)煤A的綜合燃燒性能較差;


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

表1.  標(biāo)煤A、標(biāo)煤B和標(biāo)煤C的熱特性參數(shù)

圖1. 標(biāo)煤A的STA測試曲線

圖2. 標(biāo)煤B的STA測試曲線

圖3. 標(biāo)煤C的STA測試曲線

利用Netzsch STA 449F5可以對煤樣品進(jìn)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(biāo)——燃燒烈度(I)、平均放熱強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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


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