應用故事 | 水泥生產中煤的燃燒特性的評價

煤炭是我國水泥生產的主要燃料，是水泥生產原燃料消耗的主要指標之一，煤炭質量不僅影響水泥熟料煅燒的產量和質量，也關系到水泥生產成本的高低。

采用先進的測試手段，加強煤的質量管理，是保證降低煤耗，提高水泥產品質量的重要環節。水泥工業中煤的燃燒行為比較復雜，傳統的工業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）等基本參數推導出適用于水泥生產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（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Mass change：煤在燃燒過程中的熱失重百分數，M1，%；

殘余質量百分數Residual change：煤的殘余質量百分數，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%燃料量對應的溫度，℃；

平均燃燒速率v：總失重百分數/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的峰寬溫度的時間，W，min；

利用熱分析曲線的基本參數，可定義出以下三個評價指標參數：

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束放熱這段時間內的每單位質量的煤在每單

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（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，并結合相應文獻[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，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。對于水泥工業來說，燃燒特性指數（S）越大，煤的燃燒性能越佳，煤質越優，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（S）較高的煤，才能認為該煤的綜合性能是較優的。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（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

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量、熱量的變化規律，并可以獲得煤的著火溫度、放熱量和燃盡時間等基本參數，從而推導出適用于水泥工業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（S）。在水泥工業中，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（S）三者之間的關系，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（S）較高的煤，其綜合燃燒性能才是好的。

[1] A Arenillas，F 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

耐馳儀器公司應用實驗室