应用故事 | 水泥生产中煤的燃烧特性的评价

煤炭是我国水泥生产的主要燃料，是水泥生产原燃料消耗的主要指标之一，煤炭质量不仅影响水泥熟料煅烧的产量和质量，也关系到水泥生产成本的高低。

采用先进的测试手段，加强煤的质量管理，是保证降低煤耗，提高水泥产品质量的重要环节。水泥工业中煤的燃烧行为比较复杂，传统的工业分析评价方法已不能适用。本文利用德国耐驰同步热分析仪STA 449F5对煤进行热分析测试，通过煤的放热起始温度（Tonset）、放热结束温度（Tend）、最大热失重速率（Vmax）、热失重起始温度（Ti）、放热量（q）、平均燃烧速率（v）等基本参数推导出适用于水泥生产中煤的三个评价指标——燃烧烈度（I）、平均放热强度（Q）、燃烧特性指数（S）。

仪器：Netzsch STA 449F5

样品：标煤A、标煤B、标煤C

测试方法：室温～800度；升温速率：20K/min，样品质量：10mg左右；测试气氛：空气

煤的STA曲线中各个物理量的定义

1） 热重（TG）曲线：

热失重起始温度Onset：煤开始失重时的温度，即着火温度Ti，℃；

热失重百分数Mass change：煤在燃烧过程中的热失重百分数，M1，%；

残余质量百分数Residual change：煤的残余质量百分数，M2，%；

燃尽时间t98%：烧掉98%燃料量所需的时间，min；

燃尽温度T98%：烧掉98%燃料量对应的温度，℃；

平均燃烧速率v：总失重百分数/燃尽时间，%/min；

2） 热重一阶（DTG）曲线：

Vmax：最大热失重速率，%/min；

Peak：最大热失重速率所对应的温度，Tp，℃;

3）热流（DSC）曲线

放热起始温度Onset：煤开始放热的起始温度，Tonset，℃；

放热终止温度End：煤放热结束时的温度，Tend, ℃；

放热量Area：煤的放热量，q，J/g;

放热峰峰值Peak：煤的放热峰峰值（最大放热强度）温度，Tpeak，℃；

放热峰高度Height：放热峰峰值到DSC基线的高度，H，mW/mg;

放热峰半高峰宽度Width：放热峰半高峰所对应的峰宽温度的时间，W，min；

利用热分析曲线的基本参数，可定义出以下三个评价指标参数：

1）燃烧烈度（I）

    煤的燃烧烈度表示放热过程中瞬间放热的强烈程度，单位：mW/mg·min。将其定义为：放热峰高度H与半峰宽W的比值，I=H/W

2) 平均放热强度（Q）

    煤的平均放热强度表示煤从开始放热到结束放热这段时间内的每单位质量的煤在每单

位温度下的放热量，单位：J/g·℃。将其定义为：放热量/(放热终止温度-放热起始温度)，Q=q/（Tend- Tonset）

3）燃烧特性指数（S）

煤的燃烧特性是煤的一个综合性指标，包含了煤的易燃性、煤的着火点、煤的燃

烧猛烈程度和煤的燃尽时间，从这几个角度出发，并结合相应文献[1-2]，可以将其定义为：

如图1～3分别是标煤A、标煤B和标煤C的STA（TG-DSC）测试曲线。由STA曲线可得到3种标煤的热特性基本参数，列于表1。由表1可知，3种标煤的着火温度从大到小依次为：标煤C>标煤B>标煤A，着火温度反映了煤的着火难易程度，着火温度越低，表明煤着火越容易；3种标煤的放热量从大到小依次为：标煤C>标煤B>标煤A，放热量越大，表明煤质越好；3种标煤的燃尽时间从大到小依次为：标煤B>标煤C>标煤A，一般来说，燃尽所需的时间越长，燃尽性能越差。

表1还列出了这3种煤的三个评价指标参数。对于水泥工业来说，燃烧特性指数（S）越大，煤的燃烧性能越佳，煤质越优，但是不能单凭这单一指标判定煤的综合燃烧性能，我们还要考虑燃烧烈度（I）和平均放热强度（Q）的大小。只有满足燃烧烈度（I）不高、平均放热强度（Q）较大和燃烧特性指数（S）较高的煤，才能认为该煤的综合性能是较优的。由表1可知，标煤A的燃烧烈度较高（I>2 mW/mg·min），平均放热强度一般，燃烧特性指数（S<4）很低，故标煤A的综合燃烧性能较差；

标煤B的燃烧烈度虽然不高（I<2 mW/mg·min），但其平均放热强度低，这会造成热量不足。而标煤C的燃烧烈度不高（I<2 mW/mg·min），平均放热强度最大，燃烧特性指数也最高，故标煤C的综合燃烧性能最佳。

表1.  标煤A、标煤B和标煤C的热特性参数

图1. 标煤A的STA测试曲线

图2. 标煤B的STA测试曲线

图3. 标煤C的STA测试曲线

利用Netzsch STA 449F5可以对煤样品进行燃烧特性的研究，从TG、DTG和DSC曲线中可以得到煤在升温过程中的质量、热量的变化规律，并可以获得煤的着火温度、放热量和燃尽时间等基本参数，从而推导出适用于水泥工业用煤的三个评价指标——燃烧烈度（I）、平均放热强度（Q）和燃烧特性指数（S）。在水泥工业中，评价煤的燃烧性能，需要平衡燃烧烈度（I）、平均放热强度（Q）和燃烧特性指数（S）三者之间的关系，满足燃烧烈度（I）不高、平均放热强度（Q）较大和燃烧特性指数（S）较高的煤，其综合燃烧性能才是好的。

[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

耐驰仪器公司应用实验室