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