セメント製造における石炭の特性評価：重要な燃焼パラメータとその意義
はじめに
中国のセメント製造では、石炭が主要な燃料として使用されており、製造コストを左右する重要な要素の一つとなっています。石炭の品質は、セメントクリンカーの生産量や品質だけでなく、燃料コストにも影響します。発熱量の高い石炭を使用すれば、プロセス温度を高く設定できるほか、同じプロセス温度を維持する場合には石炭の消費量を削減できるためです。
そのため、高度な分析手法の導入と石炭の品質管理の強化は、燃料消費量の削減とセメント製品の品質向上において重要な役割を果たします。
セメント産業における石炭の燃焼挙動は複雑です。従来の工業分析法［1］だけでは、燃焼特性を十分に評価できない場合があります。例えば、断熱熱量計法では、石炭を断熱容器に入れ、容器内の温度変化から発熱量を算出します。この方法は装置構成が比較的単純である一方、測定精度には限界があります。
本研究では、NETZSCH製STA Jupiter® 同時熱分析装置を用いて、2種類の石炭試料の特性を評価しました。熱重量分析（TGA）、微分熱重量分析（DTG）、示差走査熱量測定（DSC）の各曲線から、着火温度、質量減少速度、発熱挙動、燃焼時間などのパラメータを求め、さらに3つの評価指標を算出しました。これらの指標を用いることで、石炭の燃焼性能を定量的に比較できます。
石炭の燃焼性能を評価する3つの指標
- 燃焼強度（I）：燃焼時の瞬間的な放熱強度を評価
- 平均発熱強度（Q）：燃焼期間における平均的な発熱の程度を評価
- 燃焼特性指数（S）：着火性や燃焼挙動などを総合的に評価
本研究では、セメント産業に適した石炭の燃焼特性として、低い燃焼強度（I）、高い平均発熱強度（Q）、高い燃焼特性指数（S）のバランスに着目しました。これらの指標を組み合わせることで、単一のパラメータでは把握しにくい燃焼性能の違いを評価します。
測定方法
実験では、石炭Aおよび石炭Bの2種類の試料を使用しました。各試料の質量は約10 mgです。室温（RT）から1000°Cまで、空気雰囲気下で10 K/minの一定速度で加熱しました。
TGA、DTG、DSCの各曲線から、質量減少の開始温度、最大質量減少率、発熱ピークの開始温度と終了温度、発熱量、燃焼完了時間などを評価しました。これらの基本パラメータを用いて、石炭Aと石炭Bの燃焼特性を比較しました。
評価指標の定義
熱分析曲線から得られる基本パラメータを用いて、以下の3つの評価指標を算出します［2］。各指標は異なる側面から石炭の燃焼性能を評価するため、相互に組み合わせて解釈することが重要です。
a）燃焼強度（I）
燃焼強度は、発熱反応における瞬間的な放熱の強さを表す指標です。燃焼時の熱放出の特徴を評価するために用いられます。
b）平均発熱強度（Q）
平均発熱強度は、発熱反応の開始から終了までの温度範囲において、石炭の単位質量・単位温度あたりに放出される熱量を表す指標です。
c）燃焼特性指数（S）
燃焼特性指数は、石炭の可燃性、着火温度、燃焼強度、燃焼時間などを考慮して、燃焼特性を総合的に評価するための指標です。関連文献［3–4］も踏まえ、異なる石炭試料の燃焼性能を比較する際に使用します。
なお、原文では各指標の数式が欠落しているため、本ページでは定義と評価上の意味を記載しています。数式を掲載する場合は、元資料の式を確認のうえ追加してください。
TGA・DTG・DSC曲線の評価パラメータ
表1に、熱分析曲線から得られる主なパラメータとその定義を示します。
| 分析手法 | パラメータ | 記号 | 単位 | 定義 |
|---|---|---|---|---|
| TGA 熱重量分析 |
質量減少の開始温度 | Ti | °C | 石炭が質量を失い始める温度。着火温度の評価に用います。 |
| 燃焼完了時間 | t98% | min | 燃料の98%が燃焼するまでに要する時間。 | |
| 燃焼完了温度 | T98% | °C | 燃料の98%が燃焼した時点に対応する温度。 | |
| DTG 微分熱重量分析 |
最大質量減少率 | Vmax | %/min | 測定中に観測される最大の質量減少率。 |
| DSC 示差走査熱量測定 |
発熱ピークの開始温度 | Tonset | °C | 発熱反応が始まる温度。 |
| 発熱ピークの終了温度 | Tend | °C | 発熱反応が終了する温度。 | |
| 発熱ピークの面積 | q | J/g | 石炭の単位質量あたりの発熱量。 | |
| 発熱ピークの高さ | H | 要確認 | DSCベースラインを基準とした発熱ピークの高さ。 |
結果と考察
石炭Aおよび石炭BのSTA曲線を図1、図2に示します。両試料とも、2段階の質量減少が観察されました。
最初の質量減少は150°Cまでの温度範囲で生じ、水分の放出に起因すると考えられます。石炭Aと石炭Bの質量減少率は、それぞれ1.8%と1.6%でした。この結果は、両試料の水分含有量が同程度であることを示しています。
2段階目では、より大きな質量減少が観察されました。これは、石炭の熱分解および燃焼に起因するものです。各曲線から得られるパラメータを比較することで、試料間の着火挙動や燃焼特性の違いを評価できます。
STA曲線から得られた基本パラメータを比較すると、着火温度は石炭Bの方が高く、石炭Aの方が低いことが分かりました。一般に、着火温度が低い石炭ほど着火しやすい傾向があります。
また、原文に示された発熱特性の比較では、石炭Bの方が石炭Aより高い値を示しています。燃焼完了時間は石炭Aの方が長く、石炭Bの方が短い結果となりました。燃焼時間が短いことは、所定の条件下で燃焼がより速く進行することを示す一つの目安になります。
ただし、燃焼性能を単一のパラメータだけで判断することはできません。燃焼強度（I）、平均発熱強度（Q）、燃焼特性指数（S）を組み合わせて評価する必要があります。
表2：石炭Aおよび石炭BのTGA・DSC測定結果
原文の表2では、一部の記号・単位・数値の対応関係が崩れているため、以下は対応関係を確認できる項目を中心に整理したものです。公開前に元資料との照合を推奨します。
| パラメータ | 記号 | 単位 | 石炭A | 石炭B |
|---|---|---|---|---|
| 着火温度 | Ti | °C | 412 | 416 |
| 発熱ピークの高さ | H | 要確認 | 27.80* | 25.80* |
| 発熱ピークの面積 | q | J/g | 20509* | 20520* |
| 発熱ピークの開始温度 | Tonset | °C | 247* | 248* |
| 発熱ピークの終了温度 | Tend | °C | 706* | 689* |
| 燃焼完了時間 | t98% | min | 26.8 | 24.8 |
| 燃焼完了温度 | T98% | °C | 692 | 676 |
* 原文の表記位置から対応関係を推定した値です。単位およびパラメータとの対応は、元資料で確認してください。
表3：石炭Aおよび石炭Bの燃焼評価指標
| 評価指標 | 単位 | 石炭A | 石炭B |
|---|---|---|---|
| 燃焼強度（I） | mW/(mg·min) | 0.440 | 0.525 |
| 平均発熱強度（Q） | J/(g·°C) | 44.721 | 46.594 |
| 燃焼特性指数（S） | 原文に記載なし | 5.46 × 10⁻⁹ | 5.35 × 10⁻⁹ |
表3によると、石炭Bは石炭Aよりも燃焼強度（I）と平均発熱強度（Q）が高い一方、燃焼特性指数（S）は石炭Aの方が高い値を示しました。
セメント産業における石炭の総合的な燃焼性能を評価する際には、燃焼特性指数だけでなく、燃焼強度や平均発熱強度も考慮する必要があります。本研究の評価基準に基づくと、石炭Aは3つの指標のバランスから、石炭Bよりも優れた総合的な燃焼性能を示すと考えられます。
結論
NETZSCH STA Jupiter®を用いることで、石炭の燃焼特性を熱分析によって評価できます。加熱中のTGA、DTG、DSC曲線から、着火温度、発熱量、燃焼完了時間などの基本パラメータを取得できます。
さらに、これらのパラメータから燃焼強度、平均発熱強度、燃焼特性指数といった評価指標を算出することで、異なる石炭試料の燃焼挙動を多角的に比較できます。
熱分析による石炭の燃焼性能評価
STAによる定量的な評価は、石炭の品質管理と燃料選定を支援し、セメント製造における燃料消費量の削減と安定した製品品質の実現に役立ちます。
参考文献
- L. Zhang, J. N. Pan, X. M. Zhang, “Fuzzy comprehensive evaluation of mining geological conditions of the No. 9 coal seam in the Linhuan coal mine, Huaibei coalfield, China,” Procedia Environmental Sciences, 12 (2012), pp. 9–16.
- C. X. Tao, L. Zhao, W. M. Yu, R. Z. Liu, Z. J. Hu, Q. L. Qian, “Evaluation method for coal combustion characteristics in the cement industry,” Journal of Wuhan University of Technology (Materials Science Edition), 25 (2010), pp. 174–178.
- A. Arenillas, F. Rubiera, “A TG/DTA study on the effect of coal blending on ignition behaviour,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 76 (2004), pp. 603–614.
- R. Z. Liu, Q. L. Qian, B. Bai, C. X. Tao, X. P. Peng, “Evaluation of coal based on combustion characteristics in the cement industry,” Cement Technology, 3 (2008), pp. 18–21.