AKADEMIA TECHNICZNO - ROLNICZA
w BYDGOSZCZY
LABORATORIUM TERMODYNAMIKI
ĆWICZENIE NR 2
TEMAT: OZNACZANIE CIEPŁA SPALANIA I WARTOŚCI OPAŁOWEJ PALIW GAZOWYCH I CIEKŁYCH LEKKICH
skład grupy:
PIOTR ZIELIŃSKI
MAREK BARTNICZAK
grupa : A
sem: IV
rok akad.1996/97
OZNACZANIE CIEPŁA SPALANIA I WARTOŚCI OPAŁOWEJ PALIW GAZOWYCH I CIEKŁYCH LEKKICH
W zakres analizy technicznej paliw ciekłych wchodzi oznaczenie własności fizykochemicznych : gęstości, lepkości, temperatur zapłonu, mętnienia i krzepnięcia, ciepła spalania, wartości opałowej, zawartości siarki, wody i pozostałości po spopieleniu.
Paliwa gazowe są coraz częściej stosowane w energetyce i przemyśle ze względu na liczne zalety w porównaniu z innymi paliwami technicznymi. Podstawowe własności paliw gazowych stanowią: gęstość, ciepło spalania, wartość opałowa, liczba Wobbego, prędkość spalania, skład chemiczny i wartość zanieczyszczeń. Największe znaczenie w technice mają: gaz ziemny, gaz świetlny, gaz koksowniczy i wielkopiecowy. Liczbą Wobbego W nazywamy iloraz ciepła spalania gazu i pierwiastka kwadratowego z gęstości względnej tj. stosunku masy jednakowych objętości gazu i powietrza znajdujących się w tym samym ciśnieniu i temperaturze: W=[kJ/m3], gdzie: P- gęstość względna gazu, Q- ciepło spalania. Liczba Wobbego znajduje zastosowanie w obliczeniach palników gazowych przy zasilaniu ich różnymi gazami. Moc cieplna palnika jest proporcjonalna do liczby Wobbego. Dla utrzymania stałości mocy cieplnej palnika gazowego przy stałym ciśnieniu gazu przed dyszą, przy zmianie rodzaju gazu powinna być zachowana stałość liczby Wobbego. Oznaczenie gęstości paliw dokonuje się jedną z trzech niżej wymienionych metod: areometrem, wagą hydrostatyczną, piknometrem. Gęstość paliw ciekłych określana jest także wartością gęstości względnej. Gęstość względna określana jest jako stosunek masy określonej ilości paliwa do masy takiej samej ilości wody destylowanej w określonej temperaturze. Gęstość paliw gazowych wyraża masę 1 m3 gazu w warunkach normalnych tj. przy ciśnieniu 1013 hPa i temperaturze 00C (273,15 K). Pomiaru tego dokonuje się dwoma metodami: aparatem Schillinga lub aerometrem ciśnieniowym. Znając udziały objętościowe dla poszczególnych składników w paliwie można wyznaczyć ich gęstość, liczbę Wobbego ze składu, ciepło spalania i wartość opałową. Równania stechiometryczne są wykorzystywane do obliczenia zapotrzebowania tlenu i ilości powstałych produktów utlenienia się dla trzech głównych składników paliwa. Mają one postać:
C+O2=CO2 -402970 , H2+1/2O2=H2O para -242000
H2+1/2O2=H2O ciecz -286250 , S+O2=SO2 -334820
Przyjmując, że w paliwie znajduje się tylko węgiel ,siarka i wodór, to minimalna ilość tlenu potrzebna do całkowitego spalenia 1 kmola takiego paliwa wynosi: mt=1C+1/2H2+1S, gdzie mt - teoretyczne zapotrzebowanie tlenu. Do całkowitego spalenia 1 kmola paliwa wiedząc ,że udział molowy tlenu w powietrzu wynosi około 210/0 , stosujemy równanie mtp= , stąd współ. Nadmiaru powietrza ma postać: =mrzp/mtp . Zależności zachodzące między ciepłem spalania, a wartością opałową można zapisać równaniem: Qs=Qi+r mH2O kJ/kg , gdzie Qs- ciepło spalania, Qi -wartość opałowa, r- ciepło parowania wody (r=2500kJ/kg w warunkach normalnych), m- masa skroplin paliwa kg/kg. Na podstawie składu objętościowego paliw i na drodze bezpośredniego spalania można określić wartość opałową i ciepło spalania paliwa. Dla gazu wartość opałową obliczamy jako sumę iloczynów wartości opałowej poszczególnych składników przez ich udział objętościowy w mieszaninie. Ciepło spalania obliczamy w podobny sposób. Powszechnie stosowaną dla określenia ciepła spalania i wartości opałowej paliwa jest metoda bezpośredniego spalania. Metoda ta polega na spaleniu określonej masy lub objętości paliwa w przeponowym wymienniku ciepła i zmierzeniu ilości ciepła przekazanego wodzie chłodzącej. Aby spełniony został warunek całkowitego przekazania ciepła wodzie kalorymetr powinien znajdować się w stanie równowagi cieplnej. Dopływ paliwa, wody chłodzącej i powietrza do spalania powinien odbywać się ze stałą prędkością i o stałych temperaturach. Pomiar ciepła spalania i wartości opałowej paliw gazowych i lekkich ciekłych przeprowadza się w kalorymetrach przepływowych. Do najbardziej znanych należy kalorymetr Junkersa.
OZNACZANIE CIEPŁA SPALANIA PALIW STAŁYCH
Paliwa dzieli się na naturalne i sztuczne , a z punktu widzenia stanu skupienia na: stałe np.: węgiel , koks, drewno; ciekłe np.: oleje, benzyna i gazowe. Podstawowymi składnikami palnymi są związki chemiczne węgla, wodoru i siarki. Poza substancją palną paliwo zawiera także części niepalne zwane balastem jak: popiół ,wilgoć i inne. Siarka występująca w paliwach jest pierwiastkiem niepożądanym i obniżającym własności użytkowe. Spalając wydziela ciepło lecz powstające produkty spalania są szkodliwe dla środowiska i powodują korozję konstrukcji stalowych. Najistotniejszą cechą paliw stałych przy ocenie ich przydatności energetycznej jest wartość opałowa , ciepło spalania ,zawartość wilgoci i popiołu. Ciepło spalania QS jest to ilość ciepła wydzielająca się przy zupełnym spaleniu paliwa mierzona po skropleniu się pary wodnej wydzielonej podczas spalania i po ochłodzeniu się produktów spalania do temperatury początkowej składników pomniejszona o ilość ciepła wydzielonego przy syntezie i rozpuszczaniu H2SO4 i HNO3 . Wartością opałową QJ określone jest ciepło spalania paliwa pomniejszone o ilość niezbędną do odparowania wody znajdującej się w paliwie oraz powstałej ze spalenia wodoru zawartego w paliwie. Zależność między ciepłem spalania a wartością opałową ujmuje zależność: QJ=QS - rMW Wartości te wyznacza się jednym ze sposobów : pośrednio ze składu chemicznego paliwa oraz bezpośrednio spalając paliwo w bombie kalorymetrycznej. Metoda pośrednia zakłada, że wartość opałowa równa jest sumie iloczynów wartości opałowych poszczególnych składników i ich udziałów procentowych w paliwie. Powszechnie stosuje się metodę bezpośrednią. Pomiar polega na całkowitym spaleniu próbki paliwa w atmosferze tlenu pod ciśnieniem w bombie kalorymetrycznej umieszczonej w wodzie i na dokładnym wyznaczeniu efektów cieplnych spalania w postaci przyrostów temperatury tej wody. Podstawowym paliwem stosowanym w energetyce jest węgiel kamienny , brunatny i koks. Mniejsze znaczenie mają paliwa takie jak drewno i torf. Zasada pomiaru zawartości wilgoci polega na suszeniu próbki paliwa i wyznaczenia wagowego ubytku jej masy. Suszenie próbki przeprowadza się w temperaturze otoczenia do stałej wagi lub w suszarce laboratoryjnej w temperaturze 500C przez 8 h , a następnie w temp. otocznia. Zawartość wilgoci całkowitej dla węgla w stanie roboczym Wtr oblicza się ze wzoru: Wtr = Wex+Wh0/0 .
Popiół jest pojęciem określającym pozostałość składającą się z substancji mineralnych otrzymaną po całkowitym spaleniu paliwa. Zawartość popiołu w paliwie ma wpływ na jego jakość i przydatność. Oznaczenie zawartość popiołu polega na całkowitym spaleniu odważki paliwa stałego i wyprażeniu pozostałego popiołu. Zawartość części lotnych określa się metodą wagową. Są to lotne produkty rozkładu paliwa stałego wydzielające się z niego przy ogrzaniu go bez dostępu powietrza. Oznaczenie przeprowadza się w elektrycznym piecu muflowym z termoregulatorem. Procentową zawartość części lotnych w próbce analitycznej oblicza się w przypadku uwzględnienia zawartości CO2 z zależności Va= 100 - Wa - (CO2)aM+(CO2)Mk . Wpływ dwutlenku węgla na wynik oznaczenia można pominąć w przypadku ruchomych analiz węgla kamiennego.
Oznaczenie ciepła spalania próbek paliwa dokonuje się w bombie kalorymetrycznej w atmosferze tlenu o temperaturze 250C. Pojemność cieplną kalorymetru określa się stosując jako wzorzec termochemiczny kwas benzoesowy C6H5COOH o czystości 99,9 0/0 . Ciepło spalania paliwa stałego w stanie analitycznym kiedy oznaczono zawartości kwasu siarkowego i azotowego w paliwie obliczyć można z wzoru QS= , jeśli znana jest zawartość siarki w badanej próbce paliwa stałego do obliczania ciepła spalania korzystać można ze wzoru :
QS=- cJ .
Wartość opałową paliwa stałego w stanie analitycznym oblicza się z zależności : QI=QS-24,42(Wa+8,94Ha) J/g . Ciepło spalania paliw stałych i ciężkich paliw ciekłych wyznacza się w kalorymetrze. Zasada pomiaru polega na całkowitym spaleniu próbki paliwa w atmosferze tlenu pod ciśnieniem w bombie kalorymetrycznej zanurzonej w wodzie i na pomiarze przyrostu temperatury wody. Kalorymetr działa na zasadzie pomiaru charakterystycznych temperatur bilansu cieplnego. Obliczenia bilansu cieplnego dokonywane są według niżej podanej zależności: Q=K(T3-T2-k) gdzie Q-ciepło spalania próbki paliwa, K-stała kalorymetru, k-poprawka na wymianę ciepła z otoczeniem, T2-temperatura przed zapłonem paliwa, T3-maksymalna zmierzona temperatura.
Spalaniem teoretycznym nazwano spalanie całkowite i zupełne, w którym stosunki składników wyjściowych i produktów reakcji są zgodne ze znanymi z chemii zależnościami stechiometrycznymi. Głównymi palnymi składnikami paliw są związki węgla i wodoru. Proces spalania może być niecałkowity i niezupełny.
Spalanie niecałkowite występuje w zasadzie tylko przy paliwach stałych i charakteryzuje się zawartością części palnych w odpadach paleniskowych - w żużlu, przesypie i lotnym popiele. Przyczyną spalania niecałkowitego są niepalne substancje mineralne tworzące popiół, którego zawartość utrudnia dopalanie się paliwa.
Spalaniem niezupełnym nazywamy przemianę, w której w produktach spalania pojawiają się gazy palne CO, CH4 , H2 .
Zasada pomiaru ciepła spalania za pomocą bomby kalorymetrycznej.
Metoda wyznaczania ciepła spalania paliw stałych polega na całkowitym i zupełnym spaleniu próbki paliwa w atmosferze tlenu przy określonym ciśnieniu w bombie kalorymetrycznej i pomiarze przyrostu temperatury wody w naczyniu kalorymetrycznym oraz wyznaczeniu poprawek na dodatkowe efekty cieplne.
Wykonaną pastylkę wraz z wprasowanym drucikiem chromoniklowym waży się z dokładnością do 0,0002g , a następnie umieszcza się w tygielku bomby kalorymetrycznej. Przewody zapłonowe łączy się z elektrodami bomby, w naczyniu umieszcza się termometr i mieszadełko, a całość zamyka się pokrywkami.