20.12.2012, Gliwice

LABORATORIUM ANALIZ TERMICZNYCH

KATEDRA TECHNOLOGII I URZĄDZEŃ ZAGOSPODAROWANIA ODPADÓW

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

TEMAT ĆWICZENIA LAB-8: ENERGIA Z ODPADÓW

GRUPA 2B:

Bożena Broncel

Agnieszka Danielczyk

Radosław Karoń

Karolina Zackiewicz

Katarzyna Zięba

Joanna Wszołek

Kacper Wachtarczyk

Agnieszka Skoczylas

Dorota Trzęsicka

Anna Smolarz

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zaprezentowanie zagadnień związanych z potencjałem energetycznym odpadów. Każda substancja, którą można nazwać odpadem, i którą nie można poddać procesowi odzyskiwania może stanowić cenny surowiec energetyczny. Wszystko jednak zależy od tego, ile energii jest zmagazynowanej w konkretnym odpadzie. W trakcie laboratoriów można było zapoznać się z metodą określania wartości kalorycznej różnych substancji.

1. Stanowisko pomiarowe

Aparatura: Kalorymetr automatyczny, bomba kalorymetryczna, tygiel kwarcowy, drut zapłonowy, butla tlenowa, próbka do badań.

Każda substancja posiada określone właściwości kaloryczne tzn. ciepło spalania oraz wartość opałową. Pierwszą właściwość określa się eksperymentalnie natomiast druga jest wyliczana ze wzorów aproksymacyjnych.

Bomba kalorymetryczna jest to element składowy kalorymetrów, które służą do pomiaru ciepła spalania. To grubościenne naczynie, z uszczelnioną pokrywą, wykonane najczęściej ze stali kwasoodpornej. Spala się w niej znaną ilość substancji za pomocą czystego tlenu, rejestrując zmiany temperatury.

Badanie substancji metoda bomby kalorymetrycznej polega na odważeniu 1 grama substancji palnej(odpadów komunalnych), po uprzednim jej wysuszeniu. Próbkę w postaci sypkiej wprowadza się do bomby kalorymetrycznej, następnie na dwie elektrody nawija się drucik tak aby zwoje zapaliły próbkę. Całość zamyka się i napełnia tlenem. Substancja musi być spalana w atmosferze utleniającej, przez co tlen jest konieczny. Bombę umieszcza się w kalorymetrze, podłącza przewody zapłonowe, zamyka się pokrywę i odczekuje 15 minut. W tym czasie następuje ustabilizowanie temperatur pomiędzy bombą a wodą w wewnętrznym naczyniu kalorymetrycznym. Po 15 minutach przyciskiem START uruchamia się proces pomiarowy. Po zakończeniu zostaje odczytana wartość ciepła spalania.

1. Przebieg doświadczenia

Do korpusu bomby wlano 10 cm³ wody aby sprawdzić udział substancji agresywnych: chlorków, azotanów, siarczanów i fosforanów. W tygielku umieszczono drobno mieloną i wysuszoną frakcję palną odpadów komunalnych( papier, tekstylia, tworzywa sztuczne). Tygielek umieszczono w specjalnym uchwycie następnie nawinięto spiralny drucik na elektrody. Przygotowaną bombę przepłukano tlenem pod ciśnieniem. Następnie postępowano zgodnie z instrukcją opisaną w punkcie drugim. Po spaleniu próbki przewody zostały odłączone. Osuszoną ręcznikiem bombę odkręcono, spuszczając z niej najpierw powietrze. Po wyciągnięciu tygielka wnętrze bomby opłukano wodą.

1. Wyniki

Próbka do badań m=1,1200 g

Czas pomiaru: 10 min

t₁= 18,734 °C

t₂=18,688 °C

t₃=20,381°C

t₄=20,371 °C

Ciepło spalania W_g= 19165 $\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$

Skład chemiczny	c	h	o	n	s
Udziały masowe, %	47,60	6,00	32,90	1,20	0,30

Tabela 1. Skład elementarny substancji palnej [%m.s.].[2]

1. Obliczenia

W_d = W_g − 2500(9h + w)

Gdzie:

W_d – wartość opałowa substancji palnej

W_g – wartość ciepła spalania oznaczona metodą eksperymentalną – 19 165 $\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$

h – zawartość wodoru w próbce

w – zawartość wilgoci w próbce 

Po podstawieniu otrzymujemy:

Dla w=0

$$W_{d} = 19165\frac{\text{kJ}}{\text{kg}} - 2500\left( 9 \bullet 0,06 + 0 \right) = 17815\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

Dla w=10%

$$W_{d} = 19165\frac{\text{kJ}}{\text{kg}} - 2500\left( 9 \bullet 0,06 + 0,1 \right) = 17565\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

Dla w=50%

$$W_{d} = 19165\frac{\text{kJ}}{\text{kg}} - 2500\left( 9 \bullet 0,06 + 0,5 \right) = 16565\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

Dla w=100%

$$W_{d} = 19165\frac{\text{kJ}}{\text{kg}} - 2500\left( 9 \bullet 0,06 + 1 \right) = 15315\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

Obliczanie wartości opałowej za pomocą równań aproksymacyjnych:

$$W_{d} = 34080 \bullet c + 144450 \bullet h - 12560 \bullet \left( o - n \right) - 2500 \bullet \left( 9 \bullet h + w \right) = 19557,56\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

Obliczanie wartości opałowej za pomocą równania Dulonga:

$$W_{d} = 33900 \bullet c + 121400 \bullet \left( h - \frac{o}{8} \right) + 10500 \bullet s - 2500 \bullet w = 18459,33\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

1. Wnioski

Aby określić kaloryczność substancji niejednorodnej trzeba wykonać min. 10 prób.

Z powodu tego iż wykonano tylko jedną próbę, wyniki mogą odbiegać od normy. Błąd może wynikać również z faktu, iż substancji branej do pomiarów było o 0,200g więcej niż powinno.

Powodem także może być nieodczekanie 15 min. przed rozpoczęciem pomiaru co nie pozwoliło na wyrównanie temperatur między bombą kalorymetryczna a naczyniem.

Na wyniki pomiarów wpływ miało również otoczenie wokół przyrządu, które nie było odpowiednio zabezpieczone (kaloryfer znajdujący się w pobliżu urządzenia).

Tego typu badania są istotne dla  spalarni odpadów. Pomiar ciepła spalania substancji umożliwia dobranie odpowiedniej temperatury do rodzaju spalanej substancji, co w rezultacie pozwoli na bardziej efektywne spalanie. Podczas wykonywania doświadczenia próbka została całkowicie spalona a jej masa uległa zmniejszeniu.

1. Literatura

• [1] http://portalwiedzy.onet.pl/47865,,,,bomba_kalorymetryczna,haslo.html

• [2] „Paliwa formowane: biopaliwa i paliwa z odpadów w procesach termicznych” Andrzej J, Wandrasz, Janusz W. Wandrasz