Kontrola spalania

 

1. Cel ćwiczenia

 

Celem ćwiczenia jest oznaczenie składu spalin gazu miejskiego przy użyciu uproszczonego aparatu Orsata i/lub automatycznego miernika elektronicznego TESTO350, współczynnika nadmiaru powietrza λ. a także obliczenie temperatury spalin t _sp

 

 

2. Podstawy teoretyczne

 

W czasie spalania wyzwala się ciepło, które może być wykorzystane do ogrzewania lub może być zamienione na pracę. Maksymalną ilość ciepła otrzymuje się przy tzw. spalaniu całkowitym i zupełnym, to jest gdy po zakończeniu procesu spalania brak jest nie spalonych cząstek paliwa oraz gdy powstają niepalne tlenki, nie dające się dalej utleniać. Kontrolę procesu spalania umożliwia analiza spalin, która między innymi daje informację, czy prawidłowy jest nadmiar ilości powietrza dostarczonego do spalania, czy w spalinach nie występuje  tlenek węgla CO, którego obecność świadczy o niedostatecznej ilości tlenu do spalania.

Pełna analiza spalin obejmuje oznaczenie:

- składu chemicznego spalin,

- współczynnika nadmiaru powietrza,

- temperatury spalania,

- strat ciepła uchodzącego ze spalinami do otoczenia.

 

2.1. Definicje i wzory obliczeniowe

 

Spalaniem nazywamy proces gwałtownego utleniania przebiegającego z efektami cieplnymi i ewentualnie świetlnymi.

Źródłem tlenu do spalania jest najczęściej powietrze. Spalanie w tlenie lub w powietrzu wzbogaconym w tlen powoduje wzrost temperatury spalania.

Temperaturą zapłonu nazywamy temperaturę niezbędną do rozpoczęcia spalania.

Temperatura (punkt) zapłonienia jest to temperatura, przy której zapalają się gazy wydzielające się z podgrzanego paliwa płynnego. Właściwe zapalenie zachodzi w wyższej temperaturze.

Składnikami palnymi paliwa są: C i H₂ lub ich związki oraz S (szkodliwa).

Składnikami niepalnymi paliwa są:  O₂, N₂, popiół, wilgoć.

Wartość opałowa “w_op.” paliwa, jest to efekt cieplny reakcji spalania, odniesiony do temperatury O ^oC tak, by para wodna w spalinach nie uległa skropleniu.

Ciepło spalania “w_sp.”paliwa , jest to ilość ciepła jaka wydziela się przy spalaniu jednostki masy lub objętości paliwa przy jego całkowitym i zupełnym spaleniu - jeśli wszystkie produkty wracają do temperatury początkowej w takim stanie skupienia,      w jakim znajdują się w stanie równowagi trwałej (para wodna znajdująca się w spalinach musi ulec skropleniu i oddać ciepło).

                                                                                                       (1)

gdzie:

r	-	ciepło parowania,
w	-	wilgotność spalin,
k	-	ilość wody powstała wskutek spalenia H2.

 

            , (kJ/kg)      (2)

Rodzaje paliw:

Stałe:         węgiel kamienny, koks, węgiel brunatny.

Ciekłe:      ropa i jej produkty. Paliwa ciekłe charakteryzują się dużą wartością opałową oraz brakiem popiołu i wilgoci

Gazowe:   gaz ziemny (zawiera zwykle ok. 90 % CH₄).

Sztuczne:   gaz świetlny, zwany również gazem miejskim. (produkt odgazowania paliw stałych w retortach, polegającym na jego ogrzewaniu bez dostępu powietrza,

gaz generatorowy. Jest to gaz powstający w procesie  niezupełnego spalenia paliw stałych składa się głównie z CO i ewent. H₂

 

Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza “L_t” do spalania, obliczone na podstawie reakcji utleniania składników paliwa:

a) dla paliwa stałego:

            C + O₂ → CO₂

            12 kg + 32 kg → 44 kg                                                      

            H₂ + 1/2 O₂→ H₂O

            2 kg + 16 kg → 18 kg                                                        

            S + O₂ → SO₂

            32 kg + 32 kg → 64 kg                                                      

 

                                    [kg O₂/kg paliwa]                                  (3)

                                    [kg powietrza/kg paliwa]                                                 (4)

b) dla paliwa gazowego:

            H₂ + 1/2 O₂ → H₂O

            1 m³ + 1/2 m³ → 1m³                                                                           

            CO + 1/2 O₂ → CO₂

            1 m³ + 1/2 m³ → 1 m³                                                       

            CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

            1 m³ + 2 m³ → 1 m³ ₊ 2 m³                                               

 

                                   O_t = 1/2 (H₂ + CO) + 2 CH₄ - O₂,     [m³ O₂/m³ paliwa]     (5)

 

                                   ,   [m³ powietrza/m³ paliwa]                                             (6)

gdzie:

Ot	-	teoretyczne zapotrzebowanie tlenu do spalenia jednostki paliwa,
Lt	-	teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalenia jednostki paliwa.

 

Współczynnik nadmiaru powietrza λ:

                                                                                                                      (7)

gdzie:

            L_rzecz i L_teoret - odpowiednio, rzeczywista i teoretyczna ilości powietrza do spa-        lania

a) spalanie zupełne:

                                                                                                                      (8)

b) spalanie niezupełne:

                                                                                                        (9)

gdzie:

n, o, t	-	objętościowe udziały azotu “n”, tlenu “o” i tlenku węgla “t”  w spalinach,

Temperatura spalania t_sp

Bilans energetyczny będący podstawą do określenia temperatury spalania jest następujący:

                                                                                                                      (10)

gdzie:

I2	-	entalpia spalin,
I1	-	entalpia paliwa i powietrza do spalania.

           

                                                                                                       (11)

 

                                                                                                 (12)

gdzie:

	-	ciepło właściwe, odpowiednio: paliwa, powietrza i spalin,
to	-	początkowa temperatura paliwa i powietrza.

 

Po podstawieniu (11) i (12) do (10) i przekształceniu otrzymamy:

                                                                  (13)

lub po uwzględnieniu, że wyrażenie przy t_o zmierza do 1:

                                                                                                 (14)

 

3. Analiza spalin aparatem Orsata

Schemat stanowiska pomiarowego przedstawia rys. 1.

Zasada oznaczania objętościowego składu spalin opiera się na pochłanianiu CO₂, CO i O₂ przez odczynniki chemiczne.

Do pochłaniania CO₂ służy 33 % wodny roztwór KOH. Pełne pochłonięcie CO₂ następuje po 5-krotnym przetłoczeniu spalin przez odczynnik.

Do pochłaniania O₂ służy odczynnik o składzie: 5 g kwasu pyrogallusowego rozpuszczonego w 15 g gorącej wodzie destylowanej, zmieszanego następnie z 200 g 33 % wodnego roztworu KOH.

Pełna absorpcję tlenu uzyskuje się po 8-10 krotnym przetłoczeniu próbki spalin przez odczynnik.

Do pochłaniania CO służy odczynnik zawierający roztwór 250 g NH₄Cl w 750 g wody destylowanej z dodatkiem 100 g Cu₂Cl₂. Odczynnik ten szybko ulega wyczerpaniu, dlatego też najczęściej stężenie CO oznaczamy z wykresu Ostwalda.

Uwaga! Pochłanianie składników spalin należy prowadzić w kolejności: CO₂, O₂, CO.

4. Wykonanie ćwiczenia

4.1.     Przygotowanie aparatu do analizy

-      wypłukane naczynia absorpcyjne napełnić odczynnikami,

-      sprawdzić szczelności połączeń w aparacie:

       naczynie 7 podnieść na taką wysokość, by ciecz w miernicy 6 osiągnęła górne, skrajne położenie.  Zaworami 8 i 11 odciąć aparat od atmosfery i spalin. Naczynie 7 opuścić, odczekać 5 minut. Jeżeli ciecz w miernicy nie opada - układ jest szczelny,

-      wyzerować poziom cieczy w miernicy 6:

       ustawić naczynie 7 w swoim gnieździe. Sprawdzić poziom cieczy w miernicy 6, jeśli menisk jest poniżej poziomu “O”- należy dolać wody do naczynia 7, jeśli menisk jest powyżej poziomu “O” - należy z naczynia 7 odlać odpowiednią ilość cieczy.

 

4.2. Pobranie próbki spalin

-      uruchomić palnik 1,

-      przepłukać  spalinami przewody doprowadzające:

       naczynie 7 podnieść na taką wysokość, by ciecz w miernicy 6 osiągnęła górne, skrajne położenie. Zaciągnąć spaliny do miernicy 6, ustawić zawór 11 w położenie połączenia z atmosferą, wypuścić próbkę spalin do atmosfery przez wylot 12. Czynność powtórzyć dwukrotnie,

-      zassać próbkę spalin do pomiaru:

       odciąć aparat od atmosfery zaworem 12. Naczynie 7 podnieść na taką wysokość, by ciecz w miernicy 6 osiągnęła górne, skrajne położenie. Otworzyć połączenie z doprowadzeniem spalin zaworem 8. Ustawić naczynie 7 w swoim gnieździe. Odciąć połączenie ze spalinami zaworem 8.

4.3.     Przeprowadzenie absorpcji

4.3.1.  Pochłanianie CO₂

Otworzyć zawór 4 do naczynia absorpcyjnego zawierającego KOH. Za pomocą naczynia 7 przetłoczyć 5-krotnie spaliny przez odczynnik. Odstawić naczynie 7 do jej gniazda, na miernicy 6 odczytać poziom menisku.

4.3.2.  Pochłanianie O₂

Otworzyć zawór 5. Za pomocą naczynia 7 przetłoczyć 8-10 krotnie spaliny przez odczynnik z kwasem purogallusowym (czarny). Otworzyć naczynie 7 do jego gniazda, na miernicy 6 odczytać poziom menisku.

4.4. Ustalenie zawartości CO w spalinach

Z wykresu Ostwalda - rys. 2, odczytać zawartość CO w badanej próbce spalin.

4.5. Oznaczenie współczynnika nadmiaru powietrza λ

Współczynnik nadmiaru powietrza  λ odczytać z wykresu Ostwalda dla gazu miejskiego - rys. 2, oraz obliczyć ze wzoru (8) lub (9), w zależności od tego, czy analiza wykazała obecność w spalinach CO.