SUROWCE ENERGETYCZNE STAŁE

Ćw. nr 3: Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej paliw stałych

1. Wstęp teoretyczny:

Ciepło spalania w stałej objętości (Q_s^a) – jest to ilość ciepła wydzielana przy spalaniu jednostki masy lub jednostki objętości paliwa przy jego całkowitym i zupełnym spalaniu, przy założeniu, że spaliny osiągają temperaturę początkową paliwa i trwały dla nich stan skupienia w danych warunkach termodynamicznych pomiaru. Woda pochodząca z wilgoci paliwa i procesu spalania (nasycona CO₂) znajduje się w postaci ciekłej i jest w stanie równowagi z jej parą, a popiół występuje w stanie stałym. Natomiast wartość opałowa (Q_i^a) różni się tym od ciepła spalania, że para wodna zawarta w spalinach nie ulega skropleniu.

Paliwa stałe reprezentujące pełny łańcuch metamorfizmu wykazują znaczne zróżnicowanie swojego składu chemicznego. Ogólnie można powiedzieć, że paliwa te w warunkach w jakich są najczęściej wykorzystywane w przemyśle, składają się z substancji organicznej (palnej), mineralnej, wilgoci. Udział tych substancji oraz stopień uwęglenia substancji organicznej paliwa stałego mają wpływ na ciepło spalania i wartość opałową. Natomiast jeżeli chodzi o zawartość części lotnych (V^daf), to najwyższe ciepło spalania wykazują węgle o zawartości na poziomie 20%.

1. Przygotowanie próbek i sposób wykonania oznaczenia:

Oznaczenie ciepła spalania z użyciem kalorymetru KL-11 „Mikado” wykonuje się zgodnie z Polską Normą PN/G-04513 „Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej”.

1. Wyniki pomiarów:

masa próbki (m) – 0,9073 g

masa drutu oporowego przed spaleniem (m₁) – 0,0068 g

masa drutu oporowego pozostałego po spaleniu (m₂) – 0,0025 g

stała kalorymetru (K) – 12458 [J/K]

początek okresu wstępnego (T₁) – 21,153 [°C]

koniec okresu wstępnego i początek okresu głównego (T₂) – 21,163 [°C]

koniec okresu głównego (T₃) – 23,425 [°C]

koniec okresu końcowego (T₄) – 23,421 [°C]

czas trwania okresu głównego (N) – 11 [min]

ciepło spalania drutu żelaznego (q_Fe) – 5858 [J/g]

1. Wyniki obliczeń:

$$\mathbf{Q}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{C}\left( \mathbf{D}_{\mathbf{t}}\mathbf{- k} \right)\mathbf{-}\mathbf{\ }\mathbf{c}}{\mathbf{m}}$$

C – pojemność cieplna kalorymetru (stała kalorymetru – K)

D_t - ogólny przyrost temperatury okresu głównego

k – poprawka na wymianę ciepła kalorymetru z otoczeniem

c – suma poprawek na dodatkowe efekty cieplne

m – masa próbki

1. Ogólny przyrost temperatury

D_t = T₃ – T₂

D_t = 23,425 – 21,163

D_t = 2,262 [°C]

1. Poprawka na wymianę ciepła kalorymetru z otoczeniem

$$k = 0,5\left( \frac{T_{2} - \ T_{1}}{5} + \ \frac{T_{4} - \ T_{3}}{5} \right)\ + \ \left( N - 1 \right)\frac{T_{4} - T_{3}}{5}\ $$

k = -7*10^-3 [°C]

1. Poprawka na ciepło wydzielone podczas spalania drutu oporowego

c =  (m₁− m₂)*q_Fe

c =  (0,0068−0,0025) * 5858

c = 25,1894 [J]

Porównujemy ciepła spalania uzyskane w sposób automatyczny i wyliczone o własne dane pomiarowe:

• Ciepło spalania wyliczone z danych pomiarowych:

$$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}\mathbf{\ }}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{12458*}\left( \mathbf{2}\mathbf{,}\mathbf{262}\mathbf{+ \ }{\mathbf{7}\mathbf{,}\mathbf{4*10}}^{\mathbf{- 3}} \right)\mathbf{-}\mathbf{\ }\mathbf{25}\mathbf{,}\mathbf{1894}}{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{9073}}$$

$$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}}\mathbf{=}\mathbf{31133}\mathbf{\text{\ \ }}\left\lbrack \frac{\mathbf{k}\mathbf{J}}{\mathbf{k}\mathbf{g}} \right\rbrack$$

• Ciepło spalania uzyskane automatycznie:

$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}\mathbf{\ }}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{Q}_{\mathbf{s}\mathbf{\ }\mathbf{\text{odczyt}}}^{\mathbf{a}}}{\mathbf{m}}$

$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{28267}}{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{9073}}$

$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}}\mathbf{=}\mathbf{31155}\mathbf{\ }\left\lbrack \frac{\mathbf{k}\mathbf{J}}{\mathbf{k}\mathbf{g}} \right\rbrack$

Przeliczanie ciepła spalania na wartość opałową

Q_i^a= Q_s^a− 24,43(W^a+ 8,94H^a)

Q_i^a=31155 − 24,43(2+8,94 * 5)

Q_i^a=31155−1140,881

$\mathbf{Q}_{\mathbf{i}}^{\mathbf{a}}\mathbf{=}\mathbf{30014}\mathbf{,}\mathbf{119}\mathbf{\ }\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{kJ}}}{\mathbf{\text{kg}}} \right\rbrack\mathbf{\ }$

1. Wnioski:

Porównując uzyskane w sposób automatyczny ciepło spalania z ciepłem wyliczonym z danych pomiarowych możemy stwierdzić, że różnica między nim i jest niewielka co dowodzi temu, że wynik jest wiarygodny. Otrzymana przez nas wartość ciepła spalania wskazuje na to, że mieliśmy do czynienia z węglem kamiennym płomieniowym (ok. 45% zawartości części lotnych). Dzięki zawartości części lotnych możemy określić zawartość pierwiastka C w badanym przez nas węglu, ok. 77%. Natomiast obliczona przez nas wartość opałowa różni się od ciepła spalania ilością energii potrzebnej do odparowania w temp. 25°C wody pochodzącej z wilgoci paliwa i wody utworzonej z wodoru paliwa w procesie spalania.