Определение теплоты сгорания углей

Общие сведения

Теплота сгорания – важнейший показатель качества угля как энергетического топлива.

Теплотой сгорания называется количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы массы топлива. Теплота сгорания выражается в Дж/г, кДж/кг, МДж/кг.

Для определения теплоты сгорания топлив во всем мире применяют единый стандартный метод – метод сожжения в калориметрической бомбе (ГОСТ 147-95, СТ СЭВ 1463-78, МС ИСО 1928-76) под давлением кислорода при постоянном объеме. В этих условиях углерод сгорает до СО₂, водород – до Н₂О; пар, образующийся из влаги топлива и за счет водорода органической массы, конденсируется к концу опыта в жидкость, сера и азот окисляются до SO₃ и NO₃ и растворяются в воде, образуя H₂SO₄ и HNO₃.

Если рассмотреть реальный процесс горения угля в топке, то окажется, что азот в основном выделяется в свободном виде, сера сгорает только до SO₂, вода не конденсируется, а в парообразном состоянии вместе с SO₂, N₂ и дымовыми газами уносится в атмосферу. Поскольку окисление SO₂ до SO₃, N до NO₃ и растворение этих оксидов в воде, а также конденсация пара протекают с выделением теплоты, фактическая теплота сгорания угля оказывается несколько ниже, чем величина, определяемая в калориметрической бомбе (теплота сгорания по бомбе Q_б).

Кроме теплоты сгорания по бомбе различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшая теплота сгорания – это теплота сгорания, определенная по бомбе, уменьшенная на значение теплоты образования и растворения серной и азотной кислот. Она соответствует условию, когда все водяные пары продуктов сгорания доводятся до жидкого состояния при 0 ^оС.

Низшая теплота сгорания — это высшая теплота сгорания, уменьшенная на теплоту испарения воды, выделенной и образованной во время сгорания.

Сущность метода определения теплоты сгорания топлива в калориметрической установке заключается в том, что навеску топлива помещают в калориметрическую бомбу, герметически закрываемую крышкой. Затем бомбу наполняют кислородом до давления: для хороших топлив – 2,5- 2,9 МПа; для плохих – 3,5 МПа; погружают ее в калориметрический сосуд с водой и зажигают навеску электрическим током. В атмосфере сжатого кислорода процесс горения навески протекает полностью в течение короткого промежутка времени с превращением навески топлива в СО₂ и Н₂О, и если есть азот и сера, то образуется также NO₃ и SO₃, которые с водой в бомбе дают азотную и серную кислоты.

Измеряя специальным термометром температуру воды в калориметрическом сосуде перед сжиганием навески и по окончании опыта, находят повышение температуры за время опыта и вычисляют количество теплоты, выделяемое при сгорании навески топлива. Это тепло передается не только воде, находящейся в калориметрическом сосуде, а расходуется также на повышение температуры калориметрического сосуда, бомбы, мешалки, термометра. Поэтому для определения теплоты сгорания топлива надо также знать количество теплоты, идущее на нагревание всей калориметрической системы или водный эквивалент калориметра.

Водным эквивалентом калориметра называется весовое (в граммах) количество воды, для нагрева которого на 1 ^оС нужно затратить столько же теплоты, что и для нагрева на 1 ^оС калориметрической системы, состоящей из калориметрического сосуда, находящейся в нем воды, калориметрической бомбы, мешалки, термометра (при данной глубине погружения).

Для уменьшения потери теплоты в окружающее пространство во время опыта калориметрический сосуд с бомбой помещают в защитную оболочку, которая отделяет калориметрический сосуд от внешней среды. Несмотря на это калориметрический сосуд отдает окружающей среде некоторое количество теплоты или получает ее от окружающей среды, что вызывает необходимость введения поправки на теплообмен калориметра , которую вычисляют из данных калориметрического опыта.

2. Описание калориметрической установки типа В-08-МА

Калориметр (рис. 1, 2) состоит из термостата, калориметрического сосуда, бомбы, блока управления и регистратора с цифровым отсчетом.

Калориметрический сосуд изготовлен из нержавеющего металла с полированной поверхностью, снабжен теплоизолирующей крышкой. Оболочка калориметрического сосуда для защиты от колебаний температуры окружающей среды представляет собой массивный металлический сосуд-кожух с двойным дном. Пространство между стенками заполнено водой, в нем помещены нагреватели сосуда и оболочки для компенсации температуры, мешалка для получения равномерного распределения температуры воды в калориметрическом стакане и змеевик для охлаждения воды. Скорость перемешивания воды должна обеспечивать выравнивание температуры в сосуде через 5-10 мин после сожжения навески.

Электрооборудование приводит в работу две мешалки, нагреватели и систему зажигания навески.

Калориметрическая бомба (рис. 3) перевернутая, самоуплотняющаяся, тип П (для сжигания твердого топлива) изготовлена из кислотоупорной нержавеющей стали, объемом 300 см³, выдерживает давление 10,8 МПа. Она состоит из толстостенного корпуса, крышки, входного и выходного клапанов для наполнения и выпуска кислорода, электродов для подводки тока к запальной проволоке и подставки с тиглем. Регистратор установки состоит из измерительного блока, цифрового вольтметра Щ 1516, стабилизатора напряжения С-0,16. В качестве датчиков установлены термометры сопротивления.

Рис. 1. Общий вид калориметра В-08-МА:

Термометр ТЛ-19; 2 – система оптическая; 3 – метастатический термометр; 4 – держатель; 5 – стойка; 6 – вибратор электромеханический; 7 – кронштейн; 8 – винт стопорный; 9 – лицевая панель; 10 – шнур питания с вилкой; 11 – термометр электроконтактный; 12 – сеть; 13 – включение мешалки; 14 – нагреватель сосуда; 15 – нагреватель оболочки; 16 – вибратор; 17 – зуммер; 18 – осветитель термометра, лампочка табло; 19 – сеть; 20 – нагреватель сосуда; 21 – нагреватель оболочки; 22 – отсчет; 23 – контроль зажигания

В стандартных калориметрах теплоту сгорания определяют в изотермическом режиме. Это означает, что до начала опыта и через некоторое время после сожжения навески температура всех отдельных частей калориметра выравнивается, а температура воды в сосуде, достигнув определенного уровня, становится постоянной. Однако между калориметром и окружающей средой происходит непрерывный обмен тепла, и тем больший, чем значительнее разница температур калориметра и воздуха в помещении. Поэтому после выравнивания температур между частями калориметра продолжается равномерный теплообмен между установкой и окружающей средой, что проявляется в равномерном изменении температуры воды в сосуде.

Следовательно, на практике изотермический режим калориметрирования означает, что калориметрическая система, т. е. та система, которая воспринимает тепло сгоревшей навески (в нее входит калориметрическая установка и масса воды в сосуде калориметра), до и после опыта находится в состоянии равномерного теплообмена с окружающей средой и температура воды в сосуде равномерно изменяется.

Рис. 2. Разрез калориметра В-08-МА:

1 – ручка откидная; 2 – змеевик; 3 – крышка; 4 – мешалка оболочки; 5 – крышка установки; 6 – – крышка сосуда; 7 – сосуд калориметрический; 8 – плита текстолитовая верхняя; 9 – гнездо сосуда; 10 – бомба калориметрическая; 11 – опора металлическая; 12 – подставка; 13 – ножки установки; 14 – поддон; 15 – плита текстолитовая; 16 – кожух; 17 – оболочка калориметра

В соответствии с этим при работе в изотермическом режиме калориметрический опыт делят на три периода: начальный – от установления равномерного изменения температуры воды в сосуде до зажигания навески; главный – в течение которого сгорает навеска, выделившееся тепло передается калориметрической системе, температура всех ее частей повышается, снова выравнивается и устанавливается равномерное изменение температуры воды в сосуде; конечный – продолжается равномерное изменение температуры воды в сосуде.

Теплота сгорания вычисляется по изменению температуры воды в сосуде в течение главного периода. Однако наблюдаемый подъем температуры нельзя считать истинным, так как во время опыта протекают процессы, искажающие температуру воды в сосуде. Для получения точных результатов измерения температуры необходимо внести ряд поправок.

Во-первых, в результате теплообмена с окружающей средой калориметр теряет часть теплоты от сожжения навески или приобретает некоторое количество. Но в том и в другом случаях температура в сосуде будет отличаться от той, которая получилась бы в отсутствие теплообмена. Для вычисления поправки к показаниям термометра, учитывающей теплообмен с окружающей средой, используют отсчеты показаний термометра в начальном и конечном периодах при равномерном изменении температуры в сосуде.

Во-вторых, проволока, применяемая для запала, сгорает с выделением некоторого количества тепла. Поправку на теплоту горения проволоки вычисляют, исходя из теплоемкости и массы проволоки.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 1723; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!