13

Лабораторная работа № 3 Определение теплоты сгорания углей по данным их влажности, зольности и выхода летучих веществ

Цель работы- ознакомиться с методиками определения основных показателей технического анализа углей, овладеть практическими навыками работы на соответствующем лабораторном оборудовании и изучить на практике основы ускоренного метода оценкиуглей.

Лабораторная работа является комплексной. В её основу положено определение трех основных показателей углей – влажности , зольностии выхода летучих веществна основании которых рассчитывается низшая теплота сгорания рабочей массы угля, являющаяся важнейшим показателем качества угля как энергетического топлива.

Теплота сгорания, обозначаемая обычно символом , представляет собой количество тепловой энергии (далее теплота, или тепло), выделяемой при полном окислении горючих компонентов топлива газообразным кислородом. При этом принято положение, что в результате реакций окисления образуются высшие оксидыисера окисляется только до, а азоттоплива выделяется в виде молекулярного азота. Теплота сгорания является удельной характеристикой. У твёрдых и жидких топливотносят к единице массы, то есть к 1кг(удельная теплота сгорания), а у газообразных топлив - к единице объёма (объёмная теплота сгорания) при нормальных физических условиях, то есть приР=Р₀= 760мм рт. ст.= 1атм=101325Паи Т = Т₀= 273,15К(t=t₀= 0°C). В связи с этимм³при этих условиях получил название «нормальный метр кубический» и рекомендуемое обозначение «нор. м³». Таким образом, у газообразных топливотносят к 1нор. м³.Принятые в технической литературе единицы измерения: «кДж/кг» («кДж/нор. м³») или «МДж/кг» («МДж/нор. м³»). В старой технической литературе единицами измерениябыли «ккал/кг» («ккал/нор. м³»). При их переводе в современные единицы измеренияследует помнить, что 1ккал= 4,1868кДж.

Количество тепла, которое пошло на нагрев продуктов полного сгорания 1 кгили 1нор. м³топлива при условии, что в этих продуктах находится сконденсированный водяной пар, то есть вода, называетсявысшей теплотой сгорания топлива. Эта теплота обозначается как.

Если при сгорании топлива водяные пары не сконденсированы, то на нагрев продуктов сгорания будет израсходовано меньшее количество выделившегося тепла на величину скрытой теплоты конденсации водяного пара (скрытой теплоты испарения воды) . В этом случае теплополучило названиенизшей теплоты сгорания топливаи обозначается как. Таким образом, при определениине учитывается тепло, затраченное на испарение влаги самого топлива и влаги, образовавшейся при сгорании водорода топлива. Соответственно, величинасвязана скак.

Состав угля, как и любых других твёрдых топлив, выражают в процентах по массе (мас. %). При этом за 100 % наиболее часто принимают:

• состав в рабочем состоянии топлива (состав его рабочей массы), указывается верхним индексом «r»:

• состав в аналитическом состоянии (состав аналитической массы), указывается верхним индексом «а»:

• состав в сухом состоянии (состав сухой массы), указывается верхним индексом «d»:

• состав в сухом беззольном состоянии (состав сухой беззольной массы), указывается верхним индексом «daf»:

где массовые доли в соответствующей массе угля углерода, водорода, горючей серы, кислорода, азота, общей и аналитической влаги, мас. %;А – зольность соответствующей массы угля, мас. %.

Для определения теплоты сгорания углей, применяется единый стандартный метод – метод сожжения в калориметрической бомбе. При этом методе навеску аналитической пробы угля массой 0,8…1,5 гсжигают в атмосфере сжатого кислорода в герметически закрытом металлическом сосуде – калориметрической бомбе, которая погружена в определённый объём воды. По повышению температуры этой воды устанавливают количество тепла, выделившееся при сгорании навески. Это даёт теплоту сгорания топлива по бомбеВ связи с тем что сгорание топлива происходит в довольно специфических

Рис. Принципиальная схема классического калориметра для определения теплоты сгорания твердых топлив

1 – калориметрическая бомба; 2 – мешалка; 3 – крышка термостата; 4 – система для зажигания навески; 5 – термометр или прибор его заменяющий; 6 – калориметрический сосуд; 7 – термостат.

условиях (атмосфера чистого кислорода, окисление горючей сера до SO₃с последующим образованием в сконденсированной влаге азотной кислоты и так далее), величинупересчитывают напо следующей формуле:

(1)

где - теплота образования серной кислоты изSO₂и растворения её в воде, численно равная 94,4кДжв расчёте на 1 % серы;- содержание серы «в смыве бомбы», представляет собой количество серы, перешедшее при сжигании в серную кислоту, в расчёте на исходную навеску угля, мас. % (разрешается использовать вместосодержание общей серы в аналитической массе угля, если, а);- коэффициент, учитывающий теплоту образования и растворения азотной кислоты, равный 0,001 для тощих углей и антрацитов и 0,0015 – для всех остальных топлив.

Зная , определяют сначала высшую теплоту сгорания рабочей массы топлив:

, (2)

а далее низшую теплоту сгорания рабочей массы топлив :

, (3)

где =кДж/кгиликДж/нор.м³;= = мас. %.

Коэффициент 24,62 в (3) отражает теплоту нагревания воды от t₀= 0°Cдоt= 100°Cи её испарения приР₀= 101325Пав расчёте на 1 мас. % воды.

Величина , рассчитанная на рабочее состояние топлива, соответствует фактической теплоте, выделяемой при его сжигании в топках, и поэтому широко применяется при теплотехнических расчётах.является интегральным показателем качества топлив и во многом определяет их потребительские свойства.

Одно из основных особенностей ископаемых углей – способность к разложению (деструкции) их органической массы при нагреве без доступа воздуха. При таком нагреве образуются газо- и парообразные продукты разложения, называемые летучими веществами. После удаления летучих веществ из зоны нагрева остаётся остаток, называемый коксовым остатком, или корольком. Поскольку летучие вещества не содержатся в углях, а образуются при их нагреве, то говорят о «выходе летучих веществ», а не об их содержании в углях.

Подвыходом летучих веществ понимают относительную массу летучих веществ, выраженную в процентах, образующихся при термическом разложении угля в стандартных условиях. Выход летучих обозначается символомV, а нелетучий (коксовый) остаток –NV.

Парообразная часть летучих веществ состоит из конденсирующихся углеводородов, представляющих собой группу маслянистых и смолистых веществ, являющихся ценнейшим химическим продуктом.

Газообразная часть летучих веществ состоит из углеводородных газов предельного и непредельного рядов (СН₄,C_mH_nи так далее), оксида и диоксида углерода (СО,CО₂), водорода (Н₂) и так далее.

В состав нелетучего остатка входит в основном углерод и минеральные примеси в виде золы.

Выход летучих веществ – один из главных классификационных параметров ископаемых углей. На основании значений выхода летучих и характеристики коксового остатка оценивают пригодность углей для коксования и поведения углей в процессах переработки и сжигания.

Сущность стандартного метода определения выхода летучих веществ заключается в нагревании навески аналитической пробы угля массой 10,1 г без доступа воздуха при t= 900±5°Св течение 7мин. Выход летучих веществ определяется по потере массы исходной навески с учётом содержания влаги в топливе.

Величину выхода летучих из аналитической пробы вычисляют по формуле

(4)

где = мас. %; - потеря массы навески угля после выделения летучих веществ,г; - масса исходной навески угля,г; - содержание влаги в исходной навеске аналитической пробы угля, мас. %;

- выход нелетучего остатка из аналитической пробы испытуемого угля, %, вычисляют по формуле

(5)

Выход летучих веществ на сухое беззольное состояние угля определяется следующим образом:

. (6)

Допускаемые расхождения между результатами двух параллельных определений по абсолютным величинам не должны превышать 0,3 мас. % примас.%; 0,5 мас. % при мас. %; 1,0 мас. % примас. %.

Для определения выхода летучих веществ применяют:

- подставки для установки тиглей в муфельную печь из жаростойкой стали или проволоки;

- электропечь муфельную с терморегулятором с максимальной температурой нагрева не менее 1000°С, имеющей отверстие в передней дверце для свободного удаления летучих веществ (если нет отводной трубки для удаления этих веществ) и размещения контрольной термопары и в задней стенке для установки термопары.

Температуру измеряют с помощью стационарной термопары. Из аналитической пробы угля отбирают в предварительно взвешенные тигли две навески угля массой (1 ± 0,01) г.. Навеску распределяют по дну тигля ровным слоем, слегка постукивая тиглем о чистую сухую поверхность. Тигли закрывают крышками и тщательно, с точностью до 0,0002гвзвешивают закрытые тигли с навесками.

Тигли с навесками угля и закрытыми крышками устанавливают каждый на свою подставку и быстро вносят в муфельную печь, предварительно разогретую до t= 900±5°С,что фиксируется стационарной термопарой. Дверцу печи закрывают. Ровно через 7мин(5сек) подставки с тиглями вынимают из печи и охлаждают – сначала на воздухе в течение 5 мин, не снимая с тиглей крышек, а затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают с точностью до 0,0002г. Результаты всех измерений и расчётов заносят в табл.1.

Величины вычисляют по формуле (7), а- по формуле (8):

(7)

(8)