Определение выхода летучих веществ

Термическое разложение топлива.

Выход летучих веществ V является важной технической характеристикой топлива, дающей представление о частичном его разложении при нагреве.

При нагревании топлива без доступа воздуха разрушаются сложные химические связи, органическая часть разлагается на более простые твердые, жидкие и газообразные вещества. Газообразные и жидкие продукты разложения, образующиеся в парообразной фазе, называют летучими веществами. После их выхода остается твердый остаток – кокс, состоящий практически из углерода и негорючих минеральных примесей. Твердый остаток деформируется продуктами разложения, меняются его физические свойства (плотность, пористость, электропроводность и пр.). При полном выходе летучих твердый остаток органической части представляет собой углерод с кристаллической решеткой графита. Чем глубже термическое разложение топлива, тем выше истинная плотность, электропроводность твердого остатка.

Количество летучих веществ зависит от глубины разложения органической массы, т.е. от температуры разложения, времени разложения, размеров частиц топлива и пр. Наиболее интенсивно летучие образуются при температуре 447-547 °С. 9598% летучих образуются при температуре 850 °С. Остальные 2-5% летучих выделяются при нагреве топлива до 1227 °С.

При определении количества летучих косвенным весовым методом по изменению массы топлива существует несколько источников погрешности.

Нагревание топлива до высокой температуры приводит к частичному выгоранию коксового остатка. Большой выход летучих препятствует проникновение кислорода к коксовому остатку. Поэтому погрешность от выгорания кокса возрастает с уменьшением выхода летучих, т.е. возрастает с увеличением температуры разложения, степени метаморфизма топлива, времени выдержки при высокой температуре.

Погрешность в определении выхода летучих зависит и от равномерности разогрева топлива во времени и в объеме навески, т.е. зависит от размера кусков, навески топлива, теплопроводности топлива и тигля, равномерности температурного поля в печи.

Сопоставимые результаты при определении выхода летучих можно получить, если применять стандартные условия проведения эксперимента. В этом случае выход летучих не является абсолютной величиной, а характеризует топливо только при термическом разложении в стандартных условиях.

Одновременно с разложением органического вещества при нагревании происходит разложение и минеральной части топлива. При этом выделяются пары воды, химически связанной в кристаллах, газы, образующиеся при разложении карбонатов (CaCO₃, MgCO₃, FeCO₃). Поскольку выход летучих характеризует разложение органической части топлива, необходимо исключить из парогазовой смеси продукты разложения минеральных веществ. Такие поправки необходимо делать для высокозольных топлив с большим содержанием карбонатов (прибалтийские горючие сланцы) и глинистых минералов (экибастузский уголь).

Целью настоящей работы является ознакомление студентов со стандарт­ными лабораторными методами определения выхода летучих веществ, применяемыми при техническом анализе твердых энергети­ческих топлив.

Стандартный метод определения выхода летучих.

Определение выхода летучих веществ бурых, каменных углей и антрацитов производится по ГОСТ 6382 – 2001 (ИСО 562 – 98, ИСО 5071-1 – 97).

По стандартной методике навеску аналитической пробы массой 10,01 г помещенную в тигель с притертой крышкой, устанавливают в муфельную печь (рисунок 10) в зону устойчивой температуры 9005 °С и выдерживают ровно 7 минут. Причем, температура, понизившаяся при установке тиглей в печь снова должна достичь 9005 °С не более чем за четыре минуты. В противном случае испытание повторяют. Выход летучих определяют по изменению массы топлива. Взвешивания производят с точностью до 0,0002 г.

Результаты взвешивания следует записать в таблицу:

№ тигля	Масса пустого тигля с крышкой, г.	Масса топлива с тиглем и крышкой до испытания, г.	Масса тигля с крышкой и нелетучим остатком после испытания, г.
	m1	m2	m3
Характеристика нелетучего остатка

Выход летучих веществ аналитической пробы рассчитывают по выражению:

Выход летучих веществ сухой массы:

Выход летучих веществ горючей массы:

При содержании СО₂ карбонатов в аналитической пробе более 2%, расчет выхода летучих производится с поправкой на карбонатную двуокись углерода:

При наличии в минеральной части топлива кристаллогидратов, вводится поправка на химически связанную воду:

Количество химически связанной воды в топливе:

Здесь W^а – влажность аналитической пробы, А^а - зольность аналитической пробы, К₁ – массовая доля химически связанной воды минерала, K₂ – массовая доля минерала в минеральной части топлива.

Оборудование, приборы, химпосуда.

Муфельная печь с регулированием температуры, термопара, потенциометр пишущий, весы аналитические, секундомер, подставка жаростойкая для тиглей, щипцы и захваты тигельные, тигли с притертыми крышками, эксикатор с поглощающим влагу реактивом.

Характеристика нелетучего остатка.

При термическом разложении некоторые топлива проходят стадию пластического состояния, которое исчезает при более глубоком разложении органической массы. В пластическом состоянии частицы топлива слипаются между собой, тем прочнее, чем сильнее проявляются пластические свойства топлива. При затвердевании твердого остатка связи между частицами сохраняются, образуя прочный пористый кокс.

В зависимости от способности топлива к переходу в пластическое состояние образуется коксовый остаток с различной энергией связи между частицами. По ГОСТу 6382 – 2001 твердый остаток в тигле после выхода летучих характеризуется по следующей классификации:

• порошкообразный;

• слипшийся - при легком нажиме пальцем рассыпается в порошок;

• слабоспекшийся - при слабом нажиме пальцем раскалывается на отдельные кусочки;

• спекшийся, не сплавленный - для раскалывания на отдельные кусочки необходимо приложить усилие;

• сплавленный, не вспученный - плоская лепешка с серебристым металлическим блеском;

• сплавленный, вспученный - остаток с серебристым металлическим блеском поверхности высотой менее 15 мм;

• сплавленный, сильно вспученный - остаток с серебристым металлическим блеском поверхности высотой более 15 мм.

Порядок выполнения работы

1. Два прокаленных и пронумерованных тигля взвешивают с точностью до 0,0002 г.

2. Засыпают в тигли навески топлива по 10,01 г и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г. Навески бурых углей предварительно брикетирует с помощью лабораторного пресса.

3. Тигли закрывают притертыми крышками, устанавливают на подставку и с помощью щипцов ставят в муфельную печь, предварительно нагретую до 9005 °С. При этом термопара должна находиться на расстоянии 10-20мм от пода печи и около 5 мм от дна тигля.

4. В закрытой печи тигли выдерживают ровно 7 минут в зоне устойчивой температуры 9005 °С. Такая температура должна поддерживаться не менее 4 минут до конца периода выдержки в печи. Уже через 20...30 секунд можно увидеть яркое пламя по бокам крышки – это горят летучие, выходящие из тигля вследствие неплотности крышки. В муфельной печи должна быть достаточная вентиляция, чтобы выделяю­щиеся летучие сгорали полностью, не оставляя на крышке и тигле черного на­лета сажи. Если такой налет появился, опыт следует повторить.

5. Подставку с тиглями вынимают из муфельной печи, и выдерживают 5 минут на воздухе при закрытых крышках, затем охлаждают тигли в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают на аналитических весах.

6. Рассчитывают величины V^а, V^daf. Расхождение результатов анализа по двум одинаковым пробам (!) не должна превышать 0,3% при V^a< 9%, 0,5% при 9%< V^a < 45%, 1,0% при V^a>45%.

7. Классифицируют нелетучий остаток в соответствии с приведенной классификацией.

8. Результаты измерений записывают в таблицу:

Указания по технике безопасности.

1. При выполнении работы следует соблюдать осторожность в обращении с муфельной печью, подставкой для тиглей и тиглями, нагретыми до температуры 9005 °С Устанавливать подставку и тигли в печь и вынимать из печи только с помощью щипцов и ухватов.

2. Не прикасаться к тиглям во время охлаждения, а проверять их нагрев, осторожно держа руку на расстоянии 2-3 см от тигля.

3. При установке тиглей в электрическую муфельную печь и извлечении их из печи необходимо отключить печь от сети.

4. Тигли с топливом следует устанавливать в печь только при включенной вытяжной вентиляции через колпаки над печами.

5. Не трогать и не включать оборудование, не имеющее отношения к данной работе.

Работа №5