Жуков ОФХППТЭ-лабы

Работа №4

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 разрушается 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 топливадо1227 °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

31

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.

Определениевыходалетучихвеществбурых, каменныхуглейиантрацитов производитсяпоГОСТ6382 – 2001 (ИСО562 – 98, ИСО5071-1 – 97).

По стандартной методике навеску аналитической пробы массой 1±0,01 г помещенную в тигель с притертой крышкой, устанавливают в муфельную печь (рис. 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:

32

Выход летучих веществ аналитической пробы рассчитывают по выражению:

V a = m2 −m3 ×100 −W a ,% m2 −m1

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:

V a = m2 −m3 ×100 −W a −(W a )хс,% m2 −m1

Количество химически связанной воды в топливе:

(Wa )хс = К1− К2 Аа ,% 1 К1 К2

Здесь Wа – влажность аналитической пробы, Аа - 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.

33

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 взвешивает 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

34

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 Vа, Vdaf. Расхождение результатов

анализа по двум одинаковым пробам (!) не должна превышать

0,3% при Va< 9%, 0,5% при 9%< Va < 45%, 1,0% при Va>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.

35

Работа №5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Общие положения и цель работы

Одной из основных технических характеристик топлива является его удельная теплота сгорания Qi –количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы массы в случае твердого или жидкого топлива или единицы объема в случае газообразного топлива. Различают высшую и низшую удельную теплоту сгорания: в первой не учитывается тепло, затрачиваемое на подогрев и испарение влаги топлива и влаги, образующейся в результате сгорания водорода топлива; во второй — эти затраты тепла учитываются.

Знание теплоты сгорания требуется на всех стадиях проектирования, эксплуатации и исследования основного и вспомогательного оборудования тепловых электрических станций и других огневых устройств различного назначения, работающих на органическом топливе.

Паровые и водогрейные котлы современных ТЭС оснащены системами автоматического регулирования, контрольно-измерительными приборами и компьютерными системами для непрерывной регистрации и регулирования основных эксплуатационных параметров оборудования, включая расход топлива, количественные и качественные параметры рабочего тела. Вместе с тем, до сих пор отсутствуют приборы непрерывного действия, позволяющие в условиях текущей эксплуатации получать надежные данные по удельной теплоте сгорания топлива, что затрудняет оперативную оценку тепловой экономичности работы котла, блока котел-турбина и ТЭС в целом.

Удельную теплоту сгорания топлива определяют опытным путем в калориметрических установках топливных лабораторий ТЭС.

Калориметрический метод определения теплоты сгорания основан на полном сжигании массы исследуемого топлива в калориметрической бомбе в изотермическом или адиабатическом режимах при постоянном объеме в атмосфере сжатого кислорода 30 кг/см2 и измерении подъема температуры калориметрического сосуда, обусловленного теплотой, выделившейся при сгорании топлива и вспомогательных веществ, а также образованием водных растворов азотной и серной кислот в условиях опыта.

Простой в теории метод на практике осложняется необходимостью учета теплообмена калориметрической установки с окружающей средой (при изотермическом режиме) в условиях непрерывного изменения температуры в калориметре и трудностями по учету полного количества тепла от сгорания навески, которое воспринимается не только водой,

36

заполняющей калориметрический сосуд, но и отдельными элементами калориметрической установки.

Для вычисления теплоты сгорания топлива по результатам испытаний требуется знать энергетический эквивалент (теплоемкость) калориметра С – количество теплоты, необходимое для подъема температуры калориметра на 1 °С при стандартной температуре 25 °С. Энергетический эквивалент определяется опытным путем при сжигании аттестованного образца вещества с известной теплотой сгорания в тех же условиях, на той же аппаратуре и с теми же реактивами и материалами, что и при определении теплоты сгорания испытуемого топлива. Обычно для этих целей используется бензойная кислота С6Н5СООН со стандартной теплотой сгорания 26454 кДж/кг.

Цель работы – освоение методики определения удельной теплоты сгорания топлива.

Описание лабораторной установки

Калориметр представляет собой прибор настольного типа прямоугольной формы с закругленными углами (рис. 12). На крышке калориметра расположена вертикальная стойка с двумя держателями метастатического термометра. На этой же стойке расположен кронштейн, свободно передвигающийся по стойке.

На кронштейне расположены оптическая система и механический вибратор. Конструкцией предусмотрена возможность вращения стойки вокруг оси и фиксация ее винтом.

На крышке калориметра в специальной резиновой втулке установлен термометр ТЛ-19 для измерения температуры воды в оболочке.

На передней панели калориметра расположены элементы управления и сигнализации:

- кнопка "сеть" для подачи электрического питания на калориметр, при нажатии которой загорается сигнальная лампа; - кнопка "мешалки", нажатием которой

приводятся во вращение мешалки оболочки и калориметрического сосуда; - при включении кнопок "нагреватели сосуда и оболочки" загораются соответствующие сигнальные лампы, свидетельствующие о подаче электрического питания на указанные нагреватели;

37

-нажатием кнопок "вибратор", "зуммер" и "осветитель термометра" включается цепь управления электромеханическим вибратором и электрическим звонком, подающим сигналы для измерения температуры, и коммутируется цепь питания лампы для подсветки шкалы термометра;

-в нижней части лицевой панели расположены розетка "контактный термометр" для подключения электроконтактного термометра и розетка "зажигание" для подключения шнура дистанционного запала.

За лицевой панелью размещены элементы оборудования, обеспечивающие работу всех узлов калориметра.

Рисунок 13 – Калориметрическая установка

Оболочка калориметра (см. рис.13) служит для теплоизоляции установки и представляет собой двухстенный латунный бак прямоугольного сечения, на внутренней поверхности которого расположен змеевик из медной трубки для прокачивания воды при необходимости охлаждения оболочки.

При проведении опытов внутренний объем оболочки полностью заполняется дистиллированной водой. В калориметрический сосуд, после размещения в нем бомбы, также вливают дистиллированную воду в количестве от 3000 до 3100 г. Конкретно выбранная масса воды из этого диапазона (определяется заранее опытным путем) должна обеспечить

38

значение эффективной теплоемкости (энергетического эквивалента) калориметра в пределах 14850...15150 Дж/°С.

Регулирование температуры воды в сосуде и в оболочке осуществляется с помощью встроенных электронагревателей.

Внутри сосуда и оболочки установлены мешалки для поддержания изотермичности калориметрической системы.

Снаружи, на верхней части оболочки, расположена вертикальная стойка с держателями метастатического термометра и с кронштейном, на котором укреплена оптическая система и электромеханический вибратор.

Метастатический термометр переменного заполнения с диапазоном измерения 0...5 °С и ценой деления 0,01 °С служит для измерения изменения температуры воды в сосуде. С помощью оптической системы можно определять температуру с точностью до 0,001 °С. Вибратор обеспечивает постукивание по термометру для устранения влияния капиллярных сил при перемещении ртути.

Электроконтактный термометр предназначен для поддержания температуры воды в оболочке на требуемом уровне.

Электрическая схема установки управляет электродвигателями мешалок и датчиком времени, который в свою очередь управляет сигнализацией и вибратором.

В калориметрах В-08МА используются бомбы двух типов:

I – с клапанами в верхней части бомбы (для испытаний газообразного топлива);

II – с клапанами в нижней части бомбы (для твердого и жидкого топлива).

Калориметрическая бомба служит для сжигания навески топлива. Она устанавливается на специальную опору в калориметрическом сосуде. Сверху горловина сосуда закрывается крышкой с токопроводами цепи зажигания. Калориметрический сосуд изготовлен из латунного листа, толщиной 1 мм. Вместимость сосуда – (3800+35) см3. С наружной стороны поверхность сосуда полированная. На дне калориметрического

Электропитание нагревателя осуществляется через штырьковую клемму. На верхней крышке сосуда расположены два ушка для извлечения его из гнезда и переноски посредством ручки.

На задней стенке калориметра расположены штуцеры змеевика для подвода и слива охлаждающей воды из водопроводной сети, штуцер с резьбовой заглушкой для слива и контроля уровня воды в оболочке при ее заполнении.

Накидная гайка завинчивается рукой, а окончательное уплотнение осуществляется за счет давления кислорода внутри бомбы, после чего подтягивают до упора контргайку. Через входной клапан "1" бомба заполняется кислородом, через выходной клапан "2" выпускаются газы

39

поле сжигания. Уплотнение клапанов осуществляется гайкой, которая поджимает прокладки шайбой. Оба клапана находятся снизу.

В тигель, изготовленный из нержавеющей стали, помещают навески топлива.

Твердые топлива сжигаются в бомбе, как правило, в виде брикета. Для брикетирования навески служит специальный пресс, в котором таблетки топлива получаются из порошка, насыпанного в матрицу, путем сжатия порошка пуансоном, толкаемым винтом.

Кроме описанной калориметрической установки, для проведения опыта необходимо иметь аналитические весы для взвешивания навески топлива, технические весы для отвешивания необходимого количества воды в сосуде, специальную подставку для крышки бомбы при заправке запальной проволоки, баллон с кислородом, источник напряжения 220 В.

Устройство регистратора

Регистратор состоит из измерительного блока, цифрового вольтметра и электромагнитного стабилизатора напряжения.

а) Измерительный блок представляет собой прибор настольного типа. В нижней части передней панели блока расположен тумблер "сеть". С помощью переключателя "работа-калибровка" устанавливается необходимый режим. Потенциометром "регулировка чувствительности" устанавливается в процессе калибровки необходимая чувствительность регистратора. Посредством ручки "установка нуля" производится установка нуля фотогальванометрического усилителя.

Клеммы К, С, Б предназначены для подключения соответственно красного, синего и белого проводов шланга цифрового вольтметра. В правой части передней панели в специальных держателях размещены термометры сопротивления.

На задней панели измерительного блока расположены гнезда:

1)В-08МА 220В-для подключения шнура питания калориметра;

2)Щ1516 220В-для подключения сетевого провода цифрового вольтметра;

3)220В-для подключения осветительного прибора.

Для подключения к электромагнитному стабилизатору напряжения служит жгут. Шнур "сеть 220В 50Гц" предназначен для подачи напряжения от сети на измерительный блок. На задней панели расположена клемма, предназначенная для заземления блока.

б) Цифровой вольтметр Щ1516 предназначен для измерения напряжения (преобразованной температуры).

На передней панели расположены кнопочные переключатели: 1)слева- "сеть", "период", "пуск", "фильтр".

2)справа-5 кнопокдиапазоновизмерений, кнопки"авт", "дист." и"вход2".

40