Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Комплексное устойчивое управление отходами. Жилищно-коммунальное хозяйство: учебное пособие

Уланова О. В., Салхофер С. П., Вюнш К. ,

3.3.2.3. Теплота сгорания (Но)

Введение

Теплота сгорания (теплотворность, или калорийность) топлива измеряется тем количеством тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива. По этой причине, она является важным параметром при сжигании отходов. Кроме того, теплоту сгорания следует учитывать при захоронении отходов после механико-биологической обработке остаточных отходов. Разрешается захоронение отходов с теплотворной способностью менее 6000 кДж/кг. Для сравнения, уголь имеет теплотворную способностью 30000 кДж/ кг.

Теплота сгорания, Hо определяется как отношение тепла, выделяющегося при полном сгорании, к массе топлива, когда температура топлива и продуктов горения перед сжиганием составляет 25 °C, и если перед горением и при сгорании водорода в топливе образованная вода находится в жидком состоянии. Кроме того, продукты сгорания углерода и серы присутствуют в виде двуокиси углерода и двуокиси серы в газообразном состоянии. Окисление азота происходить не может [34].

Теплота сгорания, Hu отличается от Hо только тем, что вода после сжигания находится в парообразном состоянии, т.е. теплотворные способности различаются по теплоте испарения воды.

Принцип измерения

В экспериментальном определении теплоты сгорания используется сосуд под давлением, так называемая калориметрическая бомба, для которой определяется точно взвешенное количество определённого вещества. Вещество воспламеняется в бомбе, заполненной на 30 бар кислородом с помощью зажигательного провода. Избыток кислорода обеспечивает полное сгорание. Для калибровки теплоемкость калориметра определяется при сгорании пробы с известной теплотворной способностью (как правило, бензойная кислота). Теплоемкость выражается в Дж/К в соответствии с уравнением (7), состоит из теплотворной способности бензойной кислоты, навески и измеренного повышения температуры.

Уравнение (7):

(7)

где

С – теплоёмкость;

Hu – теплотворная способность;

Масса – масса навески.

Оценка результатов

Для измерения применяют 2 вида калориметров: изотермический метод и адиабатический. В лаборатории применяется модифицированный классический адиабатический способ измерения. В так называемой абсолютно сухой системе для измерения теплотворной способности твердых и жидких образцов. Температура измеряется непосредственно в сосуде для разложения. В результате анализ одного образца сокращается до 3–7 минут (в зависимости от образца).

Теплотворная способность по отношению к безводного веществу
Ho(wf) рассчитывается по уравнению (8).

Уравнение (8):

(8)

где

Hо – теплотворная способность (безводная);

С – теплоёмкость калориметра из уравнения (7);

ΔТ – повышение температуры калориметра;

QN – количество тепла, выделившееся в результате образования водного раствора азотной кислоты из содержащегося в топливе азота;

QS – количество тепла, выделившееся в результате образования водного раствора серной кислоты из содержащейся в топливе серы;

QD – количество тепла, выделившееся в результате сжигания;

mP – масса пробы.

Нижняя теплота сгорания рассчитывается исходя из верхних показателей теплотворной способности. Для этого необходимо знать содержание водорода (Н) и воды (В). Нижняя теплота сгорания рассчитывается с одной стороны из количества влаги, содержащейся в пробе перед сжиганием, с другой стороны из объема воды, образовавшийся после ее сжигания.

2H2 + O2 → 2H2O.

Содержание водорода может быть определено экспериментально проведением элементарного анализа. Для получения примерных результатов может быть использована формула Васмера (табл. 3.11).

Для проведения измерений имеет значение эталонное состояние, для которого существуют определенные измеряемые величины. Физически топливо состоит из доли воды, золы и органической субстанции. Измеряемые параметры (химические компоненты и калорийность) согласно всему вышесказанному зависят от изначального, обезвоженного и обезвоженно-беззольного состояний (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Состав и состояние топлива

Вычисление измеряемой величины X в безводном, в сыром и в безводно-беззольном состоянии:

Уравнение (9):

(9)

где

X(wf) – безводное;

X(roh) – сырое (необработанное);

W – содержание воды.

Уравнение (10):

X(wf) = X(waf)∙(1 – А(wf)), (10)

где

X(waf) – безводно-беззольное;

А – содержание золы.

Содержание водорода может быть определено экспериментально с помощью элементного анализа.

Уравнение (10) отражает формулу перерасчета калориметра (безводного) в теплоту сгорания при нормальных условиях. В действие вводятся верхняя теплота сгорания Ho и нижняя теплота сгорания Hu, измеряемые в кДж/кг. Показатели Н и W лежат в пределах от 0 до 1. За основу взята специфическая тепловая функция испарения воды в 2441 кДж/кг при температуре 25 °С (согласно Немецким промышленным нормам 51 900). Следует заметить, что такая тепловая функция не является типичной для мусоросжигательных установок. Если исходить из того, что температура отходящих газов после использования тепла составляет 200 °С, разница тепловых функций воды при 25 °С равняется 2770 кДж/кг (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Формулы преобразования низшей
и высшей теплотворной способности и их исходные состояния [35]

Для упрощения могут быть использованы формулы, приведенные в табл. 3.11.

Таблица 3.11

Дополнительные формулы преобразования низшей
и высшей теплотворной способности [23]