17.1. Определение высшей теплоты сгорания топлива

Теплоту сгорания ТГИ определяют по ГОСТ 147-2013 (ISO 1928:2009) «Топливо твёрдое минеральное. Определение выс­шей теплоты сгорания и расчёт низшей теплоты сгорания». Настоящий стандарт распространяется на бурые и каменные угли, лигниты, антрациты, горючие сланцы, торф, продукты их обогащения и термической обработки, брикеты, кокс, биотопливо (далее – твёрдое минеральное топливо), и устанавливает метод определения высшей теплоты сгорания при постоянном объёме и стандартной температуре 25°С в калориметрической установке с использованием калориметрической бомбы и способ расчёта низшей теплоты сгорания при постоянном давлении.

Высшая теплота сгорания при постоянном объёме – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы твёрдого топлива в калориметрической бомбе в среде сжатого кислорода в установленных стандартом условиях.

Низшая теплота сгорания при постоянном давлении – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы твёрдого топлива в среде кислорода при постоянном давлении и при условии, что вся вода, образующаяся при сгорании, остается в виде водяного пара.

Сущность метода определения высшей теплоты сгорания при постоянном объёме заключается в полном сжигании навески твёрдого топлива в атмосфере сжатого кислорода (3 МПа) в герметически закрытом металлическом сосуде - калориметрической бомбе, которую погружают в определенный объём (или массу) воды, находящейся в калориметрическом сосуде. По увеличению температуры воды в калориметрическом сосуде устанавливают количество теплоты, выделившейся при сгорании топлива и вспомогательных веществ, а также при образовании водных растворов азотной и серной кислот в условиях испытания.

Прибор для определения теплоты сгорания называют калориметрической установкой или калориметром.

Энергетический эквивалент калориметра определяют при градуировочных испытаниях путем сжигания навески эталонной бензойной кислоты в условиях, аналогичных условиям проведения калориметрических испытаний топлива.

Исправленный подъём температуры определяют, измеряя температуру воды в калориметрическом сосуде до, во время и после сжигания навески анализируемого вещества. Продолжительность и частота наблюдений зависят от типа калориметра.

До начала определения в бомбу добавляют воду, чтобы еще до сжигания создать газовую среду, насыщенную водяными парами. Это способствует полной конденсации воды, которая образуется из водорода и влаги пробы (жидкая фаза продуктов сгорания).

Высшую теплоту сгорания при постоянном объёме вычисляют по исправленному подъёму температуры и энергетическому эквиваленту калориметра с учётом выделения тепла при сгорании части запальной проволоки (и хлопчатобумажной нити), а также при образовании и растворении в воде азотной кислоты. При вычислении высшей теплоты сгорания вводят также поправку на теплоту образования водного раствора серной кислоты из диоксида серы и жидкой воды.

Теплоту сгорания аналитической пробы топлива, определенную в калориметрической бомбе, Q_b^a, выраженную в кДж/кг, рассчитывают по формуле:

Q_b^a = (C? ∆t – Q₁ – Q₂ – Q₃)/m, (17.1)

где С – энергетический эквивалент калориметра, кДж/К;

∆t – исправленный подъем температуры в калориметрическом сосуде, К или условная единица;

Q₁ – количество теплоты, выделившейся при сгорании запальной проволоки, кДж, которое рассчитывают по формуле:

Q₁ = q₁ ? m₁, (17.2)

где q₁ – теплота сгорания проволоки, кДж/кг;

m₁ – масса сгоревшей проволоки, равная разности масс проволоки до и после сжигания, кг;

Q₂ – количество теплоты, выделившейся при сгорании хлопчатобумажной нити, кДж, которое рассчитывают по формуле:

Q₂ = q₂ ? m₂, (17.3)

где q₂ – теплота сгорания хлопчатобумажной нити, кДж/кг;

m₂ – масса хлопчатобумажной нити, кг;

Q₃ – количество теплоты, выделившейся при сгорании вспомогательного вещества, кДж, которое рассчитывают по формуле:

Q₃ = q₃ ? m₃, (17.4)

где q₃ – теплота сгорания вспомогательного вещества, кДж/кг;

m₃ – масса вспомогательного вещества, добавленного к навеске топлива, кг;

m – масса навески топлива, кг.

Высшую теплоту сгорания аналитической пробы топлива при постоянном объёме, Q_s^a,_V, выраженную в кДж/кг, рассчитывают по формуле:

Q_s^a,_V = Q_b^a – (Q_S + Q_N), (17.5)

где Q_S – количество теплоты, выделившейся при образовании и растворении в воде серной кислоты (поправка на серу), кДж/кг;

Q_N – количество теплоты, выделившейся при образовании и растворении в воде азотной кислоты (поправка на азот), кДж/кг.

Поправки на теплоту образования и растворения азотной (Q_N) и серной (Q_S) кислот рассчитывают по формулам:

Q_N = 5,8? (20 – V₂), (17.6)

Q_S = 1,51? (V₁ +V₂ – 20), (17.7)

где V₁ – объём раствора гидроксида бария, израсходованный на титрование смеси кислот, см³;

V₂ – объём раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование избытка карбоната натрия, см³;

5,8 – теплота образования и растворения 1 см³ раствора азотной кислоты концентрацией 0,1 моль/дм, Дж/см³;

15,1 – теплота образования и растворения 1 см³ раствора серной кислоты концентрацией 0,1 моль/дм, Дж/см³.

Результат испытания, представляющий собой среднеарифметическое значение результатов двух параллельных определений, округляют до ближайшего значения, кратного 10 кДж/кг. При этом должны быть указаны состояние топлива и влажность пробы.

Результаты определения высшей теплоты сгорания, полученные по настоящему стандарту, выражены на аналитическое состояние топлива. Пересчёт результатов на другие состояния топлива производят по формулам, приве­денным в табл. 13.1.

Расхождения между результатами двух параллельных определений не должны превышать значений, указанных в табл. 17.1.

Таблица 17.1 – Максимально допустимые расхождения между результатами определения высшей теплоты сгорания