Экспресс-анализ теплотворной способности топлив

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспресс-анализ теплотворной способности топлив

А.С. Холманский

Предложен и апробирован экспресс-анализ теплотворной способности различных топлив и водно-топливных эмульсий, получаемых из нефтепродуктов, а также при пиролизе растительного или органического сырья.

Для установления оптимальных режимов быстрого пиролиза биомассы и органических веществ важным критерием является величина теплотворной способности жидких и газообразных продуктов пиролиза. Для определения теплотворной способности или удельной теплоты сгорания топлива обычно используют дорогостоящие калориметры. В настоящей работе предложен и апробирован простой метод экспресс-анализа теплотворной способности жидкого топлива. С его помощью произведены оценки теплотворной способности рапсового масла и ряда горючих жидкостей, полученных методом быстрого пиролиза растительной биомассы и отходов текстильного производства. Используя данные по составу пиролизных газов, сделали оценки их средней теплотворной способности. Изучили влияние на теплоту сгорания дизельного топлива добавки воды и времени хранения водно-дизельной эмульсии.

Методика измерений

В основу метода положили сравнение теплового эффекта от сгорания равного количества топлива с известной и неизвестной удельной теплотой сгорания. Тепловой эффект фиксировали, нагревая в пламени топлива при одинаковых условиях 100 мл дистиллированной воды. Схема установки показана на рис 1.

При оценках исходили из следующего. Считали, что количество тепла (Q), выделяемое при сгорании m топлива с удельной теплотой сгорания q, полностью усваивается газообразными продуктами горения, имеющими среднюю теплоемкость C_газ, а затем некая доля этого тепла передается колбе с водой. Можно считать, что при неизменных условиях проведения опытов доля потерянного тепла (Q_потерь) будет практически одинакова для всех образцов топлива.

В данном приближении справедливы будут уравнения:

Q = m q = m C_газ(Т_гор - Т_ком ) = М_воды C_воды (T - T_ком ) + Q_потерь, (1)

Рис. 1. Установка для измерения теплотворной способности топлива. 1 - фарфоровая чашка (Ш 7 см); 2 - спираль из асбестовой нити (Ш 2 мм, длина15 см); 3 - дистиллированная вода (100 мл); 4 - колба из термостойкого стекла; 5 - ртутный термометр (цена деления 0,1^оС)

Здесь Т_гор - температура горения топлива, Т_ком - комнатная температура, Т - максимальная температура нагрева воды; М_воды = 0,1 кг, C_воды - теплоемкость воды.

Впрыскивали шприцом 1 мл топлива и определяли величину m, исходя из его плотности (с_топ), значение которой брали из справочников или определяли с помощью ареометров или путем взвешивания 1 мл топлива на аналитических весах.

С учетом сказанного и (1) для величины теплотворной способности получим выражение:

q = К ДТ /с_топ + Q_потерь, (2)

где К - постоянный коэффициент, а ДТ = (T - T_ком).

Для практических целей уравнение (2) представили в виде калибровочной прямой, для построения которой использовали ряд горючих органических жидкостей с известными значениями q и с (Рис. 2). Жидкости использовали марки ХЧ (для хроматографии).

Значения q для предельных углеводородов, спиртов и эфиров хорошо подчиняются (2). Толуол как ароматическое соединение в данных условиях сгорает не полностью, что приводит к выделению заметного количества сажи. Очевидно, что долю массы толуола превратившейся в сажу следует вычесть из величины массы фигурирующей в (1) и учесть уменьшение Q как дополнительные потери тепла (Q_сажа), которым будет соответствовать своя величина ДТ_сажа на Рис. 2.

Рис 2. Калибровочная прямая - зависимость между температурой нагревания воды и теплотворной способностью топлива

Долю потерь тепла (Q_сажа/Q) можно определить с помощью калибровочной прямой, полагая, что табличное значение q для толуола отвечает его полному сгоранию и должно лежать на прямой Рис 2. Исходя из графика получим, что для толуола потеря тепла Q_сажа из-за неполного сгорания составляет такую долю от общего количества тепла:

Q_сажа/Q = ДТ_сажа /ДТ. (3)

Для толуола из (3) следует значение 25% (8/31). Эту величину использовали для оценки доли ароматических соединений в дизельном топливе (ДТ). Как следует из Рис 2 потери тепла из-за неполного сгорания ДТ составляют ~8% (2,5/31,5). Эти 8% соответствуют ј от всего количества ароматических соединений в ДТ. Следовательно, их полная величина будет порядка 30%.

Результаты и обсуждение

Результаты измерений представлены на Рис. 2 и в Таблицах 1-3. Случайная ошибка измерения ДТ, а значит и q не превышала 10%. В таблицах приведено среднее значение <ДT>. Оценки q смесей ДТ с водой и рапсового масла проводили по формуле:

q* = q_дт (ДТ /ДТ_ДТ). (4)

Таблица 1. Величины ДТ для горючих веществ с известными характеристиками

Получение продуктов быстрого пиролиза описано в работах [1]. В настоящей работе анализировали теплотворную способность биодизелей (БД), полученных от пиролиза растительного сырья и органических отходов.

Таблица 2. Величины ДТ и экспериментальные значения q и с для дизтоплива и биодизелей

ДТ₁ - ДТ + Н₂О (30%) эмульсия месячной выдержки;

ДТ₂ - ДТ + Н₂О (30%) свежеприготовленная эмульсия;

БД₁ - отходы производства зерна;

БД₂ - отходы текстильного производства;

БД₃ - опавшие листья;

БД₄ - рапсовое масло.

По химическому составу продукты пиролиза представляют собой смесь воды, спиртов, альдегидов, эфиров и углеводородов [1]. Поэтому величину q для них определяли, исходя из измеренных величин ДТ и используя калибровочную прямую. Полученные таким образом величины оказываются близкими к эфирам и спиртам, что и подтверждает наличие в них соответствующих горючих соединений.

Значение q для рапсового масла получилась близкой к справочной величине, что свидетельствует о правомочности использования формулы (4) для определения q топлив родственных ДТ. Известно [2], что предельная стабильность водно-топливных эмульсий, приготовленных с помощью виброкавитационных гомогенизаторов, не превышает месяца для самых технологичных поверхностно-активных добавок (например, ОП-10). Согласуются с этими данными и полученные нами результаты, а именно, равенство q* ДТ₁ и q ДТ. Увеличение q* ДТ₂ по сравнению с q ДТ при снижении его плотности, очевидно, обусловлено повышением степени газификации смеси ДТ + Н₂О в процессе ее гомогенизации. Для выявления эффекта воды в этом случае следует сравнивать q* с q ДТ, прошедшего аналогичную обработку на гомогенизаторе.

Таблица 3. Состав и теплотворная способность газа, получаемого при пиролизе органического сырья и биомассы

*) пиролиз проведен в кварцевом реакторе с железом в качестве катализатора;

остальные данные относятся к пиролизу в металлическом реакторе.

Данные хроматографического анализа по составу осушенных газов, полученных при пиролизе различного сырья, приведены в [1]. Горючие компоненты газа включали предельные и непредельные углеводороды от метана до бутана (С₁ - С₄), окись углерода (СО) и незначительное количество водорода (менее 1 масс%). Входили в состав газа и негорючие неорганические продукты (O₂, N₂, CO₂). Массовую долю (c_i) горючих компонентов газа в единице объема рассчитывали с учетом распределения суммарных объемных долей органических (V_орг) и неорганических компонентов газа. Используя справочные значения теплотворной способности (q_i) для каждого горючего компонента газа, среднее значение <q_газа> оценили по формуле:

<q_газа> = У c_i q_i. (5)

Результаты оценок <q_газа> приведены в Таблице 3. Из них следует, что теплотворная способность пиролизного газа существенно зависит от химической структуры сырья.

Таким образом, можно заключить, что предложенная в работе методика экспресс-анализа жидких и газообразных топлив вполне может быть использована для оперативной оценки теплотворной способности любого вида топлива, как полученного из нефти, так и топлив, получаемых из растительного сырья или органических продуктов.

Литература

топливо биомасса пиролиз теплота

1. Холманский А.С., Сорокина Е.Ю., Порев И.А., Курганов А.А. Быстрый пиролиз клетчатки // Электронный журнал «Исследовано в России». http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/123.pdf.

2. Пиролиз древесных опилок в кварцевом реакторе // Электронный журнал. Математическая морфология. - Т. 5. - Вып. 5. - 2006. -URL: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-12-html/holmansky/holmansky.htm.

3. Технические эмульсии // dispergator.h1.ru/tecnic_inf.htm.

Размещено на Allbest.ru