Общие сведения. Теплота сгорания углей является одной из важнейших его энергетических характеристик

ГЛАВА 10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ УГЛЕЙ

Теплота сгорания углей является одной из важнейших его энергетических характеристик. Основными горючими веществами в угле являются углерод, водород и отчасти сера (органическая и колчеданная). При горении углерода по реакции

С+О₂=СО₂

выделяется 8137 ккал/кг тепла[17].

Свободный водород, сгорая, в воду (при 18⁰ С) выделяет 34 180 ккал/кг тепла. Если вода получается в виде пара, то выделяется 28 905 ккал/кг тепла.

Соединения водорода с углеродом дают примерно такие же количества тепла, но водород, связанный с кислородом (Н₂О), в тепловом отношении является не только потерянным, но даже вредной составной частью угля (затрачивается тепло на испарение). Процентное содержание связанного водорода в угле упрощено, его представляют равным .

Сера выделяет при сгорании в SO₂ 2187 ккал/кг тепла.

Если допустить, что элементы, входящие в состав угольного вещества, дают при сгорании столько же тепла, сколько и в свободном состоянии, то приближенно по составу угля его высшую теплоту сгорания можно выразить так:

, ккал/кг

При учете расхода тепла на испарение гигроскопической влаги (600 W/100) выражение низшей теплоты сгорания по составу угля принимает вид:

, ккал/кг

где W - содержание в угле гигроскопической влаги, %.

Д. И. Менделеев дает упрощенную формулу (округление коэффициентов, уменьшение числа составных частей) для определения теплоты сгорания угля:

Q=81C+300H-26(O-S), ккал/кг,

где C, H, O, S - содержание в угле соответственно углерода, водорода, кислорода и серы, %.

При определении теплоты сгорания надо учитывать фазовое состояние, как сжигаемого вещества, так и продуктов реакции. Если в результате реакции получается газ, то определенная опытом теплота сгорания при постоянном объеме Q_V отличается от теплоты сгорания при постоянном давлении Q_P на величину работы, которую могут совершить образующиеся газы:

Q_P=Q_V+RT(n¢-n),

где n¢ - число молей газа до реакции;

n - число молей газа после реакции;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - температура, ⁰К.

Экспериментально теплоту сгорания угля определяют (по ГОСТ 147 - 74) путем сжигания навески аналитической пробы угля в калориметрической бомбе (при постоянном объеме) в среде сжатого кислорода, насыщенного водяным паром, и в определении количества теплоты, выделившейся при сгорании угля, а также при образовании и растворении в воде серной и азотной кислот в условиях испытания угля.

Навеску угля помещают в чашечку, располагаемую внутри калориметрической бомбы, заполненной кислородом под давлением 25 - 30 кг/см² и соединенной с запалом тонкой (диаметр 0,1 - 0,2 мм) проволокой, с помощью которой, пропуская электрический ток, поджигают навеску.

Зная вес сожженного угля и количество воды в калориметрическом сосуде, наблюдая повышение ее температуры, вычисляют теплоту сгорания угля. Следует учитывать, что при сжигании угля в топках содержащаяся в нем вода переходит в пар, удаляющийся вместе с топочными газами, унося с собой скрытую теплоту парообразования, в бомбе же пар конденсируется.

Содержащиеся в угле сера и азот в бомбе окисляются и образуют серную и азотную кислоты с выделением некоторого количества тепла. В топках этого не происходит - горючие соединения серы в угле образуют сернистый газ, уходящий вместе с продуктами сгорания угля. Азот же не окисляется и удаляется из топки в виде инертного газа. Поэтому в полученные результаты анализа вносят поправки на скрытую теплоту парообразования в топках и теплоту образования кислот в бомбе.