- Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 6. -

Вып. 3. - 2007. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

 

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-15-html/TITL-15.htm

 

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-15-html/cont.htm

 

 

УДК 662.6(03)

 

ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗ  ТЕПЛОТВОРНОЙ  СПОСОБНОСТИ  ТОПЛИВ

(kholmanskiy.doc)

 

Ó 2007 г. Холманский А.С.

 

 

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

 Ключевые слова: топливо, горение, теплотворность, пиролиз.

 

   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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

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 Cгаз, а затем некая доля этого тепла передается колбе с водой. Можно считать, что при неизменных  условиях проведения опытов доля потерянного тепла (Qпотерь) будет практически одинакова для всех образцов топлива.

  В данном приближении справедливы будут уравнения:

                    

Q = m q = m Cгаз(Тгор – Тком ) =  Мводы Cводы (T – Tком ) + Qпотерь         (1)

 

  Здесь Тгор – температура горения топлива, Тком –  комнатная температура, Т – максимальная температура нагрева воды; Мводы = 0,1 кг, Cводы – теплоемкость воды.

Впрыскивали шприцом 1 мл топлива и определяли величину m, исходя из его плотности  (ρтоп), 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 ΔТ /ρтоп + Qпотерь,     (2)

 

где К – постоянный коэффициент, а ΔТ = (T - Tком ).

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

 

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

 

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 (Qсажа), которым будет соответствовать своя величина ΔТсажа на Рис 2.

  Долю потерь тепла (Qсажа/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 Qсажа из-за неполного сгорания составляет такую долю от общего количества тепла:

 

Qсажа/Q = ΔТсажа /ΔТ          (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 ¼ 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 ΔТ, а значит и q не превышала 10%. В таблицах приведено среднее значение <ΔT>. Оценки q  смесей ДТ с водой и рапсового масла  проводили по формуле:

q* = qдт (ΔТ /ΔТДТ)            (4)

                                                                             

Таблица 1

Величины ΔТ  для горючих веществ с известными характеристиками

 

Вещество

Этилацетат

Этанол

Ацетон

Пропанол

Толуол

Гексан

Октан

<ΔT> (К)

19,1

24,1

24,0

26,4

23,3

33,3

35,7

q (МДж/кг)

25,5

29,8

30,8

33,3

42,5

48,4

48,0

ρ (кг/м3)

900

789

791

785, 804

866

660

702

 

 

 

 

 

 

 

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 ΔТ  и экспериментальные значения q и ρ для дизтоплива и биодизелей

 

Топливо

ДТ

ДТ1

ДТ2

БД1

БД2

БД3

БД4

 

<ΔT> (К)

28,4

28,1

29,8

20,0

28,4

20,5

24,2

q (МДж/кг)

43

42,5*

45*

26

38

27

37*

ρ  (Кг/м3)

824

823

816

1,02

850

~900

920

 

 

 

 

 

 

 

 

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 ΔТ 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

 

Сырье

Тпирол

(оС)

Массовые доли горючих газов

(масс%)

Vорг

(%)

<qгаза>

(МДж/кг)

CH4

C2

C3

C4

CO

Древесные

опилки

650

14,8

2,9

7,0

3,1

36

28

18,3

750*

13,7

0,9

11,6

0,4

47

16,5

19,0

Солома озимой ржи

~600

49,2

15,0

18

7

~30

90

~50

Опавшие листья

-«-

37,8

6,5

4,4

1,2

32

50

30,4

Отходы текстиля

-«-

 

38,7

8,1

11,8

5,2

23,4

65

36,6

qi (МДж/кг)

–

55,6

51,9

~50,5

49,5

10,1

–

–

  *) 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 (ci) горючих компонентов газа в единице объема рассчитывали с учетом распределения суммарных объемных долей органических (Vорг) и неорганических компонентов газа. Используя справочные значения теплотворной способности (qi) для каждого горючего компонента газа, среднее значение <qгаза>  оценили по формуле:

 

<qгаза> = Σ ci qi     (5)

 

Результаты оценок <qгаза>  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

 

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; 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.

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

 

The express-analysis of a calorific value fuels

 

Kholmanskiy A.S.

 

The summary. The express-analysis of a calorific value various fuels and aqua-fuel emulsions gained of oil products is offered and approved, and also at pyrolysis of vegetative or organic raw material.

Keywords: fuel, burning, calorific, pyrolysis.

 

 

ГНУ ВНИИ электрификации сельского хозяйства (Москва).

  Поступила в редакцию 1.08.2007.