🔥 Ciepło spalania i wartość opałowa biopaliw stałych — bomba kalorymetryczna
Krótko: o co chodzi
Spalanie odważki biopaliwa w tlenie pod ciśnieniem 3 MPa w bombie kalorymetrycznej wzorcowanej kwasem benzoesowym; ciepło spalania przy stałej objętości w 25 °C, wartość opałowa z obliczeń (wilgoć, wodór). Badanie wykonuje się według normy PN-EN ISO 18125:2017-07; Zakres GIG: 8055–37581 kJ/kg (metoda kalorymetryczna). Procedura obejmuje 8 kroków; stosuje się je m.in. do: Rozliczanie dostaw biomasy energetycznej według energii (pelet, zrębki, słoma, odpady drzewne), Klasyfikacja pelet i brykietów wg specyfikacji biopaliw (wartość opałowa w stanie roboczym), Bilanse energetyczne kotłów i instalacji na biomasę.
W skrócie
- Norma: PN-EN ISO 18125:2017-07
- Kategoria: Petrochemia
- Kroków procedury: 8
- Temperatura odniesienia: 25 °C (międzynarodowa temperatura odniesienia w termochemii)
- Tlen: Ciśnienie w bombie 3 MPa, czystość ≥ 99,5 % obj., bez substancji palnych (tlen elektrolityczny może zawierać do 4 % H2)
- Kalibrant: Certyfikowany kwas benzoesowy
Przegląd
Norma określa metodę oznaczania ciepła spalania biopaliwa stałego przy stałej objętości i w temperaturze odniesienia 25 °C w bombie kalorymetrycznej wzorcowanej przez spalanie certyfikowanego kwasu benzoesowego. Wynikiem jest ciepło spalania próbki analitycznej przy stałej objętości, z całą wodą produktów spalania w postaci ciekłej. W praktyce biopaliwa spala się pod stałym ciśnieniem atmosferycznym, a woda nie jest skraplana albo jest skraplana — w obu przypadkach użytecznym ciepłem jest wartość opałowa przy stałym ciśnieniu; norma podaje wzory na wartość opałową przy stałej objętości i przy stałym ciśnieniu. Ogólne zasady kalibracji i doświadczeń podano w tekście głównym, a procedury dla poszczególnych typów kalorymetrów w załącznikach A (adiabatyczne), B (izoperiboliczne i o stałym płaszczu) i C (automatyczne); załącznik D zawiera listy kontrolne, E przykłady obliczeń, G wartości domyślne dla typowych biopaliw.
Ciepło spalania i wartość opałowa stanowią podstawę oceny jakości paliwa jako surowca energetycznego; zależą silnie od rodzaju paliwa i wilgoci (biomasa 8–17 MJ/kg, węgle kamienne 16,7–29,3 MJ/kg wg PWr). Do obliczenia wartości opałowej przy stałej objętości potrzebne są zawartości wilgoci i wodoru w próbce analitycznej, a przy stałym ciśnieniu w zasadzie także tlenu i azotu. Zależność ciepła spalania od temperatury jest mała (poniżej 1 J/(g·K)).
Bomba może służyć równocześnie do roztworzenia próbki na oznaczenie siarki i chloru (ISO 16994). W GIG ciepło spalania biopaliw oznacza się wg PN-EN ISO 18125:2017-07 metodą kalorymetryczną w zakresie 8055–37581 kJ/kg, a wartość opałową z obliczeń; kalorymetry izoperiboliczne wykonują pomiar w kilka minut.
Zasada metody
Odważkę próbki analitycznej spala się w tlenie pod wysokim ciśnieniem w bombie kalorymetrycznej w ustalonych warunkach. Efektywną pojemność cieplną kalorymetru wyznacza się w doświadczeniach kalibracyjnych przez spalanie certyfikowanego kwasu benzoesowego w podobnych warunkach. Skorygowany przyrost temperatury ustala się z obserwacji temperatury przed, w trakcie i po reakcji spalania (czas i częstość obserwacji zależą od typu kalorymetru). Do bomby dodaje się na początku wodę, aby uzyskać nasyconą fazę parową i traktować całą powstałą wodę (z wodoru i wilgoci próbki) jako ciekłą. Ciepło spalania oblicza się ze skorygowanego przyrostu temperatury i efektywnej pojemności cieplnej z uwzględnieniem energii zapłonu, spalania drucika lub nici oraz efektów cieplnych reakcji ubocznych (tworzenie kwasu azotowego) i poprawki na różnicę energii między wodnym kwasem siarkowym a gazowym SO2; efekt kwasu solnego można dla biopaliw pominąć.
Zastosowania
- Rozliczanie dostaw biomasy energetycznej według energii (pelet, zrębki, słoma, odpady drzewne)
- Klasyfikacja pelet i brykietów wg specyfikacji biopaliw (wartość opałowa w stanie roboczym)
- Bilanse energetyczne kotłów i instalacji na biomasę
- Roztwarzanie próbki do oznaczania siarki i chloru (ISO 16994, metoda A)
- Badania biegłości laboratoriów paliw stałych
Kluczowe parametry
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Temperatura odniesienia | 25 °C (międzynarodowa temperatura odniesienia w termochemii) |
| Tlen | Ciśnienie w bombie 3 MPa, czystość ≥ 99,5 % obj., bez substancji palnych (tlen elektrolityczny może zawierać do 4 % H2) |
| Kalibrant | Certyfikowany kwas benzoesowy |
| Drucik zapłonowy | Ni-Cr 0,16–0,20 mm lub platynowy 0,05–0,10 mm; opcjonalnie nić bawełniana |
| Wynik | Ciepło spalania przy stałej objętości; wartość opałowa przy stałej objętości i przy stałym ciśnieniu z obliczeń |
| Zakres GIG | 8055–37581 kJ/kg (metoda kalorymetryczna) |
Norma
- Numer normy
- PN-EN ISO 18125:2017-07
- Tytuł (PL)
- Biopaliwa stałe — Oznaczanie wartości opałowej
- Title (EN)
- Solid biofuels — Determination of calorific value
Procedura krok po kroku
-
Kalibracja
Wyznaczyć efektywną pojemność cieplną kalorymetru ε przez spalanie certyfikowanego kwasu benzoesowego w warunkach podobnych do doświadczeń z paliwem, z uwzględnieniem warunków certyfikatu (rozdz. 9: kalibrant, zakres roboczy ε, udziały pomocnicze, precyzja ε, ponowne wyznaczanie).
-
Przygotowanie próbki
Przygotować próbkę analityczną wg ISO 14780 (rozdz. 7) i oznaczyć równocześnie wilgoć wg ISO 18134-3; w razie potrzeby sprasować pastylkę lub użyć pomocy spalania (kapsułka, torebka, kwas benzoesowy).
-
Przygotowanie bomby
Odważyć porcję do tygielka, zamocować drucik zapłonowy (Ni-Cr 0,16–0,20 mm lub Pt 0,05–0,10 mm) i w razie potrzeby nić bawełnianą, dodać do bomby wodę dla nasycenia fazy parowej, zamknąć i napełnić tlenem do 3 MPa (8.2).
-
Zestawienie kalorymetru
Umieścić bombę w naczyniu kalorymetrycznym z odmierzoną ilością wody (podstawa: stała masa wody kalorymetru lub stała masa całkowita), zmontować kalorymetr (8.3).
-
Spalanie i pomiar temperatury
Zapalić próbkę i rejestrować temperaturę przed, w trakcie i po spalaniu według procedury dla danego typu kalorymetru (8.4; zał. A–C).
-
Skorygowany przyrost temperatury
Obliczyć obserwowany przyrost temperatury i skorygować o wymianę ciepła, moc mieszania itd. (8.6: kalorymetry izoperiboliczne i o stałym płaszczu, adiabatyczne, poprawki termometru); odnieść do temperatury 25 °C (8.7).
-
Analiza produktów spalania (gdy wymagana)
Oznaczyć w roztworze z bomby kwas azotowy i siarkowy roztworami mianowanymi (8.5) albo przyjąć wartości domyślne dla typowych biopaliw (zał. G).
-
Obliczenie
Ciepło spalania przy stałej objętości z θ i ε z poprawkami na energię zapłonu, drucik/nić, kwas azotowy i siarkę (rozdz. 10); wartość opałową przy stałej objętości z wilgoci i wodoru, a przy stałym ciśnieniu dodatkowo z tlenu i azotu (rozdz. 12); przeliczyć na wymagane stany (10.5).
Wymagany sprzęt i aparatura
| Sprzęt | Przykład | Orientacyjna cena |
|---|---|---|
| Kalorymetr z bombą | Adiabatyczny (zał. A), izoperiboliczny lub o stałym płaszczu (zał. B) albo automatyczny (zał. C); bomba na ciśnienie tlenu 3 MPa | — |
| Termometry kalorymetryczne | Wg ISO 651 / ISO 652 lub czujniki platynowe, termistory, rezonatory kwarcowe o ustalonej zależności od temperatury | — |
| Waga analityczna | Do odważania próbki, kalibrantu i pomocy spalania | — |
| Prasa do pastylek (opcjonalnie) | Do formowania pastylek z biopaliwa lub kwasu benzoesowego | — |
| Aparatura do analizy roztworu z bomby (gdy wymagana) | Biureta, roztwory mianowane i wskaźnik do oznaczania kwasu azotowego i siarkowego | — |
Odczynniki, podłoża i materiały eksploatacyjne
| Odczynnik | CAS | Szczegóły |
|---|---|---|
| Tlen | — | Ciśnienie wystarczające do napełnienia bomby do 3 MPa, czystość ≥ 99,5 % obj., wolny od substancji palnych |
| Kwas benzoesowy certyfikowany | 65-85-0 | Kalibrant o certyfikowanym cieple spalania; także pomoc spalania |
| Pomoce spalania | — | O znanym cieple spalania, składzie i czystości: kwas benzoesowy, n-dodekan, olej parafinowy, torebki lub kapsułki spalania |
| Roztwory mianowane i wskaźnik (tylko do analizy roztworu z bomby) | — | Ba(OH)2 0,05 mol/l, Na2CO3 0,05 mol/l, NaOH 0,1 mol/l, HCl 0,1 mol/l; wskaźnik: oranż metylowy 0,25 g + cyjanol ksylenowy FF 0,15 g w 50 ml etanolu 95 %, uzupełnione wodą do 250 ml |
Bezpieczeństwo i higiena pracy (BHP)
- Bomba pod ciśnieniem tlenu 3 MPa — używać tylko bomb sprawdzonych ciśnieniowo, nie przekraczać dopuszczalnej masy próbki, tlen wolny od substancji palnych, brak smarów w armaturze tlenowej
- Zapłon próbek o nieznanej reaktywności — osłona kalorymetru, nie pochylać się nad bombą podczas zapłonu
- Roztwór z bomby zawiera kwasy azotowy i siarkowy — rękawice i okulary przy otwieraniu i płukaniu bomby
Najczęstsze pytania
Jaka norma opisuje to badanie?
Badanie wykonuje się według normy PN-EN ISO 18125:2017-07 — „Biopaliwa stałe — Oznaczanie wartości opałowej”. Tytuł angielski: „Solid biofuels — Determination of calorific value”.
Na czym polega ta metoda?
Odważkę próbki analitycznej spala się w tlenie pod wysokim ciśnieniem w bombie kalorymetrycznej w ustalonych warunkach. Efektywną pojemność cieplną kalorymetru wyznacza się w doświadczeniach kalibracyjnych przez spalanie certyfikowanego kwasu benzoesowego w podobnych warunkach.
Jaki jest zakres pomiarowy i dokładność?
Temperatura odniesienia: 25 °C (międzynarodowa temperatura odniesienia w termochemii); Tlen: Ciśnienie w bombie 3 MPa, czystość ≥ 99,5 % obj., bez substancji palnych (tlen elektrolityczny może zawierać do 4 % H2); Kalibrant: Certyfikowany kwas benzoesowy; Drucik zapłonowy: Ni-Cr 0,16–0,20 mm lub platynowy 0,05–0,10 mm; opcjonalnie nić bawełniana.
Ile trwa wykonanie badania?
Procedura obejmuje 8 kroków. Norma nie podaje czasu trwania dla wszystkich etapów — decyduje procedura laboratorium.
Jaki sprzęt jest potrzebny?
Kalorymetr z bombą, Termometry kalorymetryczne, Waga analityczna, Prasa do pastylek (opcjonalnie), Aparatura do analizy roztworu z bomby (gdy wymagana).
Gdzie stosuje się to badanie?
Rozliczanie dostaw biomasy energetycznej według energii (pelet, zrębki, słoma, odpady drzewne); Klasyfikacja pelet i brykietów wg specyfikacji biopaliw (wartość opałowa w stanie roboczym); Bilanse energetyczne kotłów i instalacji na biomasę; Roztwarzanie próbki do oznaczania siarki i chloru (ISO 16994, metoda A); Badania biegłości laboratoriów paliw stałych.
Jakie środki ostrożności obowiązują?
Bomba pod ciśnieniem tlenu 3 MPa — używać tylko bomb sprawdzonych ciśnieniowo, nie przekraczać dopuszczalnej masy próbki, tlen wolny od substancji palnych, brak smarów w armaturze tlenowej; Zapłon próbek o nieznanej reaktywności — osłona kalorymetru, nie pochylać się nad bombą podczas zapłonu; Roztwór z bomby zawiera kwasy azotowy i siarkowy — rękawice i okulary przy otwieraniu i płukaniu bomby.
Które laboratorium wykona to badanie?
Badanie wykonują laboratoria akredytowane według ISO/IEC 17025. Na LabCoda wyszukasz je po numerze normy PN-EN ISO 18125.