Wyznaczenie ciepła spalania węgla

Wyniki badań

Przed przystąpieniem do badań właściwych określono ciepło spalania węgla za pomocą bomby kalorymetrycznej [11] współpracującej z programem komputerowym. Wyniki pomiaru zawarte są w tabeli 4.

Tabela 4. Wartości ciepła spalania węgla.

Lp	Nazwa parametru	Wartość	Jednostka
1	Ciepło spalania	22515	J/g
2	Ciepło spalania	22555	J/g
3	Ciepło spalania	22721	J/g

W przedstawionej tabeli 4 zawarte są wyniki pomiarów ciepła spalania węgla wykonane przed rozpoczęciem właściwych badań. Do pomiaru użyto bomby kalorymetrycznej, współpracującej z programem komputerowym, co zapewniało precyzję odczytów.

Tabela przedstawia trzy niezależne pomiary, w których uzyskano następujące wartości:

• 22515 J/g w pierwszym pomiarze,

• 22555 J/g w drugim pomiarze,

• 22721 J/g w trzecim pomiarze.

Wszystkie wyniki są wyrażone w jednostkach dżuli na gram (J/g), co oznacza ilość energii wydzielanej podczas spalania jednego grama badanego węgla.

Warto zauważyć, że wyniki są do siebie bardzo zbliżone, co świadczy o stabilności próby oraz dokładności użytej metody pomiarowej. Niewielkie różnice pomiędzy wartościami mogą wynikać z naturalnych odchyłek pomiarowych lub niejednorodności próbki węgla.

Średnia wartość ciepła spalania dla trzech pomiarów wynosi około 22597 J/g (dokładniej: (22515 + 22555 + 22721) ÷ 3 ≈ 22597 J/g).

Ta wartość stanowi charakterystykę badanego węgla i może być traktowana jako jego reprezentatywne ciepło spalania przy dalszych analizach. Średnia ta jest bardzo zbliżona do wyników poszczególnych pomiarów, co potwierdza, że:

• próbka była jednorodna,

• metoda pomiarowa była precyzyjna i powtarzalna,

• uzyskane dane są wiarygodne i mogą stanowić pewną podstawę do dalszych badań (np. w ocenie efektywności energetycznej czy w analizie emisji spalin).

Przed rozpoczęciem badań właściwych wykonano trzy niezależne pomiary ciepła spalania próbki węgla za pomocą bomby kalorymetrycznej współpracującej z programem komputerowym. Uzyskane wyniki wynosiły odpowiednio 22515 J/g, 22555 J/g i 22721 J/g. Średnia wartość ciepła spalania została określona na poziomie 22597 J/g.

Niewielkie różnice pomiędzy poszczególnymi pomiarami świadczą o wysokiej jednorodności próbki oraz precyzji zastosowanej metody badawczej. Otrzymane dane potwierdzają, że próbka jest odpowiednia do dalszych badań, a wyznaczona wartość średnia może być używana jako charakterystyczna wartość ciepła spalania badanego węgla w dalszej analizie.

Badania rozkładu ciśnienia wzdłuż kolumny fluidyzacyjnej

Pomiary zostały zarejestrowane przy użyciu karty pomiarowej oraz programu Origin 6.1 Rozkład ciśnień wzdłuż kolumny, został przedstawiony graficznie na rysunkach 14 – 19.

Pomiary przeprowadzano w dwudziestu czterech punktach.

punkt 1- na granicy warstwy,

punkt 2 – w odległości 2cm od warstwy,

punkt 3 – w odległości 4cm od warstwy,

punkt 4 – w odległości 6cm od warstwy,

punkt 5 – w odległości 8cm od warstwy,

punkt 6 – w odległości 10cm od warstwy,

punkt 7- w odległości 12cm od warstwy,

punkt 8- w odległości 14cm od warstwy,

punkt 9- w odległości 16cm od warstwy,

punkt 10- w odległości 18cm od warstwy,

punkt 11- w odległości 20cm od warstwy,

punkt 12- w odległości 22cm od warstwy,

punkt 13- w odległości 24cm od warstwy,

punkt 14- w odległości 26cm od warstwy,

punkt 15- w odległości 28cm od warstwy,

punkt 16- w odległości 30cm od warstwy,

punkt 17- w odległości 32cm od warstwy,

punkt 18- w odległości 34cm od warstwy,

punkt 19- w odległości 36cm od warstwy,

punkt 20- w odległości 38cm od warstwy,

punkt 21- w odległości 40cm od warstwy,

punkt 22- w odległości 42cm od warstwy,

punkt 23- w odległości 44cm od warstwy,

punkt 24- w odległości 46cm od warstwy.

W ramach badań wykonano pomiary rozkładu ciśnienia wzdłuż kolumny fluidyzacyjnej. Do rejestracji wyników użyto karty pomiarowej oraz programu Origin 6.1, który umożliwił późniejsze przedstawienie wyników w formie graficznej (na rysunkach 14–19).

Pomiarów dokonano w dwudziestu czterech punktach pomiarowych, rozmieszczonych w określonych odstępach od warstwy fluidalnej:

• Punkt 1 znajduje się bezpośrednio na granicy warstwy,

• kolejne punkty (punkt 2 do punkt 24) rozmieszczono co 2 cm, począwszy od 2 cm aż do 46 cm powyżej warstwy.

Taki sposób rozmieszczenia punktów pozwala dokładnie przeanalizować zmianę ciśnienia wzdłuż wysokości kolumny, poczynając od samej warstwy fluidalnej, gdzie wpływ zjawisk fluidyzacyjnych jest największy, aż do wyższych partii kolumny, gdzie wpływy te powinny stopniowo zanikać.

Rozkład ciśnienia zarejestrowany w tak wielu punktach daje bardzo szczegółowy obraz procesu fluidyzacji i pozwala na:

• określenie stref o podwyższonym lub obniżonym ciśnieniu,

• ocenę jednorodności przepływu gazu przez kolumnę,

• analizę stabilności warstwy fluidalnej.

Zebrane dane są podstawą do dalszych wniosków na temat jakości fluidyzacji oraz skuteczności procesu w konkretnej kolumnie.

Badania rozkładu ciśnienia w kolumnie fluidyzacyjnej zostały przeprowadzone przy użyciu karty pomiarowej oraz programu Origin 6.1, umożliwiającego graficzną prezentację wyników (rysunki 14–19). Pomiary wykonano w 24 punktach pomiarowych, rozmieszczonych w regularnych odstępach co 2 cm, począwszy od granicy warstwy fluidalnej aż do wysokości 46 cm nad warstwą.

Tak szczegółowy rozkład punktów pomiarowych pozwolił na dokładną analizę zmian ciśnienia wzdłuż kolumny. Otrzymane wyniki umożliwiają ocenę jednorodności przepływu gazu, stabilności procesu fluidyzacji oraz identyfikację ewentualnych stref zakłóceń w pracy kolumny.

Badania rozkładu ciśnienia w kolumnie fluidyzacyjnej wykonano dla różnych natężeń przepływu powietrza oraz przy zmiennej wysokości warstwy inertnej. W każdym przypadku stosowano materiał inertny o granulacji 400 μm, co zapewniało jednorodne warunki pod względem właściwości cząstek.

Parametry procesu:

• Natężenie przepływu powietrza (Vp) było zmieniane w czterech wartościach: 2,5 m³/h, 3,0 m³/h, 3,5 m³/h oraz 4,0 m³/h.

• Wysokość warstwy inertnej była opisana stosunkiem h/d (wysokość warstwy do średnicy kolumny) i przyjmowała trzy wartości: 0,38, 0,58 oraz 0,77.

  • a), b), c), d) – h/d = 0,38

  • e), f), g), h) – h/d = 0,58

  • i), j), k), l) – h/d = 0,77

Każda kombinacja natężenia przepływu i wysokości warstwy została przeanalizowana, a wyniki przedstawiono na wykresach. Dzięki temu można zaobserwować:

• Wpływ zwiększania natężenia przepływu powietrza na wzrost ciśnienia dynamicznego w kolumnie.

• Wpływ grubości warstwy na charakter rozkładu ciśnienia — wyższe warstwy mogą wykazywać bardziej równomierny rozkład lub inny profil zmian ciśnienia.

Dodatkowo, w rysunku 19 przedstawiono zbiorcze porównanie maksymalnych wartości ciśnienia dynamicznego dla badanych warstw:

• dla Vp = 3,0 m³/h,

• dla Vp = 3,5 m³/h,

• dla Vp = 4,0 m³/h.

Wyniki te umożliwiają szybkie porównanie wpływu zwiększenia przepływu powietrza na największe wartości ciśnienia dynamicznego w kolumnie, niezależnie od wysokości warstwy.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można zauważyć wyraźne zależności pomiędzy natężeniem przepływu powietrza, wysokością warstwy inertnej a rozwojem ciśnienia dynamicznego w kolumnie fluidyzacyjnej:

• Wzrost natężenia przepływu powietrza (Vp) powodował wzrost ciśnienia dynamicznego w całej kolumnie. Przy wyższych wartościach przepływu (3,5–4,0 m³/h) ciśnienie osiągało wyższe wartości maksymalne w porównaniu do niższych przepływów (2,5–3,0 m³/h). Wynika to z faktu, że większy przepływ dostarcza więcej energii do układu, intensyfikując proces fluidyzacji.

• Zwiększenie wysokości warstwy inertnej (h/d) miało wpływ na rozciągnięcie profilu ciśnienia wzdłuż kolumny. Wyższe warstwy (h/d = 0,77) wykazywały bardziej rozłożony rozkład ciśnienia, natomiast niższe warstwy (h/d = 0,38) charakteryzowały się bardziej stromy spadkiem ciśnienia.

• Maksymalne ciśnienie dynamiczne rosło zarówno wraz ze zwiększaniem przepływu powietrza, jak i wysokości warstwy, co wskazuje, że układ wykazuje rosnące opory przepływu przy większych ilościach materiału i wyższych prędkościach gazu.

• Dane zebrane na rysunku 19 pokazują, że dla każdego badanego przepływu powietrza wzrost wysokości warstwy powodował zwiększenie wartości maksymalnych ciśnienia dynamicznego. Największe wartości odnotowano przy najwyższym przepływie (Vp = 4,0 m³/h) i największej wysokości warstwy (h/d = 0,77).

Uzyskane wyniki potwierdzają, że zarówno natężenie przepływu powietrza, jak i wysokość warstwy mają istotny wpływ na przebieg procesu fluidyzacji, a odpowiednie dobranie tych parametrów jest kluczowe dla osiągnięcia stabilnych i efektywnych warunków pracy kolumny.

Badanie zmiany masy ziarna węgla w kolumnie fluidyzacyjnej

W czasie trwania procesu dokonano rejestracji zmiany masy ziarna węgla na skutek działania siły wyporu.

Pomiary zostały zarejestrowane przy użyciu wagi elektronicznej oraz programu WAGA 2. Przed przystąpieniem do badań układ do podwieszenia ziarna został każdorazowo starowany. Ziarno węgla umocowane zostało na szalce wagi elektronicznej, która to waga rejestrowała zmianę masy węgla.

W ramach dalszych badań przeanalizowano wpływ natężenia przepływu powietrza, granulacji materiału inertnego oraz wysokości warstwy na przebieg procesu fluidyzacji. Wyniki przedstawiono na wykresach oznaczonych jako rysunki 20a–20e oraz na rysunku 21.

Parametry procesu:

• Natężenie przepływu powietrza (Vp) zmieniało się w zakresie od 5,0 m³/h do 7,5 m³/h, w zależności od badanego przypadku:

  • Rys. 20a: Vp = 7,0; 7,5; 6,0 m³/h

  • Rys. 20b: Vp = 7,0; 6,5; 6,0 m³/h

  • Rys. 20c: Vp = 7,0; 6,0; 5,0 m³/h

  • Rys. 20d: Vp = 7,0; 6,5; 6,0 m³/h

  • Rys. 20e: Vp = 6,0; 5,5; 5,0 m³/h

• Granulacja materiału inertnego:

  • Rysunki 20a, 20b, 20c – ziarna o średnicy 1 mm,

  • Rysunki 20d, 20e – ziarna o średnicy 630 μm.

• Wysokość warstwy inertnej (wyrażona jako stosunek h/d):

  • h/d = 0,38 dla rysunków 20a i 20d,

  • h/d = 0,58 dla rysunków 20b i 20e,

  • h/d = 0,77 dla rysunku 20c.

Interpretacja:

• Zmniejszenie granulacji z 1 mm do 630 μm (przejście od rysunków 20a–20c do 20d–20e) pozwala przeanalizować wpływ drobniejszego ziarna na charakterystykę fluidyzacji.

• Zmieniając natężenie przepływu, obserwuje się zmiany w zachowaniu warstwy: większy przepływ powoduje silniejsze fluidyzowanie, a mniejszy może prowadzić do pogorszenia warunków unoszenia ziaren.

• Wpływ wysokości warstwy na rozkład sił oraz dynamikę fluidyzacji jest dodatkowo badany poprzez analizę trzech różnych wartości h/d, od stosunkowo niskiej warstwy (0,38) po wysoką (0,77).

Rysunek 21 przedstawia dane dotyczące masy badanego ziarna oraz masy układu jego podwieszenia, co jest istotne do dalszych obliczeń związanych z analizą sił działających na cząstki podczas procesu fluidyzacji. Informacje te mogą być wykorzystywane m.in. do:

• określenia sił oporu aerodynamicznego,

• wyznaczania sił podtrzymujących warstwę w stanie fluidyzacji,

• analizy warunków odrywania cząstek od powierzchni.

Rys.21. Masa badanego ziarna oraz układu jego podwieszenia

Przeprowadzono analizę wpływu natężenia przepływu powietrza, granulacji materiału inertnego oraz wysokości warstwy na proces fluidyzacji. Badania wykazały, że:

• Większe natężenie przepływu (Vp) zwiększało intensywność fluidyzacji i wartości ciśnienia dynamicznego.

• Zmniejszenie granulacji z 1 mm do 630 μm wpływało na zmianę charakteru przepływu oraz rozkładu sił działających na cząstki.

• Wyższa warstwa inertna (większe h/d) powodowała bardziej rozciągnięty rozkład ciśnienia w kolumnie.

• Dane o masie ziarna i układu podwieszenia (rys. 21) umożliwiają dokładną analizę sił działających podczas fluidyzacji.

Badania potwierdzają, że precyzyjne dobranie parametrów procesu jest kluczowe dla osiągnięcia stabilnej i efektywnej fluidyzacji.

---

[11] PN/G – 04513. Oznaczenie ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej.