16.1. Определение содержания углерода и водорода

Углерод и водород в топливе определяют одновременно, т. е. из одной навески, с помощью методов, в основе которых лежит принцип полного сожжения топлива в токе кислорода и определение количества образую­щихся при этом СО₂ и Н₂О.

Действующий ГОСТ 2408.1-95 (ИСО 625:1996) “Топливо твёрдое минеральное. Методы определения углерода и водорода» применяют для определения содержания общего углерода и водорода в каменном и буром угле, лигните, коксе, антраците, горючих сланцах и торфе. Он устанавливает два метода определения углерода и водорода: метод Либиха и ускоренный метод.

Сущность метода Либиха состоит в следующем: навеску топлива сжигают в трубке в медленном токе кислорода (12 см³/мин); образующиеся при этом продукты неполного сгорания дожигают над нагретым до 800°С оксидом меди до СО₂ и Н₂О, которые затем определяют гравиметрическим методом. Установка для определения углерода и водорода состоит из системы очистки кислорода, трубки для сожжения, нагреваемой электропечами, и цепи аппаратов для поглощения СО₂ и Н₂О.

В ускоренном методе увеличена скорость тока кислорода до 180-220 см³/мин. Навеску топлива покрывают твёрдым окислителем (оксид меди или хрома). В результате этого процесс сожжения становится стабильным, скорость сожжения не зависит от вида топлива и легко поддается автоматизации, продолжитель­ность анализа уменьшается в 5-6 раз.

Результаты определения включают углерод из карбонатов минеральной массы и водород, входящий в состав аналитической влаги и гидратной воды силикатов. Одновременно определяют аналитическую влагу в топливе и в значение содержания водорода, полученное при сжигании, вводят поправку. Определяют диоксид углерода из карбонатов и для получения органического углерода в величину общего углерода вводят поправку на содержание углерода в карбонатах минеральной массы.

Во всех этих стандартных методах определения углерода и водорода достигается одинаковая точность. Поэтому остановимся более подробно на методике определения содержания углерода и водо­рода в твёрдом топливе ускоренным методом.

Подготовка к испытанию. Для определения углерода и водорода ускоренным методом собирают специальную установку. Установка состоит из четырёх трубчатых печей типа СУОЛ 0,25.1.1/12 MP (внутренний диаметр до 25 мм, длина рабочей части 110 мм, макси­мальная температура нагрева 1200°С). Первая по ходу газа печь, называемая электрогорелкой, может передвигаться вдоль трубки.

В трубчатые печи помещают кварцевую трубку длиной 75-100 см и внутренним диаметром 18-20 мм. В трубке можно выделить три основ­ные зоны: первая (по ходу газа) – пустая, предназначена для помещения лодочки с навеской и сожжения навески топлива; вторая (210-220 мм) – заполнена гранулированным оксидом меди или оксидом хрома и предназначена для доокисления продуктов сожжения; третья (100-110 мм) – заполнена РbСrО₄ для поглощения оксидов серы. Зоны отделяют друг от друга пробками из медной сетки (10 мм) или из прокаленного волокнистого асбеста. Каждая из зон нагревается отдельной печью до соответствующей температуры: первая до 900°С, вторая до 800°С, третья до 600°С. При работе с четырьмя печами типа СУОЛ вторая зона нагревается двумя печами (второй и третьей).

Кислород поступает в систему со скоростью 180-220 см³/мин из бал­лона через редуктор и вентиль, обеспечивающий тонкую регулировку по­дачи.

В системе очистки кислорода от СО₂ и Н₂О и в поглотительной цепи применяют аскарит или 40%-ный раствор гидроксида калия для поглоще­ния СО₂ и ангидрон (безводный перхлорат магния) или концентрированную серную кислоту (плотность 1,84 г/см³) для поглощения Н₂О. В поглотитель­ной цепи раствор щелочи помещают в калиаппарат (грушевидный прибор), серную кислоту — в змеевик (спиральный прибор).

Проведение испытания.

Из аналитической пробы топлива отбирают в предварительно взвешенную лодочку навеску 0,25-0,30 г, равномерно распределяют её по дну лодочки и взвешивают. Все взвешивания производят с пределом допускае­мой погрешности ±0,1 мг. Навеску засыпают предварительно прокаленным порошкообразным оксидом меди или оксидом хрома до края лодочки.

К установке присоединяют предварительно взвешенные поглотительные аппараты. Вносят лодочку в трубку для сжигания и помещают её на рас­стоянии 1-2 см от переднего края электрогорелки. Электрогорелку пере­двигают навстречу току кислорода с такой скоростью, чтобы через 4-5 мин после начала сожжения лодочка находилась в центре рабочей зоны электро­горелки. Продолжительность сжигания в этом положении 8-10 мин. Затем в течение 1 мин передвигают электрогорелку навстречу току кислорода до начала трубки. Для того чтобы полностью вытеснить газы сожжения из трубки, электрогорелку передвигают по ходу кислорода, выдерживая её 4-5 мин над лодочкой и в течение 2-3 мин перемещая её до второй печи. Общая продолжительность сожжения составляет около 20 мин.

Отсоединяют поглотительные аппараты и сразу же закрывают их резиновыми трубками со вставленными в них стеклянными палочками. К открытому концу трубки присоединяют склянку с серной кислотой. Взвешивают поглотительные аппараты. Появление желтой окраски серной кислоты в змеевике является показателем неполноты сгорания топлива.

Массовую долю общего углерода в аналитической пробе топлива (С_t^a) рассчитывают по формуле:

С_t^a = 0,2729?m₂?100/m₁, % (16.1)

где m₁ – масса навески топлива, г;

m₂ – суммарное увеличение массы сосудов, предназначенных для поглощения диоксида углерода, г;

0,2729 – коэффициент пересчёта массы СО₂ на С.

Массовую долю органического углерода в аналитической пробе топлива (С_о^a) в процентах вычисляют по формуле:

С_о^a = С_t^a – 0,2729? (СО₂)^a, (16.2)

где (СО₂)^a – массовая доля диоксида углерода карбонатов в аналитической пробе топлива, определяемая по ГОСТ 13455-91, %.

Массовую долю общего водорода в аналитической пробе топлива (Н_t^a) вычисляют по формуле:

Н_t^a = (100? m₃/m₁ – W^a)? 0,1119, % (16.3)

где m₁ – масса навески топлива, г;

m₃ – увеличение массы сосуда, предназначенного для поглощения влаги, г;

0,1119 – коэффициент пересчёта массы Н₂О на Н;

W^a – массовая доля влаги в аналитической пробе топлива, %.

Массовую долю органического водорода в аналитической пробе топлива (Н_о^a) в процентах вычисляют по формуле:

Н_о^a = Н_t^a – 0,1119 ? W^a_ММ, (16.4)

где W^a_ММ – массовая доля гидратной влаги в аналитической пробе топлива, %.

За результат определения принимают среднее арифметическое результатов двух определений с точностью до 0,1% при определении массовой доли углерода и с точностью до 0,01% при определении массовой доли водорода.

Пересчёт результатов определения массовой доли углерода и водорода на другие состояния топлива производят по формулам, приве­денным в табл. 13.1.

Расхождения между результатами двух параллельных определений не должны превышать значений, указанных в табл. 16.1.

Таблица 16.1 – Максимально допустимые расхождения между результатами определения водорода и углерода