Heizwertbestimmung von Kohle u.s.w. Von W. M. Lehnert, Darmstadt. Heizwertbestimmung von Kohle u.s.w. Die ausserordentliche Zunahme, welche der Verbrauch von Brennstoffen in den letzten Jahrzehnten erfahren hat, ist die Veranlassung zu Berechnungen über die Ausgiebigkeit verschiedener Kohlenlager gewesen. Man ist dabeizu dem Ergebnis gekommen, dass an einzelnen Orten in nicht zu fernen Zeiten ein Mangel an Brennstoff eintreten wird. Diese Thatsache, in Verbindung mit der Erkenntnis, dass in unseren heutigen Wärmekraftmaschinen nur ein kleiner Bruchteil der in den Brennmaterialien aufgespeicherten Energie in dem von uns beabsichtigten Sinn Verwendung findet, haben das Interesse für die Brennstoffe in der neueren Zeit nicht unwesentlich gesteigert. Granz in den Hintergrund verliert sich der in der Mitte der 90er Jahre seitens der Elektrotechnik gepflegte bequeme Gedanke, dass es unserer erfindungsreichen Zeit gelingen werde, einen anderen und billigeren Brennstoff als Kohle zu entdecken, vielleicht das Wasser zu zerlegen und im Wasserstoff eine unversiegbare Wärmequelle zu finden. Dass dies ein Wahn war, geht daraus hervor, dass der Vorrat an Energie, welcher in den Kohlenlagern aufgespeichert ist, seine Entstehung derjenigen Energie verdankt, welche die Sonne der Erde in Form von strahlender Wärme in langen, dem Bestehen des Menschengeschlechtes vorausgegangenen Zeiten zugewendet hat. Wenn also dieser Vorrat verbraucht sein wird, wird kein Mittel einer noch so weit vorgerückten Wissenschaft im stande sein, eine identische Energiequelle zu eröffnen und die Menschen darauf angewiesen sein, sich neben anderem mit der Energie zu behelfen, welche die Sonne im Laufe der ferneren Zeit noch fortwährend durch ihre Strahlen liefert. Aufgabe der nächstfolgenden Jahrhunderte ist es, weise Sparsamkeit im Verbrauch dessen, was an Energiequellen in der Natur geboten ist, einzuführen und sollte besonders die Ausbeutung der Kohlenlager in ähnlicher Weise überwacht werden, wie heute in gut eingerichteten Staaten jene der Wälder. Mit der Erschöpfung der unterirdischen Schätze schwindet die wirtschaftliche Macht. Erforderlich zur Erreichung grösstmöglichen Minimums im Kohlenverbrauch ist maximale Ausnutzung der Brennstoffe anzustreben, den Wirkungsgrad der Feuerungsanlagen zu erhöhen und dazu wiederum notwendig, den Heizwert des verwendeten Brennmaterials zu kennen. Eine jede Bemühung, den Betrieb einer Feuerungsanlage zu verbessern, baut sich somit auf einer genauen Bestimmung des Heizwertes des verfeuerten Brennstoffes auf. Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und gewisse mineralische Bestandteile, welche nach dem Verbrennen der verbrennlichen Stoffe als Asche zurückbleiben, sind die wesentlichen Elemente der Brennmaterialien und werden ob der verschiedenen Zusammensetzung verschiedene Materialien verschiedene Heizwerte haben, d.h. gleiche Mengen verschiedener Stoffe ergeben beim Verbrennen verschiedene Wärmemengen. In Anerkennung der Notwendigkeit derartiger Feststellungen haben sich namhafte Forscher bemüht, Methoden zu schaffen, welche eine exakte Brennwertbestimmung ermöglichen. Die bekannteste Methode, deren Anfänge aus der Zeit datieren, als man anfing, Steinkohlen auf ihren Kohlenstoffgehalt zu untersuchen, ist die Elementaranalyse. Man bestimmt in der Analyse die Elemente, aus welchen die betreffende Kohle zusammengesetzt ist, nämlich den Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff und berechnet an der Hand einer von Dulong aufgestellten Formel aus dem Heizwert der einzelnen Bestandteile jenen der Kohle. Im Lauf der Zeit erfuhr dann die alte Dulong'sche Formel Erweiterungen und rechnet man jetzt mit der vom Verein deutscher Ingenieure und dem Verband der Dampfkesselüberwachungsvereine aufgestellten sogen. Verbandsformel. Die Formel lautet: H=81\,C+290\,\left(H-\frac{1}{8}\,O\right)+25\,S-6\,w und bedeutet in derselben C den Prozentgehalt an Kohlenstoff H „ „ „ Wasserstoff O „ „ „ Sauerstoff S „ „ „ Schwefel w das hygroskopisch anhaftende Wasser. Beispiel C = 80,59 % H =   4,21  „ O =   6,31  „ S =   1,27  „ Feuchtigkeit =   1,24  „ Mineralstoffe =   6,38  „ –––––––– 100,00 % H=81\,\cdot\,80,59+290\,\left(4,21-\frac{1}{8}\,6,31\right)+25\,\cdot\,1,27-6\,\cdot\,1,24 H = 7544 W.-E. Man hat sich bei Aufstellung dieser Formel von dem Gedanken leiten lassen, dass die einzelnen Bestandteile bei der Verbrennung dieselbe Wärme entwickeln, wie wenn sie einfach gemischt wären. In Wirklichkeit ist aber keineswegs anzunehmen, dass die Kohlen lediglich Mischungen der einzelnen Bestandteile sind, sondern die obengenannten Elemente sind zu festen Verbindungen vereinigt. Die Annahme, welche die Berechtigung zur Aufstellung einer solchen Formel bildet, steht somit auf schwachen Füssen und hat sich in der That auch gezeigt, dass der mit der Formel berechnete Heizwert von dem wirklichen Heizwert abweicht. Man rechnet für Steinkohle ± 2 %, für Braunkohle ± 5 %, für Torf ± 8 % und für Holz ± 15 % Differenz. Aber noch ein anderer Nachteil der Elementaranalyse ist es, der das Bedürfnis nach einer anderen Untersuchungsmethode fühlbar macht. Es ist die Umständlichkeit, mit der diese Methode behaftet ist. Sie erfordert nicht nur ein vollkommen eingerichtetes Laboratorium, sondern auch einen geübten Chemiker und bleibt immer Arbeit der wissenschaftlichen Laboratorien. Diese Erwägungen waren die Ursache, dass man in Technikerkreisen die Ausbildung der sogen. kalorimetrischen Untersuchungsmethode aufmerksam verfolgte. Die Bestimmung der Verbrennungswärme verschiedener Körper ist seit Jahren von Physikern ausgeführt worden. Es seien genannt Berthier, Favre, Silbermann, jedoch waren deren Apparate in ihrer Handhabung zu schwerfällig, als dass sie sich hätten allgemein einbürgern können. Erst der von Berthelot erfundene und von Mahler und Kröker verbesserte Kalorimeter zeigte so viele Vorzüge, dass er in weiteren Kreisen Eingang fand. Textabbildung Bd. 316, S. 670 Fig. 1. Berthelot's Kalorimeter besteht im wesentlichen aus einem kleinen geschlossenen Gefäss, in welchem eine kleine Menge des zu untersuchenden Brennmaterials, in der Regel 1 g, behufs restloser Verbrennung in hochkomprimiertem Sauerstoff verbrannt wird. Dieses Gefäss befindet sich in einem anderen, welches mit einer genau gewogenen Wassermenge gefüllt und gut isoliert ist. Die durch die Verbrennung hervorgerufene Wärme überträgt sich von dem kleinen Gefäss, der sogen. Bombe, auf das umgebende Wasser und ermöglicht die eintretende Temperaturerhöhung in Verbindung mit der Menge des erwärmten Wassers die Berechnung des Heizwerts. Fig. 1 stellt einen solchen Kalorimeter dar und zeigt A die sogen. Bombe, C den übrigen Teil des Apparates. Ein von Hand oder mechanisch bewegtes Rührwerk R soll möglichst gleichmässige Verteilung der Wassertemperatur sichern. Die Bombe A, ein starkwandiges, innen emailliertes Stahlgefäss wird durch einen aufschraubbaren, mehrfach durchbohrten Deckel verschlossen. Die Oeffnungen 1 und 2 dienen zur Sauerstoff- bezw. Luftzuführung und sind durch Ventile gasdicht verschliessbar, die Oeffnungen 3 und 4 zur Durchführung der für die elektrische Zündung nötigen Platindrähte. Ein weiterer, im Inneren herabhängender Platindraht ermöglicht Aufhängen des das Brennmaterial aufnehmenden Platintiegels. Die Arbeit mit einer solchen Bombe gestaltet sich folgendermassen. Es wird eine abgewogene Menge Brennstoff in den Platintiegel W gebracht, von dem einen Platinpole zum anderen ein dünner, in das Brennmaterial hineinragender Eisendraht gezogen, der Deckel fest aufgeschraubt und durch den Kanal 1 komprimierter Sauerstoff bis zu einem Druck von 25 bis 30 at eingeführt. Nunmehr wird die Bombe in das Gefäss B bezw. C eingesetzt, das Rührwerk R in Thätigkeit gebracht und wenn zwischen Bombe und Wasser Temperaturausgleich vor sich gegangen, durch Schliessen des elektrischen Stromes der Eisendraht und damit die Brennstoffmenge zum Verbrennen gebracht. Beobachten des weiteren Verlaufes der Temperaturen gibt Aufschluss über die durch die Verbrennung erzeugte Temperaturerhöhung und diese, wie oben bemerkt, Kenntnis des Heizwerts. Die Verbrennungswärme, welche man bei der Untersuchung mit einer solchen Bombe erhält, ist indessen für die Beurteilung des Heizmaterials nicht ohne weiteres massgebend. Es entwickelt jede Kohle bei der Verbrennung Wasser und entweicht dieses aus dem hygroskopischen und dem chemisch gebundenen Wasser sich bildende Wasser bei der Verbrennung auf dem Roste mit etwa 200° C. aus der Feuerung. Es ist die hierfür aufgewendete Wärmemenge Verlust in Bezug auf die Feuerung. Bei der Verbrennung in der Bombe wird dieses Wasser in der Bombe selbst niedergeschlagen und erhält man bei Durchführung der Untersuchung um so viel Wärme mehr, gegenüber der auf dem Rost erzeugten, als durch die Kondensation des freigewordenen Wassers entsteht. Es muss also, wenn man die im Kalorimeter bestimmte Verbrennungswärme zur Beurteilung des Heizmaterials zu Hilfe nehmen will, eine Bestimmung des entstehenden Wassers gemacht werden. Erreicht wird dies im vorliegenden Fall dadurch, dass durch Anschluss 1 ein durch einen Chlorcalciumturm (Fig. 2) geführter Luftstrom bis zum Boden der Bombe eingeleitet und durch 2 und eine Chlorcalciumvorlage diese Luft mittels Luftpumpe wieder abgesaugt wird. Stellt man während dieser Operation die Bombe A in ein über 100° C. (105°) erhitztes Oelbad, so wird der durch den Chlorcalciumturm angesaugte und dadurch trockene Luftstrom in der Bombe sämtliches Niederschlagwasser aufsaugen und die Differenz zwischen dem Anfangs- und Endgewicht der Vorlage Berechnung ermöglichen. Die Zeitdauer für Vornahme einer Heizwertbestimmung nach dieser Methode beträgt, abgesehen von den Vorbereitungen, wie Abwiegen von Brennstoff, Zünddraht undKalorimeterwasser u.s.w., für die Verbrennung etwa 20, für die Wasserbestimmung etwa 60 Minuten und ist für Erreichung gut übereinstimmender Resultate neben entsprechender Beobachtungsgabe nur ein zugfreier und möglichst konstante Innentemperatur besitzender Raum erforderlich. Zur Beobachtung der durch die Verbrennung entstehenden Temperatursteigerung des Kalorimeterwassers dient ein in 1/100° geteiltes Thermometer, an dem mittels einer Lupe noch 1/1000° sicher abgeschätzt werden kann und dürfte diese Empfindlichkeit obige Bedingung rechtfertigen. Als für die Berechnung des Heizwerts massgebende Temperaturerhöhung darf, wie bereits angedeutet, nur jene von der Zeit der Temperaturgleichheit zwischen Wasser und Bombe bis Erreichung des Maximums der Wassererwärmung gerechnet werden und pflegt man, um diese beiden Punkte genau zu bekommen, die Verbrennung gewissermassen in drei Abteilungen, einen Vorversuch, einen Hauptversuch und einen Nachversuch zu zerlegen. Der Vorversuch erstreckt sich vom Zeitpunkt des Einsetzens der Bombe in das Kalorimeterwasser an bis zum völligen Temperaturausgleich zwischen beiden; der Hauptversuch von hier an, dem Moment, an dem durch Schliessen des Stromes die Verbrennung in der Bombe zu bewirken ist, bis zur Feststellung des Temperaturmaximums und der Nachversuch auf eine weitere, etwa fünfminutige Beobachtung des Thermometers. Die Ablesungszeiten werden durch eine alle Minuten anschlagende Uhr angegeben. Textabbildung Bd. 316, S. 671 Fig. 2. Eintretende Beobachtungsfehler werden bei Berechnung des Versuches durch Anwendung der Regnault-Stohmann-Pfaundler'schen Formel: Korrektion =\frac{v-v'}{\tau'-\tau}\,\left(\frac{t_2-t_1}{9}+\frac{t_1+t_n}{2}+\sum\nolimits_1^{n-1}\,(t)-n\,\tau\right)-(n-1)\,v worin v Mittel der Temperaturdifferenzen des Vorversuchs v' „ „ „ „ Nachversuchs τ' „ „ Temperaturablesungen des „ τ „ „ „ „ Vorversuchs t1, t2 ... tn Temperaturablesungen des Hauptversuchs n Anzahl der Temperaturablesungen des Hauptversuchs berücksichtigt und neben dem durch das Wasser bedingten Abzuge noch solche für den die Verbrennung einleitenden Eisendraht und das in dem eingeführten Sauerstoff enthaltene Wasser gemacht. Nachstehend ist eine kalorimetrische Heizwertbestimmung angefügt und ist die hierbei untersuchte Kohle identisch mit derjenigen, deren Elementaranalyse unter dem vorhergehenden Beispiel gegeben wurde. Kalorimetrische Heizwertbestimmung der bei dem Versuch vom 31. August 1901 verwendeten Kohle. Analyse Nr. 121. Temperatur des Kalorimeterraumes    23,5° C. Gewicht des die Verbrennung einleiten-      den Eisendrahtes 0,0342  g Gewicht der verbrannten Kohle 1,010    g Wasserwert der Bombe    550,0 gWasserwert ermittelt durch Verbrennen eines Stoffes von bekanntem Heizwert.         „         des Kalorimeterwasser 2400,0 g Beobachtung der Temperaturen. Nr. Vorversuch Hauptversuch Nachversuch Ablesung Diff. Ablesung Korr.-Ablesung Ablesung Diff. τ v t t τ' v' 12345    22,010   22,005   22,00   22,00   22,00 –0,0050,0050,0000,000 22,00022,96024,32024,63024,650 21,960–––24,630 24,64024,63024,62024,61024,600 –0,010,010,010,01 Diff.   2,670° Sa. 110,015 0,010 123,100   0,040 Mittel    22,003 0,002    24,620   0,008 Temperaturkorrektion =\frac{v-v'}{\tau'-\tau}\,\left(\frac{t_2-t_1}{9}+\frac{t_1+t_n}{2}+\sum\nolimits_1^{n-1}\,(t)-n\,\tau\right)-(n-1)\,v v – v' = – 0,002 + 0,008 = 0,006° \frac{t_2-t_1}{9} = \frac{0,96}{9} = 0,107° \sum\nolimits_1^{n-1}\,(t) = 93,91° τ' – τ = 24,62 – 22,003 = 2,617° \frac{t_1+t_n}{2} = \frac{46,59}{2} = 23,295° nτ = 5 . 22,003 = 110,015° (n – 1)v = 4 . 0,002 = 0,008° Korrektion =\frac{0,006}{2,017} (0,107 + 23,295 + 93,91 – 110,015) – 0,008 = 0,00873° Temperaturerhöhung somit: 2,670 + 0,0087 = 2,6787° Gesamte entwickelte Wärme: 2950 . 2,6787 = 7902 W.-E. Von dieser gesamten Wärmeentwickelung sind abzurechnen: a) für Eisen 0,0342 . 1600 = 55 W.-E. b)   „  Säurebildung = 10    „ c)   „  Wasserbildung Gewicht der Chlorcalcium-  vorlage vor dem Versuch 115,233 g Gewicht der Chlorcalcium-  vorlage nach dem Versuch 115,832 g –––––––– Gewicht des Gesamtwassers     0,599 g       „       „   Wassers aus  zugeführtem Sauerstoff     0,010 g –––––––– Gewicht des Wassers aus  der Kohle     0,589 g 0,589 g = 58,3 % von 1,01 g ver-  brannter Substanz und entspricht  58,3 . 6 = 350 W.-E. Wärmemenge aus 1,010 g Kohle     = 7902 – (55 + 10 + 350) = 7487 W.-E. Heizwert \frac{7487}{1,01}=7413\mbox{ W.-E.} Die Kohle wurde in lufttrockenem Zustand analysiert. Angefügt sei noch, dass durch Einleiten der Gase hinter der Chlorcalciumvorlage in einen Kaliapparat eine direkte Kohlenstoffbestimmung und durch weitere Manipulationen Kontrollelementaranalyse aus der Bombe heraus gemacht werden kann.