烟煤弹筒发热量的测定分析

烟煤弹筒发热量的测定分析
煤炭发热量的测定
⼀、实验⽬的
掌握煤炭发热量的测定原理，学习利⽤恒温式热量计测定煤炭发热量的⽅法与步骤，熟练掌握各项校正⽅法。

⼆、实验原理
称取⼀定样的煤样放⼊氧弹。

氧弹充⼈氧⽓后浸没在盛⽔的内筒中，点⽕使煤样完全燃烧，根据氧弹周围的⽔温升⾼值，计算煤的发热量。

实际上煤样燃烧释放的热量，不仅使内筒⽔温升⾼，还使氧弹本⾝，内筒、插⼊内筒的搅拌器和温度计等组成的热量系统吸热升温，此外，恒温式热量计的内外筒之间还存在热交换。

因此，必须经过⼀定量的校正后，⽅可计算出煤样在氧弹中燃烧所放出的热量。

三、仪器设备和试剂
（1）热量计：恒温式热量计包括以下主件和附件。

○1氧弹：由耐热耐腐蚀的镍铬或镍铬合⾦钢制成。

○2内筒：紫铜黄铜或不锈钢制成。

内筒盛⽔2000～3000ml，能浸没氧弹（进出⽓阀和点⽕电极除外）为准。

内筒外表⾯应该电镀抛光，以减少内外筒之间的辐射传热。

○3外筒：为⾦属制成的双壁容器，装有盖。

外筒底部设有绝缘⽀架，以便放置内筒。

○4搅拌器：螺旋桨式，转速以400～600r/min为宜，搅拌率应使在热容量标定时，由点⽕倒终点的时间不超过10min,同时⼜要避免过多的搅拌热（当内、外筒和室温保持⼀致时，连续搅拌10min钟，所产⽣的热量不应超过120J）。

（2）温度计：精密温度计或贝克曼温度计，分度值均为0.01°C此外，也可以使⽤测温准确度达到0.002C的数字式精密温度计。

（3）温度计读数放⼤镜和照明灯：为了使温度计读数能估计到0.001C，需要⼀个⼤约5倍的放⼤镜。

通常放⼤镜装在镜筒中，筒的后部装照明灯，可以照明温度计的刻
度。

镜筒可沿垂直⽅向向上、下移动，可以观测温度计⽔银柱的位置。

（4）振荡器：电动振荡器，⽤于在读取温度前震荡温度计，以克服⽔银柱和⽑细管间的附着⼒。

如⽆此装置，也可⽤套有较胶⽪管的玻璃棒等敲击温度计。

（5）燃烧⽫：鉑制品或镍铬钢制品。

规格为⾼17mm，上部直径为25～26mm，底部直径为19～20mm，厚0.5mm。

由其他合⾦钢或⽯英制的燃烧⽫也可以使⽤，但必须保
证试样燃烧完全，⽽本⾝⼜不受腐蚀和产⽣热效应为原则。

（6）压⼒表和氧⽓导管：压⼒表应由两个表头组成，⼀个指⽰氧⽓瓶中的压⼒，另⼀个指⽰充氧时氧弹的压⼒。

表头上应装设减压阀和保险阀。

压⼒表每年⾄少经计
量机关检定⼀次，以确保指⽰正确和操作安全。

（7）点⽕装置：点⽕采⽤12～24伏的电源。

点⽕电压应预先实验确定。

其⽅法是：接好点⽕线，在空⽓中通电实验。

熔断法点⽕时，调节电压使点⽕丝在1-2s内达到
暗红，电压调节好后，实验时应准确测定电压、电流和通电时间，以便计算电能
产⽣的热量；若采⽤棉线点⽕，在遮⽕罩以上的两电极柱间连接⼀段直径为0.3mm
的镍铬丝，丝的中部预先绕成螺旋状，以便发热集中，调节电压使发热丝在4～5
秒内达到暗红，使⽤时棉线⼀端夹在螺旋中，另⼀端通过遮⽕罩上的⼩孔搭接在
试样上。

（8）压饼机：螺旋式压饼机和杠杆式压饼机，能压制直径10mm的煤饼或饼甲酸饼。

模具和压杆应为硬质钢制成，表⾯光洁，易于擦拭。

（9）秒表
（10）分析天平：感量0.1mg。

（11）⼯业天平：最⼤称量4～5kg，感量0.5g。

（12）氧⽓：⾄少99.5%的纯度，不含可燃成分，因此不许使⽤电解氧，
（13）苯甲酸：经计量机关检定并标明热值的基准量热物质。

使⽤前应在40～50C的温度下烘烤3～4h.
（14）点⽕丝：直径0.1mm左右的铁铜镍铬丝或其他已知热值的⾦属丝。

若使⽤棉线，则应选⽤粗细均匀不涂蜡的⽩棉线。

各种点⽕丝的燃烧热如下：
铁丝6700j/g
镍铬丝6000j/g
铜丝2599j/g
棉线17500j/g
(15)酸洗⽯棉绒：使⽤前在800C下灼烧30min。

（16）擦镜纸：使⽤前先测定其燃烧热，⽅法是将3～4张擦镜纸，⽤⼿团紧，精确称量，放⼊燃烧⽫，按常规⽅法测量其发热量。

取两次结果的平均值作为标定值。

四、实验步骤
（1）在燃烧⽫中称取粒度⼩于0.2mm的⼀般分析实验煤样0.9～1.1g（准⾄0.0002g）。

对于燃烧时易飞溅的的试样，可⽤已知质量和发热量的的擦拭纸包紧，或在压饼机中压成饼并切成2～4mm的⼩块使⽤。

不易燃烧完全的试样，可以在燃烧⽫的底铺上⼀个⽯棉垫圈，或⽤⽯棉绒做衬垫。

若⽤⽯英燃烧⽫则不需任何衬垫。

如果加衬垫后仍然燃烧不完全，可提⾼充氧压⼒⾄3.0～3.2mpa，或⽤已知质量的和发热量的的擦镜纸包裹试样并⽤⼿压紧，放⼊燃烧⽫。

（2）取⼀段已知质量的点⽕丝，将两端分别接在两个电极柱上，注意与式样保持良好接触或微⼩距离（对飞溅和易燃煤样）。

切勿使点⽕丝接触燃烧⽫，以免形成短路致使点⽕时失败，甚⾄烧毁燃烧⽫。

同时还应防⽌两极间及燃烧⽫与另⼀电极间的短路。

在⾮熔断式点⽕情况吸下⽤棉线点⽕时，把已知质量的棉线的⼀端固定在点⽕导线上，；另⼀端搭在式样上。

（3）将10mL蒸馏⽔注⼊氧弹，⼩⼼拧紧氧弹盖，接上氧⽓导管，开始充氧，直到氧弹压⼒达2.6~2.8MPa。

充氧时间不得超过30s。

当钢瓶氧压⼒降⾄5.0MPa以下时，充氧时间可酌量延长；降⾄4.0MPa以下时应更换氧⽓。

（4）向内筒加⼊⼀定量的蒸馏⽔（应与热容量标定时内筒⽔量相同，相差不⼤于0.5g），须使氧弹盖的顶⾯（不包括突出的氧⽓阀和电极）淹没在⽔⾯以下10~20mm。

内筒中加⼊的⽔量最好⽤称量法确定。

若采⽤容量法，则需对温度进⾏补正。

注意恰当调节内筒⽔温，使终点时内筒温度⽐外筒⾼约1K，使⾄终点时内筒温度出现明显下降。

外筒温度应尽量接近室温，相差不得超过1.5K。

（5）将氧弹放⼊已加⽔的内筒，若氧弹内⽆⽓泡逸出，表明⽓密性良好，即可将内筒放置在外筒的绝缘架上；如果有⽓泡出现，则表明漏⽓，应查明原因，加以纠正，重新充氧。

接上点⽕电极插头，装上搅拌器和温度计，盖上外筒盖。

温度计的⽔银球应对准杨弹主体（进出⽓阀和电极除外）的中部。

温度计不得接触氧弹和内筒。

在靠近温度计的露出⽔银柱的部位另悬⼀⽀普通温度计，⽤以测定露出柱温度。

（6）开动搅拌器，5min后开始计时和读取内筒温度（t0）并⽴即点⽕。

同时记下外筒温度（t j）和露出柱温度（t e）.外筒温度⾄少读到0.05K，内筒温度借助放⼤镜读到0.001K。

读取温度时，视线、放⼤镜中线和⽔银柱顶端应位于同⼀⽔平线上。

每次读数前，应开启振动器振动3~5s。

（7）观察内筒温度（注意在点⽕后20s不得将⾝体任何部位靠近热量计上⽅），如在30s内温度急剧上升，表明点⽕成功。

点⽕后1min 40 s时读取⼀次内筒温度（t1ˊ40＂），读准到0.01K。

（8）接近终点时（⼀般点⽕到终点时间为8~10 min）每个1min读取⼀次内筒温度。

读数前开启振荡器，并读准到0.001K。

以第⼀个下降温度作为终点温度（t n）。

实验主要阶段到此结束。

（9）停⽌搅拌，取出内筒和氧弹，开启氧弹上的放⽓阀，放出燃烧废⽓。

打开氧弹，仔细观察氧弹和燃烧⽫内部，如发现试样燃烧不完全的迹象或有炭⿊存在，则实验应作废。

（10）⾦属丝点⽕时，找出未烧完全的点⽕丝，量出长度，并计算实际消耗量。

（11）需要时⽤蒸馏⽔充分冲洗氧弹内各部分、放氧阀、燃烧⽫内外和燃烧残渣。

将全部洗液（约100mL）收集在烧杯中，供测定弹筒洗液硫量之⽤。

五、实验记录和结果计算
测定⼈：审定⼈：
2、结果计算
（1）校正：○1温度计刻度校正：根据鉴定证书中所给的修正值（时⽤贝克曼温度计时称为
⽑细孔径修正值）校正点⽕温度t0和终点温度t n，再由校正后的温度（t0+h0）和（t n+h n）求出温升。

其中h0和h n分别代表t0和t n的刻度修正值。

○2贝克曼温度计平均分度值的校正：平均分度值就是温度计刻度改变1K（作⽑细孔径修正
后）时，代表的实际温度的改变数。

当贝克曼温度计的基点温度改变时，⽔银球及其相连的⽑细管中的⽔银量随之改变，所以分度值也随之改变。

另外，温度计浸没深度和露出柱⽔银所处的温度不同，分度值也有所改变。

因此，必须对分度值进⾏校正。

在热容量标定和发热量测定中，温度计的浸没深度与检定时可能不同，但在标定热容量和测煤的发热量时，温度计的浸没深度是⼀致的，对分度值的影响可以互相抵消，不必校正。

基点温度变化和露出柱温度变化对贝克曼温度计分度值的影响按下式计算：
H=H0+0.00016（t s-t e）
式中H——平均分度值；H0——基点温度下对应于标准露出柱温度的平均分度值（由测定证书中查得），成为标准分度值；t s——基点温度对应的标准露出柱温度（由测定证书中查
得），℃；t e——实验中的实际露出柱温度，℃；0.00016——⽔银对玻璃的相对膨胀系数。

已知某次测定中，基点温度为22.22℃，露出柱温度为24.20℃，求平均分度值。

解：查平均分度值表，没有基点温度为22.22℃似的参数，可由内插法进⾏计算：
t s=20+[（22-20）/(30-20)] ×(22.22-20)=20.44℃
H0=0.999+[(1.003-0.999)/(30-20)] ×(22.22-20)=0.9999
则H=H0+0.00016（t s-t e）=0.9999+0.00016(20.44-24.20)=0.9993
○3冷却校正：在实验过程中，恒温式热量计的内、外筒之间始终存在着热交换，对此热量
应予以矫正。

⽅法是将内筒⽔的温升加上校正值C，C称为冷却校正值。

C=（n-a）v n+av0
式中C——冷却校正值，K；n——由点⽕到终点的时间，min；a——当Δ/Δ1＇40＂≤1.20时，a=Δ/Δ1＇40＂—0.10；当Δ/Δ1＇40＂＞1.20时，a=Δ/Δ1＇40＂；Δ——总温升，
Δ＝ｔｎ－ｔ０，Ｋ；Δ1＇40＂——点⽕后１min40s时的温升，Δ1＇40＂=t1＇40＂-t0,K;
t n=——终点时内筒温度，℃；t0 ——点⽕时内筒温度，℃；t1＇40——点⽕后1min40s时内筒温度，℃；v0——点⽕时内筒降温速度，K/min；v n——终点时内筒降温速度，K/min；
其中v0=K(t0-t j)+A v n=K(t0-t j)+A
K——热量计的冷却常数，A热量计的综合常数，K/min；
t j——外筒温度（若内筒温度采⽤贝克曼温度计测定，t j指外筒实际温度减去基点温度，下同）。

○4点⽕热量的校正
点⽕热包括点⽕电能热和点⽕丝燃烧热。

点⽕电能热（J）=电压(V) ×电流(A) ×时间(s)
在熔断式点⽕法中，点⽕丝燃烧热应由实际消耗量计算；在棉线点⽕法中，要预先测定1根棉线的燃烧热（可将棉线裁成长度
相等的短线，取其中⼏根，按煤的发热量步骤测定，求出每根棉线的热值）。

(2)发热量的计算：○1弹筒发热量的计算：
Q b,ad={E·H·[(t n+h n)-(t0+h0)+C]-(q1+q2)}/m
式中Q b,ad——空⽓⼲燥基弹筒发热量，J/g；E——热量计的热容量，J/℃；
q1——点⽕热（点⽕电能热和点⽕丝燃烧热之和），J；q2——添加物（如包纸等）产⽣的热，J；m——煤样的质量，g；其余符号同前。

○2⾼位发热量的计算：
Q gr,v,ad = Q b,a-（94.1 S b,ad +a·Q b,ad）
式中Q gr,v,ad——空⽓⼲燥基恒容⾼位发热量，J/g；
S b,ad=弹筒洗液中硫占试验煤样的的百分⽐，%；a——硝酸⽣成热校正系数，
当Q b,ad≤16.7kj/g，a=0.0010,
当Q b,ad＞25.10kj/g,a=0.0016,
当16.7kj/g＜Q b,ad≤25.10kj/g,a=0.0012,
加助燃剂时，应按总释热计；94.1——煤样中每1%硫⽣成硫酸的热校正值，j/g。

在需要⽤弹筒洗液硫的情况下，将洗液煮沸1~2min,取下稍冷，以甲基红作指试剂，⽤NaOH 标准溶液进⾏滴定，求出洗液中总酸量，按下式求S b,ad。

S b,ad=（c·V/m-aQ b,ad/59.8）×1.6
式中c——氢氧化钠标液的浓度，mol/L；V——氢氧化钠标液耗量，mL；
59.8——1mmol硝酸的⽣成量，g；1.6——换算为硫的系数。

（3）发热流量测定结果的表达：弹筒发热量和⾼位发热量的结果计算⾄1J/g。

取⾼位发热量的的两次重复测定的平均值，按数字修约⾄最接近10J/g的倍数，以kJ/g的形式报出。

六、精密度
七、仪器常数和热容量的标定：仪器常数K和A、热容量E，通过同⼀实验进⾏标定。

⽅法如下
（1）在不加衬垫的燃烧⽫中称取经过⼲燥并压成饼的苯甲酸0.9~1.1g（准⾄0.0002g）。

苯甲酸应预先研细，在盛有浓硫酸的⼲燥器中⼲燥3d或在60~70℃烘箱中⼲燥3~4h，冷却后压成饼。

（2）按照发热量测定步骤准备氧弹和内、外筒。

搅拌5min后准确读取⼀次内筒温度（T0），经10min再读取⼀次内筒温度（t0），然后按发热量测定步骤点⽕，记下外筒温度（t j）和露出柱温度（t e），延续到终点温度（t n），然后再继续搅拌10min并记下内筒温度（T n），实验即结束。

注意检测氧弹，如有炭⿊，实验应予作废。

（3）K和A的计算：根据所测得数据，按下⾯的⽅程组求解K和A
（T0-T N）/10=K[(T0+t0)/2-t j]+A (t n-T n)/10=K[(T n+t n)/2-t j]+A
K和A应取不少于5次测值的平均值。

（2）热容量E的计算
E=(Q·m+q1+q n)/H[(t n+h n)-(t0+h0)+C]
式中Q——苯甲酸的热值
m——苯甲酸的质量
qn——硝酸的⽣成热，qn=Q·m·0.0015，J；C——冷却校正值，K；其余符号同前。

热容量的标定应进⾏5次重复试验，计算5次重复测值的平均值和相对标准差（计算⽅法见附录），其相对标准差应⼩于
0.20%‘；若超过，补做⼀次实验，取符合要求的5次结果的平均值，修约⾄1J/K作为热容量。

如还不能满⾜要求，表明仪器有故障，应排除故障后，重新标定热容量。

热容量标定后的有效期为3个⽉，过期需复查。

如果中途更换贝克曼温度计、弹筒盖等⼤部件，应重新标定热容量。

⼋、注意事项
（1）充氧和放⽓应缓慢进⾏。

充氧时间可不应少于30s，放⽓时间不应少于60s。

（2）⾦属点⽕丝不得与燃烧⽫接触，以防短路。

九、思考题
（1）实验前为什么要在弹筒内加⼊10mL蒸馏⽔？
（2）为什么要进⾏冷却校正？
（3）为什么要对贝克曼温度计做平均分度值的校正？
（4）什么是基点温度？如何根据实验条件进⾏调整？
⼗、附录
重复测定值相对标准差的计算S=√﹛∑X2i－[(∑X i) 2]/n﹜/(n－1) 相对标准差=（S/X平均）×100式中X i——苯甲酸燃烧实验中热容量值或发热量测定值；X——苯甲酸燃烧实验结果的平均值。