08固体废物热值测定实验

《环工综合实验（2）》（固体废物热值测定实验）
实验报告
专业环境工程
班级环工0902
姓名王健
指导教师余阳
成绩
东华大学环境科学与工程学院实验中心
二0一二年五月
实验题目固体废物热值测定实验实验类别综合
实验室学院楼2136 实验时间2012年 5 月11 日13:00时~ 16:20 时
实验环境温度: 22.9℃相对湿度:60 % 同组人数4人（王玉佳、马莉、孙扬雨、王玥力）
承诺人签名
目录
一、实验目的 (3)
二、实验原理 (3)
（一）固体废物热值 (3)
（二）热值测定 (3)
（三）仪器使用方法 (4)
三、实验仪器设备及试剂 (5)
（一）实验仪器 (5)
（二）部件说明 (6)
（三）其余所用仪器 (8)
四、实验步骤 (9)
五、注意事项 (10)
六、实验记录及原始数据 (11)
七、数据处理及分析 (12)
八、思考题 (13)
一、 实验目的
1.要使物质维持燃烧，就要求其燃烧释放出来的热量足以提供加热废物到达燃烧温度所需要的热量和发生燃烧反应所必须的活化能。

否则，就要消耗辅助燃料才能维持燃烧。

有害废物焚烧，一般需要热值为18600 kJ/kg 。

采用氧弹热量计可测定固体废物的发热量或固体废物的热值。

2.通过本实验要求掌握热值测定方法和氧弹热量计的基本操作方法。

二、 实验原理
（一）固体废物热值
焚烧的主要目的是尽可能焚毁废物，使被焚烧的物质变为无害和最大限度地减容，并尽量减少新的污染物质产生，避免造成二次污染。

对于大、中型的废物焚烧厂，能同时实现使废物减量、彻底焚毁废物中的毒性物质，以及回收利用焚烧产生的废热这三个目的。

而焚烧炉中固体废弃物焚烧需要一定热值才能正常燃烧。

体废物热值是指单位质量固体废物在完全燃烧时释放出来的热量。

热值有两种表示方式，即高位热值（粗热值）和低位热值（净热值）。

若热值包含烟气中水的潜热，则该热值是高位热值。

反之，若不包含烟气中的潜热，则该热值就是低位热值。

要使固体废物能维持正常焚烧过程，就要求其具有足够的热值。

即在进行焚烧时，垃圾焚烧释放出来的热量足以加热垃圾，并使之到达燃烧所需要的温度或者具备发生燃烧所必需的活化能。

否则，便需要添加辅助燃料才能维持正常燃烧。

计算热值有许多方法，如热量衡算法（精确法）、工程算法、经验公式法、半经验公式法。

焚烧过程进行着一系列能量转换和能量传递，是一个热能和化学能的转换过程。

固体废物和辅助燃料的热值、燃烧效率、机械热损失及各物料的潜热和显热等，决定了系统的有用热量，最终也决定了焚烧炉的火焰温度和烟气温度。

（二）热值测定
① 任何一种物质，在一定的温度下，物料所获得的热量（Q ）：
Q = C·Δt = mq
式中：C —— 热容量，J/K ；
m —— 质量，g ；
Δt —— 初始温度与燃烧温度之差，K ；
q —— 物料发热量。

所以，热容量（C ）：t
mq =C 在操作温度一定、热量计中水体积一定、水纯度稳定的条件下，C 为常数，氧弹热量计系统的热容量也是固定的，当固体废物燃烧发热时，会引起热量计中水温变化（Δt ），通过
探头测定而得到固体废物的发热量。

发热量（q ）为：
m
t C =
q ∆• 式中：m —— 待测物质量
② 热容量（J/℃）计算公式 T
VQ M Q M Q E 32211∆++= 式中：E —— 热量计热容量，J/℃；
Q1——苯甲酸标准热值，J/g ；
M1——苯甲酸重量，g ；
Q2——引燃（点火）丝热值，J/g ；
M2——引燃（点火）丝重量，g ；
V ——消耗的氢氧化钠溶液的体积，ml ；
Q3——硝酸生成热滴定校正（0.1mol 的硝酸生成热为5.9J ），J/g ；
ΔT —— 修正后的量热体系温升，℃；计算方法如下：
ΔT = (t n –t 0) +Δθ
n 1n 1i n i n 00n 0n nV )n t 2t t (V V +θ-++θ-θ-=θ∆∑-=
式中：V 0和V n —— 初期和末期的温度变化率，℃/30s ；
θ0和θn —— 初期和末期的平均温度，℃；
n —— 主期读取温度的次数；
t i —— 主期按次序温度的读数；
③ 试样热值（J/g ）的计算公式
G
Gd T E Q ∑-∆•= 式中：∑Gd —— 添加物产生的总热量，J ；
G —— 试样重量，g ；
其它符号同上式。

（三）仪器使用方法
① 一开机后，只要不按“点火”键，仪器逐次自动显示温度数据100个，测温次数从00到99递增，每半分钟一次，并伴有蜂鸣器的鸣响，此时按动“结束键”键或“复位”键能
使显示测温次数复零。

②按动“点火”键后，氧弹内点火丝得到约24 V交流电压，从而烧断点火丝，点燃坩埚中的样品，同时，测量次数复零。

以后每隔半分钟测温一次并贮存测温数据共31个，当测温次数达到31后，测温次数就自动复零。

③当样品燃烧，内筒水开始升温，平缓到顶后，开始下降，当有明显降温趋势后，可按“结束”键，然后按动“数据”键，可使00次、01次、02次……一直到按“结束”键时的测温次数为止的测量温度数据重新逐一在五位数码管上显示出来，操作人员可进行记录和计算，或与实时笔录的温度数据（注：电脑贮存的数据是蜂鸣器鸣响的那一秒的温度值）核对后计算ΔT和热值。

当操作人员每按一次“数据”键，被贮存的温度数据和测温次数自动逐个显示出来，方便操作人员查看测温记录。

注：在读取数据状态，“点火”键不起作用，若需重新测量，必须先按“结束”键，使仪器回到测温状态。

④按“复位”键后，可重新实验。

⑤关掉电源，原贮存的温度数据也将自动被清除。

三、实验仪器设备及试剂
（一）实验仪器
左图为实验用数显氧弹式
热量计
1、氧弹
2、数字温差测量仪
3、内桶
4、抛光挡板
5、水保温层
6、搅拌器
其中2兼有数显控制器的功能
1、厚壁圆筒
2、弹盖
3、螺帽
4、进气孔
5、排气孔
6、电极（兼燃烧皿托架）
7、燃烧皿
8、另一电极（与4相连）
9、火焰遮板（固定在8上）
（二）部件说明
1、自密封式氧弹（简称氧弹）
为了防止燃烧生成的酸对氧弹的腐蚀，全部结构采用不锈钢1Cr18Ni9Ti 制成，氧弹的结构由三个部分组成；一个容积为300 毫升的圆筒形弹体，一个盖子和一个联接盖和弹体的环，弹体内径为58 毫米，深103 毫米，壁厚为内径的1/10，底和盖的厚度稍大，强度足够耐受固体燃烧时产生的最大压力（60～70 大气压），并能耐受液体燃料所产生的更大压力。

氧弹采用自动密封橡胶垫圈，当氧弹内充氧到一定压力时，橡胶垫圈因受压而与弹体和弹盖
氧弹卡计安装示意图 氧弹构造
密接，造成两者间的气密性。

且筒内外压力差越大，密封性能越好。

中间气阀也因受压紧密闭合，氧气从中间气阀螺钉四周进入筒内，不会直接充压试
样，点火时又可保护弹顶密封系统。

本氧弹具备操作方便，
结构合理可靠，使用寿命长等优点。

2、水套（外筒）
水套是双层容器，实验时充满水，通过水套搅拌器使筒
内水温均匀，形成恒温环境，水筒放在水套中的一个具有三
个支点的绝缘支架上。

水套备有上有小孔的胶木盖，便于插
入测温探头，点火线等，盖下面衬有抛光金属板。

3、水筒（内筒）
水筒全部由不锈钢薄板制成，截面为梨行，以减少与外
筒间的辐射作用。

当氧弹放入水筒后，可加水淹没氧弹，而
水面至内筒上边缘约有250～500 毫升的空间，水筒的装水
量一般为3000 克（氧弹搁在弹头座架上），水筒内设有电动搅拌器。

4、搅拌器
搅拌器由同步电动机带动，搅拌速度为500 转/分，转速平稳。

通过搅拌器螺旋桨的运动，使试样燃烧放出的热量尽快在量热系统内均匀散布。

电动机与搅拌器间用绝热固定板连接，以防止因电机产生的热而影响测量精度。

外筒搅拌器为手拉式搅拌器，上下拉动数次即能使外筒水温均匀，给内筒形成一个恒温的外部环境。

5、工业用玻璃棒温度计
温度计的刻度范围为(0～50)℃，最小分度为0.1℃，用来测量水套水温。

6、点火丝
点火时通入24V 交流电，引燃点火丝。

点
火丝一般用直径0.1 毫米左右的镍铬丝做成。

当
有电流通过时, 镍铬丝被烧成赤热并在很短时
间内熔断,引燃试样。

7、气体减压器
YQY-370 气体减压器或SJT-10 型气体减
压器用于瓶装氧气减压用。

它能保持稳定和足够
的流量送到氧弹中，进气最高工作压力为
15MPa，最低工作压力不低于工作压力的2 倍。

该减压器带有两个压力表，其中一个指示氧气瓶
内的压力，可指示(0～25) MPa，另一个表指示
被充氧气的氧弹的压力，可指示(0～6) MPa。

两
个表之间装有减压阀，压力表每年至少经国家机
关检查一次，以保证指示读数正确和使用安全。

各连接部分禁止使用润滑油，必要时只能使用甘油，涂抹量不应过多，若任一连接部分被油类污染，必须用汽油或酒精洗净并风干。

压片机
它是一种螺旋杠杆式压饼机，能压制直径约10mm 的煤饼或苯甲酸饼，压模及冲杆用硬质钢制成，表面光洁，容易擦拭。

压制时，模子或底片由可移动的垫块支承，压好后，可将垫块移动一边取出模子或试样。

该压饼机底板上设有用以固定在桌面上的螺钉孔，不用时，应在易生锈部位涂上防锈油脂。

注：压饼机为选配件。

9、控制器面板使用说明
本仪器采用了微控制器为基础的高性能测温系统，测温精度高，稳定性好，测量精度为0.001℃,且读数方便。

本仪器可将样品测量全过程中的测温数据存入存储器内,或一次测量完后反复多次读出，全盘取代了以前使用的贝克曼温度计。

控制器面板上设置有电源、搅拌、数据、结束、点火、复位六个电子开关按
键和七位数码管，能对样品热值测定进行全过程操作和温度显示。

其中左边两位数字代表测温次数，右边五位代表测量的实际温度，本仪器测温范围为10℃～35℃。

（三）其余所用仪器
①苯甲酸标准物质：苯甲酸为无色、无味片状晶体。

熔点122.13℃，沸点249℃，相对密度 1.2659
（15/4℃）。

在100℃时迅速升华，它的蒸气有很强
的刺激性，吸入后易引起咳嗽。

微溶于水，易溶于乙
醇、乙醚等有机溶剂。

苯甲酸是弱酸，比脂肪酸强。

它们的化学性质相似，都能形成盐、酯、酰卤、酰胺、
酸酐等，都不易被氧化。

苯甲酸的苯环上可发生亲电
苯甲酸
取代反应，主要得到间位取代产。

羧基直接与苯环碳原子相连接的最简单的芳香酸。

分子式C6H5COOH。

苯甲酸又称安息香酸。

以游离酸、酯或其衍生物的形式广泛存在于自然界中，例如，在安息香胶内以游离酸和苄酯的形式存在；在一些植物的叶和茎皮中以游离的形式存在；在香精油中以甲酯或苄酯的形式存在；在马尿中以其衍生物马尿酸的形式存在。

最初苯甲酸是由安息香胶干馏或碱水水解制得，也可由马尿酸水解制得。

工业上苯甲酸是在钴、锰等催化剂存在下用空气氧化甲苯制得；或由邻苯二甲酸酐水解脱羧制得。

苯甲酸及其钠盐可用作乳胶、牙膏、果酱或其他食品的抑菌剂，也可作染色和印色的媒染剂。

②点火丝（铜丝）
③固体废物（粉煤灰）：是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的
细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。

我国火电
厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、
CaO、TiO2等。

粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之
一，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年
增加。

大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。

另外粉煤灰可作为混凝土的掺合料。

粉
⑤橡皮管
⑥10mL量筒
⑦分析天平
四、实验步骤
1、热量计热容量（E）的测定
（1）先将外筒装满水，试验前用外筒搅拌器（手拉式）将外
筒水温搅拌均匀；
（2）称取片剂苯甲酸1克（约2片），再称准至0.0002克放入坩埚中；
（3）把盛有苯甲酸的坩埚固定在坩埚架上，将1根点
火丝的两端固定在两个电极柱上，并让其与苯甲酸有良
好的接触，然后，在氧弹中加入10毫升蒸馏水，拧紧
氧弹盖，并用进气管缓慢的充入氧气直至弹内压力为
2.8－
3.0MPa大气压为止，氧弹不应漏气；
（4）把上述氧弹放入内筒中的氧弹座架上，再向内筒
中加入约3000克（称准至0.5克）蒸馏水（温度已调
至比外筒低0.2～0.5℃左右），水面应至氧弹进气阀螺
帽高度的约2/3处，每次用水量应相同；
（5）接上点火导线，并连好控制箱上的所有电路导线，
盖上盖，将测温传感器插入内筒，打开电源和搅拌开关，
仪器开始显示内筒水温，每隔半分钟蜂鸣器报时一次；
（6）当内筒水温均匀上升后，每次报时时，记下显示
的温度。

当记下第10次时，同时按“点火”键，测量次数自动复零。

以后每隔半分钟贮存测温数据共31个，当测温次数达到31次后，按“结束”键表示试验结束（若温度达到最大值后记录的温度值不满10次，需人工记录几次）
（7）停止搅拌，拿出传感器，
打开水筒盖（注意：先拿出传感
器，再打开水筒盖），取出内筒
和氧弹，用放气阀放掉氧弹内的
氧气，打开氧弹，观察氧弹内部，
若有试样燃烧完全，试验有效，
取出未烧玩的点火丝称重，若有
试样燃烧不完全，则此次试验作
废；
（8）用蒸馏水洗涤氧弹内部及
坩埚并擦拭干净，洗夜收集至烧
杯中的体积约150－200毫升；
（9）将盛有洗夜的烧杯用表面皿盖上，加热至沸腾5分钟，加2滴酚酞指示剂，用0.1M
的氢氧化钠标准溶液滴定，记录消耗的氢氧化钠溶液的体积，如发现在坩埚内或氧弹内有积
炭，则此次试验作废；
2、样品热值的测定
将固体废物1.0g左右样品，同法进行上述实
验。

点火后释气
用
点火后残渣NaOH滴定
五、注意事项
（1）点火丝不得掉到水池，不能碰到坩埚；
（2）氧弹每次工作之前要加10ml水；
（3）工作时，实验室关好门窗，尽量减少空气对流。

六、实验记录及原始数据
的测定
表1 卡计的水当量C
计
实验序号苯甲酸粉煤灰
123.95724.973
224.51125.094
324.9125.263
425.08925.411
525.22725.535
625.31525.631
725.3825.704
825.43425.746
925.47125.775
1025.49825.798
1125.5225.814
1225.53425.825
1325.54625.834
1425.55425.84
1525.5625.844
1625.56525.847
1725.56925.849
1825.57125.849
1925.57125.849
2025.57225.848
2125.57125.847
2225.5725.846
2325.56925.845
2425.56725.843
2525.56625.84
2625.56525.839
2725.56225.836
2825.55925.834
2925.55625.83
3025.55425.828
3125.55225.825
样品 g 1.0511 1.0193
NaOH用量
6.2mL 3.9mL
0.1mol/L
铜丝
点火前g 0.0239 0.0246
点火后g 0.0184 0.0193
查得：苯甲酸的燃烧热为-26460 J/g，引燃铜丝的燃烧热值为-3140 J/g
七、数据处理与分析
根据苯甲酸点火后温度的变化，以时间作x 轴，温度作y 轴，可得下图：
由上图可以看出，点火后，保温水层的温度有一个急速上升再缓慢下降的过程。

由此可得:
燃烧掉的铜丝质量 = 0.0239 - 0.0184 = 0.0055 g 消耗NaOH = 6.2 mL× 0.1 mol/L = 0.00062 mol Q 3 = 5.9×0.62×10-3/0.1 = 3.658×10-2 J ΔT = 25.572-23.957 = 1.615 ℃
J/℃
17231.8 = 1.615
10×3.658+0.0055×3140+1.0511×26460T Q M Q M Q E -232211=
∆++= 同理可得粉煤灰温度与时间关系：
Δt = 25.849 – 24.973 = 0.876 ℃
消耗的铜丝= 0.0246 – 0.0193 = 0.0053 g
消耗NaOH = 3.9 mL× 0.1 mol/L = 0.00039 mol Q3 = 5.9×0.39×10-3/0.1 = 2.3×10-2 J
所以，粉煤灰热值为：
J/g 14792.9
0193
.
1
023
.
3140
0.0053
-
0.876
17231.8
G Gd
T
E
q
=
-
⨯
⨯
=
∑
-
∆
•
=
八、思考题
1.氧弹测定物质的热值，经常出现点火不燃烧的现象，使得热值无法测定，请问，发生上述现象的原因是什么？如何解决？
答：发生燃烧必须具备三个条件：可燃物、助燃剂和火源。

一般称之为燃烧三要素。

这三个要素只是引起燃烧的质的方面的条件，还要有量的方面的条件。

考虑到量方面的因素，则燃烧条件可进一步叙述为：
（1）可燃物：不论固体，液体和气体，凡能与空气中氧或其它氧化剂起剧烈反应的物质，一般都是可燃物质，如木材，纸张，汽油，酒精，煤气等。

（2）助燃物：凡能帮助和支持燃烧的物质叫助燃物。

一般指氧和氧化剂，主要是指空气中的氧。

这种氧称为空气氧，在空气中约占21%。

可燃物质没有氧参加化合是不会燃烧的。

如燃烧1公斤石油就需要10-12立方米空气。

燃烧1公斤木材就需要4-5立方米空气。

当空气供应不足时，燃烧会逐渐减弱，直至熄灭。

当空气的含氧量低于14-18%时，就不会发生燃烧。

（3）火源：凡能引起可燃物质燃烧的能源都叫火源，如明火，摩擦，冲击，电火花等等。

所以分析得出，原因可能有以下几个：
①物质水分含量较多
解决方案：物料经干燥后再进行实验
②氧弹里的氧气不充足
解决方案：重新对氧弹进行充氧
③点火丝与坩埚接触导致短路
解决方案：重新放置点火丝，使之置于物料中间但是不与坩埚接触
④物料温度没有达到着火点
解决方案：可以尝试加一些助燃剂，但是结果又会影响热值的测定；所以比较好的做法应该是用煤粉将铁丝埋起来，这样点燃的可能性就会大很多
2.已知某固废的热值为11630KJ/kg 。

固废中的元素组成：
元素
C
H O N S H 2O 灰分 含量（%） 28 4
23
4
1
20
20
与热损失有关的量如下:
炉渣含碳量 5％（S 、H 完全燃烧） 空气进炉温度65℃ 炉渣温度650℃
残渣比热0.323KJ/(kg.℃) 水的汽化潜热2420KJ/kg 幅射损失0.5%， 碳的热值32564KJ/kg
请计算焚烧后可利用的热值（以上1kg 为基准） 答：以固体废物1kg 为计算基准。

（1）残渣中未燃烧的碳含量 ① 未燃烧碳的质量
惰性物的质量为1kg × 0.20 = 0.2 kg 总残渣量为：
kg 2105.005
.01kg
2.0=-
未燃烧碳的质量：（0.2105-0.2000）kg = 0.0105 kg ②未燃烧碳的热损失
32564 KJ/kg × 0.0105 kg = 341.9 KJ
（2）计算水的汽化热 ①计算生成水的总质量
总质量 = 固体废物原含水量 + 组分中氢和氧结合生成水的量 固体废物原含水量 = 1 kg × 0.20 = 0.2 kg
组分中的氢与氧生成水的量 = 1 kg × 0.04 × 9 = 0.36 总水量 = （0.2 + 0.36）kg = 0.56 kg
②水的汽化热为：2420 KJ/kg × 0.56 kg = 1355.2 KJ
（3）辐射热损失（机械热损失）为进入焚烧炉总能量的0.5% 即11630KJ × 0.005 = 58.2 KJ （4）残渣带出的显热
0.2105 kg × 0.323 KJ/(kg ·℃) × (650 - 65)℃ = 39.8 KJ
（5）可利用的热值
可利用的热值 = 固体废物总热值 – 各种热损失之和
= [11630 – (341.9 + 1355.2 + 58.2 + 39.8)] KJ = 9834.9 KJ。