煤炭发热量的测定

发热量是评价煤炭质量的一项主要指标，又是动力煤的主要质量指标。煤的燃烧和气化须用发热量计算其热平衡、热效率和耗煤量，也是燃烧设备和气化设备的设计依据之一。通过发热量可以粗略推测煤的许多性质，如变质程度、黏结性、氢含量等。煤炭发热量（恒温无灰基高位发热量）又是年轻煤的分类指标。

一、实验目的

掌握煤炭发热量的测定原理，学习运用恒温式热量计测定发热量的方法与步骤，了解热容量及仪器常数的标定方法。

二、实验原理

1．发热量测试原理

将试样置于充有高压氧的氧弹中，氧弹放在装有一定量纯水的内筒里，通过氧弹中的电热点火丝将试样点燃，样品燃烧放出的热量使量热仪的量热系统温度上升，设量热仪的量热系统的热容量为E，温升为ΔT，点火丝、搅拌器、测温探头在测量过程中产生的附加热为q1，升温过程中量热系统与外界的热交换（散失到外界的热量）为q2，样品质量为m，则试样燃烧放出的热量为：

试样的发热量为：

2．仪器热容量测试原理

量热仪热容量E的值用发热量已知的标准物质（如苯甲酸）标定，若实验用的苯甲酸的发热量为q′，质量为m′，硝酸生成热为q3，则仪器热容量为：

三、实验仪器设备和试剂

图1　仪器外形示意图

本实验仪器为江苏江分电分析仪器有限公司生产的FRL－2000型微机热量仪。本仪器系统由微机系统（PⅢ以上的PC机，内存128M，硬盘20G，14″彩显）、打印机、恒温筒、内筒、氧弹、二测温探头、测试卡、搅拌控制器、点火控制器、测控软件主机、另配有充氧装置及压饼机等部分组成（见图1）。仪器安装示意图见图2，安装时，在仪器开机前，应往外筒注水口加入约20kg蒸馏水或去离子水。

图2　仪器安装示意图

1．恒温式热量计

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，需要具备三个主要性能：①不受燃烧过程中出现的高温和腐蚀性产物的影响而产生热效应；②能承受充氧压力和燃烧过程中产生的瞬时高压；③实验过程中能保持完全气密。

（2）内筒：用紫铜、黄铜或不锈钢制成。筒内装水2000～3000mL（本仪器要求装2kg），以能浸没氧弹（进、出气阀和点火电极除外）为准。内筒外表面应电镀抛光，以减少内、外筒间的辐射传热。

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

（5）量热温度计。

2．附属设备

（1）燃烧皿：以铝制品最理想，一般可用镍铬钢制品。规格可采用高17～18mm，底部直径19～20mm，上部直径25～26mm，厚0．5mm。其他合金钢或石英制的燃烧皿也可使用，但以能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。

（2）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内的压力。表头上应装有减压阀和保险阀。压力表每年应经计量机关至少检定一次，以保证指示正确和操作安全。

压力表通过内径1～2mm的无缝钢管与氧弹连接，以便导入氧气。

压力表和各连接部分禁止与油脂接触或使用润滑油。如不慎玷污，必须依次用苯和酒精清洗，并待风干后再用。

（3）点火装置。

（4）螺旋式压饼机或杠杆式压饼机。能压制直径10mm的煤饼或苯甲酸饼。模具及压杆应用硬质钢制成，表面光洁，易于擦拭。

（5）分析天平：感量0．1mg；工业天平：载量4～5kg，感量1g。

（6）氧气：99．5%纯度，不含可燃成分，不允许使用电解氧。

（7）苯甲酸：经计量机关检定并标明热值的苯甲酸。使用前应在40℃～50℃的温度下烘烤3～4小时。

（8）点火丝：直径为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。各种点火丝燃烧热如下：

铁丝6700J／g　　镍铬丝1400J／g　　铜丝2500J／g　　棉线17500J／g

（9）酸洗石棉绒：使用前在800℃下灼烧30min。

四、实验步骤

（1）在燃烧皿中精确称取粒度小于0．2mm的空气干燥煤样0．9～1．1g（称准至0．0002g）。

对于燃烧时易飞溅的试样，先在压饼机上压饼并切成小块使用。对于不易完全燃烧的试样，可先在燃烧皿底部铺一个石棉垫，或用石棉垫做衬垫（先在燃烧皿底部放一层石棉绒，并用手压实以防煤样掺入）。如加垫后仍燃烧不完全，可提高充氧压力至3．2MPa。

（2）取一段已知质量的点火丝，把两端分别接在氧弹的两个电极柱上，点火丝和电极柱必须接触良好。再把盛有试样的燃烧皿放在支架上，调节点火丝使之垂直刚好与试样接触，对于易飞溅或易燃的煤，点火丝应与试样保持微小的距离。特别要注意：不能使点火丝接触燃烧皿，以免发生短路，导致点火失败，甚至烧毁燃烧皿。同时还应防止两电极之间以及燃烧皿与另一电极之间的短路。

在氧弹中加入10mL蒸馏水，小心拧紧氧弹，注意避免因震动而改变燃烧皿和点火丝的位置。接通氧气导管，往氧弹中缓缓冲入氧气（速度太快，容易使煤样溅出燃烧皿），直到压力达到2．8～3．0MPa，且充氧时间不得小于15s；如果充氧压力超过3．3MPa，应停止实验，放掉氧气后，重新充氧至3．2MPa以下。当钢瓶中的氧气的压力降到5．0MPa以下时，充氧时间应酌量延长，当钢瓶中氧气压力低于4．0MPa时，应更换新的氧气钢瓶。

（3）往内筒中加入2kg的蒸馏水，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。每次实验时水量应与标定热容量是一致（相差不超过1g）。

（4）把氧弹放入装好水的内筒中，如果氧弹内无气泡冒出，表明气密性良好，即可把内筒放在外筒的绝缘架上；如果氧弹内有气泡冒出，则表明有漏气处，此时应找出原因，加以纠正并重新充氧。然后盖上外筒筒盖。

停止搅拌，打开外筒筒盖，取出内筒和氧弹，开启放气阀，放出燃烧废气，打开氧弹仔细观察弹筒和燃烧皿内部，如果有试样燃烧不完全的迹象（如试样有飞溅）或有炭黑存在，实验作废。用蒸馏水充分冲洗氧弹内各部分、放气阀、燃烧皿内外和燃烧残渣。

五、实验记录和结果的描述

1．实验记录可直接打印

弹筒发热量和高位发热量的结果计算为1J／g，取高位发热量的两次重复测定的平均值，按GB／T483修约到最接近的10J／g的倍数，按J／g或MJ／kg的形式报出。

六、允许差

七、注意事项

（1）充氧和放气应缓慢进行。充氧时间不应少于30s，放气时间应不少于60s。

（2）金属点火丝不得与燃烧皿接触，以防短路。