9GBT213-XXXX煤的发热量测定方法

GB/T213-2008煤的发热量测定方法讲解：刘红霞[注]本讲涉及的量热仪如无特别说明，均指恒温式量热仪。1热量及温度的单位（一）、热量的单位我国过去和目前常用的热量单位为卡、焦耳。1焦耳=1牛顿力使其作用点在力的方向上移动1米所做的功。（1）焦耳（用J表示）移动1m1N作用点1热量及温度的单位（2）卡（用cal表示）1卡=1g纯水在标准气压下把温度升高1℃所需要的热量。后来科学家发现水在不同温度下的比热容不同，1卡的数值并不绝对。a.将1g水在标准气压下由摄氏14.5℃提升到15.5℃所需的热量，为1卡（≈4.1855焦耳）；又叫【15度卡】；b.将1g水在标准气压下由摄氏19.5℃提升到20.5℃所需的热量，为1卡（≈4.1816焦耳）。又叫【20度卡】。结论：【15度卡】的1卡≠【20度卡】的1卡1热量及温度的单位从两个定义上可以看出：所以现代科学不再采用卡作为能量及热量的量度单位，转而采用国际单位焦耳。GB/T213-2008规定用焦耳/克或兆焦/千克来表示煤的发热量。1MJ/kg=103J/gA.焦耳只与力的大小、力的方向及移动距离有关，不随温度的变化而变化。B.卡随温度的变化而变化，数值并不绝对。2高、低位发热量的定义为什么说锅炉中所获得最大理论热值是低位发热量？煤在锅炉中燃烧和在氧弹内燃烧条件不大一样，所得的燃烧产物也不同，因而获得的热量不同。煤在锅炉中燃烧获得的最大理论热量是从弹筒发热量中扣除上述四项热量的热值（即恒压低位发热量）。由于恒容低位发热量与恒压低位发热量相差很小（几焦到十几焦）因此常用恒容低位发热量替代。2高、低位发热量的定义（1）弹筒发热量：单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其终态产物为25℃下的过量氧气、氮气、二氧化碳、硝酸、硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量。即实验室内用氧弹热量计（量热仪）直接测得的发热量。mqqCtEQadb21)(，【注】：q1为点火燃烧热，q2为添加物燃烧热。2高、低位发热量的定义（2）恒容高位发热量：单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其终态产物为25℃下的过量氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫、液态水以及固态灰时放出的热量。即弹筒发热量减去硝酸形成热以及硫酸校正热。高位发热量可理解成煤能在锅炉中产生的发热量。【注】①当St，ad＜4.00%或Qb,v,ad＞14.60MJ/㎏时，可用St，ad代替Sb，ad②Qb,ad≤16.70kJ/g时，a=0.001016.70kJ/g＜Qb,ad≤25.10kJ/g时，a=0.0012Qb,ad＞25.10kJ/g时，a=0.0016advbadbadvbadvgraQSQQ，，，，，，，1.942高、低位发热量的定义（3）恒容低位发热量：单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其终态产物为25℃下的过量氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫、气态水以及固态灰时放出的热量。即恒容高位发热量减去水（包括水和氢生成的水）的气化潜热。低位发热量可理解成锅炉实际能得到的发热量。【注】M为预计算基的水分，%干燥基M=0，空干基M=Mad，收到基M=Mt。MMMHQQadadadvgrMvnet23100100)206(，，，，2高、低位发热量的定义（4）恒压低位发热量：单位质量的试样在恒压条件下，在过量氧气中燃烧，其终态产物为25℃下的过量氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫、气态水以及固态灰时放出的热量。【注】Oad+Nad可用下式估算：Oad+Nad=100-Mad-Aad-Cad-Had-St,ad。MMMNOHQQadadadadadvgrMpnet23100100)(8.0212[，，，，恒压低位发热量=恒压高位发热量-水的气化潜热（恒压）恒压高位发热量=恒容高位发热量-体积膨胀功2高、低位发热量的定义燃烧条件燃烧产物种类及其相态热力学状态CHSNQbCO2(g)H2O(I)H2SO4(I)HNO3(I)恒容Qgr,adCO2(g)H2O(I)SO2(g)N2(g)恒压Qnet,arCO2(g)H2O(g)SO2(g)N2(g)恒压四种定义的区别：燃烧条件不同，则燃烧产物不同。g—气态I—液态3氧弹量热法的基本原理5E-KC5410快速量热仪5E-AC8018全自动量热仪5E-C5500自动量热仪主要仪器设备：5E-1C电脑量热仪5E-AC/PL自动量热仪立式单控3氧弹量热法的基本原理发热量定义：单位质量的物质完全燃烧时所放出的热量，单位为：焦耳/克。氧弹内部结构图◎称取一定量的样品◎氧弹内充入过量氧气◎电流熔断点火丝点燃样品◎释放的热被吸收3氧弹量热法的基本原理热量传递四种形式：热辐射;（与表面光洁度有关）热对流；（物质本身的流动性）热传导；（没有物质的转移）热蒸发；（水分蒸发带走热量）3氧弹量热法的基本原理（四）、工作原理Q=mE(tn-t0)恒温式量热仪工作原理图恒温式量热仪的量热法必须解决三个问题：（1）预先知道仪器的热容量，即该仪器的量热系统温度每升高1K（或1℃）所需要吸收的热量，称之为热容量（E）。（2）测定发热量时，内外筒水温之间始终存在着一定的温差且随时间而改变，导致内外筒热交换，由此必须解决量热系统与外界的热交换的问题，通过在内筒温升上加一个校正值来解决，称之为冷却校正（C）。（3）其它热量校正，即点火热q1、添加物热量q2等。3氧弹量热法的基本原理Q=mE(tn-t0+C)-q1-q24量热系统的设备要求量热系统由氧弹、内筒、外筒、搅拌器、水、温度传感器、点火装置、温度测量和控制系统组成（以下均以恒温式热量计予以介绍）。（1）氧弹●氧弹材料：耐热、耐腐蚀、耐高压。●氧弹容积：一般在(250～350)mL。●水压试验：我国氧弹水压试验是20MPa，2年内有效。●充氧压力和时间：(2.8-3.0)Mpa并持续充氧15s以上。禁止超过3.2MPa。图为5E-AC8018使用的氧弹4量热系统的设备要求（2）内筒●内筒材料：紫铜、黄铜、不锈钢●内筒形状：断面可为椭圆、菱形或其他●内筒容量：可装(1600-3000）mL水图为5E-AC系列量热仪椭圆型内筒4量热系统的设备要求（2）内筒●内筒水量要求：放入氧弹后往内筒加水，使氧弹盖的顶面淹没在水面下（10-20）mm，水量过多，搅拌引起飞溅；水量过少，搅拌引起氧弹盖外露，部分热量未被水吸收。所有试验中保持相同，相差不超过0.5g。●内筒进水方式：称量法、平衡法、量杯法、水位探针定量法。4量热系统的设备要求（3）外筒●外筒材料：金属制成的双壁容器●外筒形状：外壁为圆形，内壁形状则依内筒的形状而定●外筒装配要求：外筒应完全包围内筒，内外筒间应有（10～12）mm的间距，尽量减少内外筒之间的热交换。4量热系统的设备要求●外筒（恒温式外筒）控温方式①自动控温外筒（外筒在整个试验过程中，外筒水温变化应控制在±0.1K之内）。②静态式外筒：盛满水后其热容量应不小于热量计热容量的5倍，以便保持试验过程中外筒温度基本恒定。【注】绝热式量热仪外筒水量要求：外筒水量应尽量少，且外筒的水还应在恒温筒的双层盖中循环。要求一次实验过程中，内外筒间热交换应不超过20J。4量热系统的设备要求（4）搅拌器●搅拌的方式：螺旋桨式和电磁式，但都需要电机带动。●转速：（400～600）r/min为宜，根据经验转速500r/min比较理想，应保持恒定，不能时快时慢。●搅拌效率：点火到终点的时间不超过10min，如果超过10min，说明搅拌效率不够。●搅拌热：当内、外筒水温与室温一致时，连续搅拌10min所产生的热量不应超过120J。4量热系统的设备要求（5）温度计目前我公司量热仪使用的温度计采用的是铂电阻读温，又称测温探头。温度分辨率至少0.001K。（6）点火装置●点火电源：一般采用（24～36）V的直流或交流电源。●点火方式：熔断式、非熔断式。【注】熔断式安装比较方便，但容易短路，烧坏坩埚和坩埚支架；非熔断式安装时麻烦一点，但安全，绝不会烧坏坩埚和坩埚支架。量热仪搅拌器、温度计、点火装置、氧弹识别器实物温度计氧弹识别器点火装置点火装置点火装置搅拌杆及搅拌叶片4量热系统的设备要求4量热系统的设备要求（7）氧气、压力表及发热量坩埚◆氧气：严禁使用电解氧，纯度99.5%。◆压力表●组成部分：由两个表头组成，一个指示氧气瓶中的压力，一个指示充氧时充入氧弹内的压力。表头上应装有减压阀和保险阀。●检定：压力表每2年应经计量部门检定一次，以保证指示正确和操作安全。4量热系统的设备要求（7）氧气、压力表及发热量坩埚●禁油：压力表和各连接部分禁止与油脂接触或使用润滑油。油脂在氧气中容易氧化而产生热量，且易产生静电放电现象，在高压氧的条件下，油脂的上述过程比在常压下进行快得多，所以油脂很容易点着，引发火灾。◆发热量坩埚：一般可用镍铬钢制品，能保证试样燃烧完全而本身不受腐蚀或产生热效应为原则。有深壁坩埚、浅壁坩埚两种。5热容量标定（1）有效热容量量热体系产生单位温升所需要的热量，称为量热仪的有效热容量，用E表示，单位为J/℃或J/K。（2）热容量的标定用一种已知热值的物质来测量整个量热体系温度升高1℃所需的热量，即测得量热仪的热容量。【注】已知热值的物质，现在常用的是一种由权威机构已经定值的苯甲酸的基准量热物质，要求：品质纯度达到二等或二等以上，压片，洁净。5热容量标定（3）热容量计算公式E—热容量（J/℃或J/K）m—试样质量（g）Q—苯甲酸热值（J/g）q1—点火丝热量（J）qn—硝酸生成热（J）qn=Q×m×0.0015△—主期温升（K或℃）C—温升冷却校正值（K或℃）CqqmQCttqqmQEnonn11)(（4）计算热容量：已知苯甲酸热值Q=26472J/g，点火丝热量q1=50J,苯甲酸质量m=1.0025g，主期温升tn-t0=2.8340℃，C=0.0233℃。求E。E=(tn-t0)+cQ×m+q1+qn=2.8340+0.023326472×1.0025+50+39.8=9319J/℃(或J/K)【注】苯甲酸燃烧过程中，由于高温和高压，充氧前封入的氮气少量生成硝酸并放出热量。热容量标定中的硝酸生成热按下式计算：qn=0.0015Qm=0.0015×26472×1.0025=39.8J5热容量标定5热容量标定（5）热容量标定热容量标定一般应进行5次重复试验，计算5次重复试验结果的平均值和相对标准偏差。其相对标准偏差不应超过0.20%；若超过再补做一次，取符合要求的5次结果的平均值，修约到1J/K，作为该仪器的热容量。使用新型热量计前，一般用苯甲酸至少进行8次热容量标定试验，苯甲酸片质量从0.7g-1.3g，两个端点处至少分别做两次重复测定，其相对标准偏差不应超过0.20%。5热容量标定（6）热容量的有效期热容量标定值的有限期为三个月，超过此期限时应重新标定。但有下列情况时应立即重标：a.更换温度计；b.更换量热仪的大部件，如氧弹头.连接环等；c.标定热容量和测发热量时的内筒水温相差超过5K；d.量热仪经过较大的搬动。6冷却校正与点火丝热量校正（1）冷却校正根据氧弹量热法原理，恒温式热量计的内筒在试验过程中与外筒发生热交换。在点火前，内筒温度低于外筒，点火后的内筒温度高于外筒，对此散失或得到的热量应予校正，即在求得整个温升时加上一个校正值C，这个校正值称为冷却校正。目前常用的冷却校正公式有：国标公式、奔特公式、瑞-方公式。6冷却校正与点火丝热量校正（2）点火热校正●点火丝熔断式和棉线点火。●熔断式点火丝热量=点火丝实际消耗量×点火丝热值●棉线点火热量=棉线的实际消耗量×棉线的热值+电能热（即电压×电流×时间）【注】镍铬丝热值为：6000J/g，棉线热值为：17500J/g。7测定步骤发热量的测定由两个独立的试验组成，即在规定的条件下基准量热物质的燃烧试验（热容量标定）和试样的燃烧试验（发热量测定）【注】：两种试验的条件应尽量相近，以避免热交换引起的系统误差。试验过程分为初期、主期（反应期）和末期。对于恒温式热量计，