煤的发热量测定1

一、范围：１、本标准规定了煤的高位发热量的测定方法和低位发热量的计算方法。
　　　　　２、本标准适用于泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤、焦炭及碳质页岩。
二、单位和定义：
１、热量单位：热量的单位为焦耳（Ｊ）。１焦耳（Ｊ）＝１牛顿（Ｎ）×１米（ｍ）＝１牛•米（Ｎ•ｍ）。
发热量测定结果以兆焦每千克（ＭJ/kg）或焦耳每克（J/g）表示。
２、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，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量称为弹筒发热量。
３、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，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫、液态水以及固态灰时放出的热量。恒容高位发热量即由弹筒发热量减去硝酸生成热和硫酸校正热后得到的发热量。
４、恒容低位发热量：单位质量的试样在恒容条件下，在过量氧气中燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫，气态水以及固态灰时放出的热量。恒容低位发热量即由高位发热量减去水（煤中原有的水和煤中氢燃烧生成的水）的气化热后得到的发热量。
５、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，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫，气态水以及固态灰时放出的热量。
６、热量计的有效热容量：量热系统产生单位温度变化所需的热量通常以焦耳每开尔文（J/K）表示。
三、原理
１、高位发热量：煤的发热量在氧弹热量计中进行测定。一定量的分析试样在氧弹热量计中，在充有过量氧气的氧弹内燃烧，氧弹热量计的热容量通过在相近条件下燃烧一定量的基准量热物苯甲酸来确定，根据试样燃烧前后量热系统产生的温升，并对点火热等附加热进行校正后即可求得试样的弹筒发热量。
从弹筒发热量中扣除硝酸生成热和硫酸校正热（硫酸与二氧化硫形成热之差）即得高位发热量。
２、低位发热量：煤的恒容低位发热量和恒压低位发热量可以通过分析试样的高位发热量计算。计算恒容低位发热量需要知道煤样中水分和氢的含量。原则上计算恒压低位发热量还需知道煤样中氧和氮的含量。
四、试验室条件
　　１、进行发热量测定的试验室，应为单独房间，不得在同一房间内同时进行其它试验项目。
　　２、室温应保持相对稳定，每次测定室温变化不应超过1℃，室温以不超过15℃～30℃范围为宜。
　　３、室内应无强烈的空气对流，因此不应有强烈的热源、冷源和风扇等，试验过程中应避免开启门窗。
　　４、试验室最好朝北，以避免阳光照射，否则热量计应放在不受阳光直射的地方。
五、试剂和材料
１、氧气：　　99.5％纯度，不含可燃成分，不允许使用电解氧。
２、氢氧化钠标准溶液：　　（NaOH）≈0.1mol／L  　称取优级纯氢氧化钠4g，溶解于1000mL经煮沸冷却后的水中，混合均匀，装入塑料瓶或塑料筒内，拧紧盖子。然后用优级纯苯二甲酸氢钾进行标定。
３、甲基红指示剂　　２g／L　　称取0.2g甲基红，溶解在100mL水中。
４、苯甲酸　　基准量热物质，二等或二等以上，经权威计量机关检定或授权检定并标明标准热值。
５、点火丝　　直径0.1mm左右的铂、铜、镍丝或其他已知热值的金属丝或棉线，如使用棉线，则应选用粗细均匀，不涂蜡的白棉线。各种点火丝点火时放出的热量如下：　　　铁丝：6700J/g　　镍铬丝：6000J/g铜丝：2500J/g　　棉线：17500J/g
６、酸洗石棉绒　　使用前在800℃下灼烧30min。
７、擦镜纸    使用前先测出燃烧热：抽取3～4张纸,团紧,称准质量,放入燃烧皿中,然后按常规方法测定发热量。取3次结果的平均值作为擦镜纸热值。
六、仪器设备
１、热量计
　　    （１）总则：热量计是由燃烧氧弹、内筒、外筒、搅拌器、温度传感器和试样点火装置、温度测量和控制系统以及水构成。　　　通用热量计有两种，恒温式和绝热式，它们的量热系统被包围在充满水的双层夹套（外筒）中，它们的差别只在于外筒及附属的自动控温装置，其余部分无明显区别。　　无水热量计的内筒、搅拌器和水被一个金属块代替。氧弹为双层金属构成，其中嵌有温度传感器，氧弹本身组成了量热系统。　　自动氧弹热量计原则上应按照本标准的原理和规定设计和构造，并按照本标准的规定计算分析试样的弹筒发热量和恒容高位发热量。发热量的结果应以焦尔每克（Ｊ/g）或兆焦每千克（MJ/kg）单位报出。　　自动氧弹热量计在每次试验中必须详细给出规定的参数，打印的或以另外方式记录的各次试验的信息包括温升，冷却校正值（恒温式）、有效热容量、样品质量、点火热和其他附加热；由此进行的所有计算都能人工验证，所用的计算公式应在仪器操作说明书中给出。计算中用到的附加热应清楚地确定，所用的点火热，副反应热的校正应该明确说明。
　　本标准也允许使用其他氧弹热量计，只要他们的标定条件，标定和发热量测定时条件的相似性，试样质量与氧弹的容积，充氧压力，氧弹中加水量，以及测定的精密度和准确度等方面符合本标准的基本要求均可使用。
　　热量计的精密度和准确度要求为，测试精密度：５次苯甲酸测试结果的相对标准差不大于0.20％；准确度：标准煤样测试结果与标准值之差都在不确定度范围内，或者用苯甲酸作为样品进行５次发热量测定，其平均值与标准热值之差不超过50J/g。
　　    （２）氧弹：由耐热、耐腐蚀的镍铬或镍铬钼合金钢制成，需要具备３个主要性能（ａ）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（ｂ）能承受充氧压力和燃烧过程中产生的瞬时高压（ｃ）试验过程中能保持完全气密　　弹筒容积为250mL～350mL弹头上应装有供充氧和排气的阀门以及点火电源的接线电极　　新氧弹和新换部件（弹筒、弹头、连接环）的氧弹应经20.0Mpa的水压试验，证明无问题后方能使用，此外，应经常注意观察与氧弹强度有关的结构，如弹筒和连接环的螺纹、进气阀、出气阀和电极与弹头的连接处等，如发现显著磨损或松动，应进行修理，并经水压试验合格后再用。　　氧弹还应定期进行水压试验，每次水压试验后，氧弹的使用时间一般不应超过２年。　　当使用多个设计制作相同的氧弹时，每一个氧弹都必须作为一个完整的单元使用。氧弹部件的交换使用可能导致发生严重的事故。
　　    （３）内筒：用紫铜、黄铜或不锈钢制成，断面可为椭圆形、菱形或其他适当形状。筒内装水2000mL～3000mL以能浸没氧弹（进、出气阀和电极除外）为准　　内筒外面应高度抛光，以减少与外筒间的辐射作用。
　　    （４）外筒：为金属制成的双壁容器，并有上盖。外壁为圆形，内壁形状则依内筒的形状而定；外筒应完全包围内筒，内外筒间应有10mm～12mm的间距，外筒底部有绝缘支架，以便放置内筒。（ａ）恒温式外筒：恒温式热量计配置恒温式外筒。自动控温的外筒在整个试验过程中，外筒水温变化应控制在±0.1k之内或更低；非自动控温式外筒――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。外筒的热容量应该是：当冷却常数约为0.0020min－１时，从试样点火到末期结束时的外筒温度变化小于0.16K；当冷却常数约为0.0030min－1时，此温度变化应小于0.11K。外筒外面可加绝缘保护层，以减少室温波动的影响。用于外筒的温度计应有0.1K的最小分度值。（ｂ）绝热式外筒：绝热式热量计配置绝热式外筒。外筒中装有加热装置，通过自动控温装置，外筒水温能紧密跟踪内筒的温度。外筒的水还应在特制的双层盖中循环。　　　　自动控温装置的灵敏度应能达到使点火前和终点后内筒温度保持稳定（５min内温度变化平均不超过0.0005K/min），在一次试验的升温过程中，内外筒间热交换量应不超过20J。
　　    （５）搅拌器：螺旋浆式或其他形式。转速（400～600）r/min为宜，并应保持恒定。搅拌器轴杆与外界应采用有效的隔热措施，以尽量减少量热系统与外界的热交换。搅拌器的搅拌效率应能使热容量标定中由点火到终点的时间不超过10min，同时又要避免产生过多的搅拌热（当内、外筒温度和室温一致时，连续搅拌10min所产生的热量不应超过120J）
　　（６）量热温度计：用于内筒温度测量的量热温度计至少应有0.001K的分辨率，以便能以0.002K或更好的分辨率测定2K到3K的温升；它代表的绝对温度应能达到近0.1K。量热温度计在它测量的每个温度变化范围内应是线性的或线性化的。它们均应经过计量部门的检定，证明已达到上述要求，有两种类型的温度计可用于此目的。（ａ）玻璃水银温度计：常用的玻璃水银温度计有两种：一种是固定测温范围的精密温度计；一种是可变测温范围的贝克曼温度计。两者的最小分度值应为0.01K。使用时应根据计量机关检定证书中的修正值做必要的校正。两种温度计都应进行温度校正（贝克曼温度计称为孔径校正），贝克曼温度计除这个校正值外还有一个称为“平均分度值”的校正值。　　　　为了满足所需要的分辨率，需要使用５倍的放大镜来读取温度，为防止水银柱在玻璃上的粘滞，通常需要一个机械振荡器来敲击温度计。如果没有机械振荡器，在读取温度前应人工敲击温度计。（ｂ）数字显示温度计：数字显示温度计可代替传统的玻璃水银温度计，这些温度计是由诸如铂电阻、热敏电阻以及石英晶体共振器等配备合适的电桥，零点控制器、频率计数器或其它电子设备构成，它们应能提供符合要求的分辨率，这些温度计的短期重复性应该为0.001K或更好，６个月内的长期漂移不应超过0.05K，线性温度传感器在发热量测定中引起的偏倚比非线性温度传感器的小。
　　２、附属设备：
   （１）燃烧皿：铂制品最理想，一般可用镍铬钢制品。规格可采用高17mm～18mm、底部直径19mm～20mm，上部直径25mm～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，一个指示充氧时氧弹内的压力。表头上应装有减压阀和保险阀。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。
压力表通过内径1mm～2mm的无缝铜管与氧弹连接或通过高强度尼龙管与充氧装置连接，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。如不慎沾污，必须依次用苯和洒精清洗，并待风干后再用。
   （３）点火装置：点火采用12v～24v的电源，可由220v交流电源经变压器供给。线路中应串接一个调节电压的变阻器和一个指示点火情况的指示灯或电流计。
点火电压应预先试验确定。方法：接好点火丝，在空气中通电试验。在熔断式点火的情况下，调节电压使点火丝在1s～2s内达到亮红；在棉线点火的情况下，调节电压使点火丝在４s～５s内达到暗红。电压和时间确定后，应准确测出电压、电流和通电时间，以便计算电能产生的热量。
如采用棉线点火，则在遮火罩以上的两电极柱间连接一段直径约0.3mm的镍铬丝，丝的中部预先绕成螺旋数圈。以便发热集中。
   （４）压饼机：螺旋式、杠杆式或其它形式压饼机。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）秒表或其他能指示10s的计时器。
３、天平
   （１）分析天平：感量0.1mg。
   （２）工业天平：载量4kg～5kg，感量1g。

结果的计算:　

1.煤的高位发热量计算公式为：
　　Qgr,ad=Qb,ad-94.1Sb,ad-aQb,ad
　    　式中：
　　    Qgr,ad——分析煤样的高位发热量，J/g;
　　    Qb,ad——分析煤样的弹筒发热量，J/g;
　　    Sb,ad——由弹筒洗液测得的煤的硫含量，%；

                 当Qb,ad〉14600J/g，同时，Sb，ad≤4%时，可用St,ad代替Sb,ad。
　　    94.1——煤中每1%（0.01g）硫的校正值，J/g;
              a——硝酸校正系数。

                      Qb,ad≤16700J/g,a=0.0010
　　             16700J/g　   　          Qb,ad25100J/g ,a=0.0016
2.煤的低位发热量的计算
　　Qnet,ar=(Qgr,ad-206Had)*(100-Mar)/(100-Mad)-23Mar 

　　    式中：
　　    Qnet,ar——分析煤样的低位收到基发热量，J/g;
　　    Qgr,ad——分析煤样的高位分析基发热量，J/g；
　　    Had——分析煤样氢含量，%；
　　    Mad——分析煤样水分，%。

    Qgr，maf=Qgr,ad×（100-MHC）/(100-Mad-Aad×(100-MHC)/100)
　　    式中：
　　    Qgr，maf——恒温无灰基高位发热量；
　　    MHC——恒湿条件下测得的水分含量，%。