加热棒技术在氧弹量热仪中的运用

李冬军,肖兵球,吴抒轶

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 长沙 410205)

0 前 言

发热量不仅为评价燃料煤品质的主要参数[1],也是从事煤炭交易和贸易结算的重要考核指标，其测定值的准确与否将直接关系到煤炭的实际应用[2]。煤的发热量测定原理如下:将一定量待测样品在氧弹中通过点火丝引燃并完全燃烧，燃烧放出的热量使氧弹周围的水温升高，通过测定燃烧前后的水温变化获得待测样品的燃烧热。目前，恒温式自动量热仪的主要点火方式分为熔断式和非熔断式2种[3]。各煤质检测公司一般采纳国标要求，即采用氧弹量热法测定煤的发热量[4]。有关氧弹热量计准确度的要求及检验方法,国内技术监督部门已对其制定专门的检定规程[5],国内外技术标准[6-9]也有论述，其测量过程是在1个封闭的、耐高压燃烧的氧弹中放置一定量燃料的样品，充入高压氧气再使用电流点火引燃点火丝，将样品点燃后使其充分燃烧，通过计算氧弹筒的释放热来计算燃料的热值[10]。因点火丝为一次性使用，故每次实验前均需重新缠绕新的点火丝，且每次点火丝并不能完全燃烧而有部分残余，导致每次试验的点火热不一致，需要计算残余点火丝的热量，操作较为麻烦，且残余点火丝的热量不易被准确计算；另外，残余点火丝在试验完成后需进行清扫，工作量增加。针对上述问题，尝试研发氮化硅点火棒以替代棉线或点火丝，可有效解决每次引燃氧弹中样品时的操作繁琐、燃烧存在残留等问题，为实现量热仪测试自动化奠定基础。

1 测定原理

1.1 金属丝熔断式点火方式的测定原理

金属丝熔断式点火方式的氧弹示意图如图1所示。

图1 金属丝熔断式点火方式的氧弹示意图

每次实验前，人工将1段直径在(0.1 mm～0.12 mm)的点火丝(件1)固定于氧弹的正电极杆(件2)和负电极杆(件3)上并卡紧，使整个氧弹形成1个完整的通电电路，电阻丝作为整个回路中电阻的主要集中部分。氧弹充氧完成后放入仪器并盖上仪器盖，其中一极和氧弹头接触(与氧弹内较短柱子相通)，另一极通过氧弹外壁和氧弹内置放坩埚的较长柱子相连，从而形成点火丝的两极。连接氧弹与整个仪器的通电回路，即可形成1个完整的通电回路。其中电源部分为充电电容，电阻集中在氧弹内的点火丝上。

控制电容放电，因为整个回路的电阻集中在氧弹内的点火丝上，电热放出的电量也主要集中在此电阻丝上，电阻丝受热熔断产生火花，把坩埚内的煤样点燃。

熔断式点火的点火热(qr)等于电容存储的能量E。电容存储的能量由电容量、电容电压等参数计算而得:

(1)

其中,C为电容的电容量，f；U是电容两端电压，V；E为电容存储的能量，J。

熔断式点火的电容电压U=25.82 V，电容量C=0.15f，则点火热为:

(2)

1.2 加热棒点火方式的测定原理[11，12]

加热棒的结构原理如图2所示。相对于熔断式点火方式的点火丝裸露在纯氧中，加热棒点火方式的不同之处在于，将点火丝用绝缘耐高温材料包裹保护并使电阻丝隔绝氧气且不与煤样直接接触，从而可保护点火丝并使点火丝反复使用。

图2 加热棒的结构原理

加热棒点火氧弹如图3所示，包括氧弹本体(5)、氧弹本体内可放置坩埚(4)、氧弹本体内设有固定支架和竖向设置的加热点火棒(3)、加热点火棒的上端电极(1)通过固定支架与氧弹本体的上盖体固定连接，加热点火棒内设有电加热丝、并通过加热点火棒顶部的两根引线(1和2)分别与氧弹本体的正负两极相连以实现通电，加热点火棒的底端用于插入坩埚内的煤样中以在通电发热后点燃煤样。

图3 加热棒点火氧弹

整个氧弹是1个完整的通电电路，电阻丝作为整个回路中电阻的主要集中部分。而氧弹的通电回路与仪器的通电回路连接，其可作为1个完整的通电回路。不同于熔断式点火的点火热熔断电阻丝引燃煤样的方式，加热棒点火采用的方式为点火热加热电阻丝及绝缘体进而引燃煤样。

由于在加热棒点火中煤样间接通过电阻丝引燃，其点火效率会低于熔断式点火方式，故加热棒需要的点火热会大于熔断式的点火热。

按式(1)，加热棒点火配置2个电容，每个电容电压:U=31.62 V，电容量:C=0.15f，则加热棒的点火热(qj)为：

(3)

因直接与煤接触的不是电阻丝，而是耐高温的导热绝缘体。绝缘体反复在煤样中灼烧，煤样烧结的残渣会有极少一部分黏附在绝缘体上。随着使用次数的增加，黏附在绝缘体的残渣会脱落到坩埚里，不会影响加热棒的连续使用。

2 样品热值的计算

2.1 热量测试步骤

按照发热量测定的相应步骤准备氧弹、内筒和外筒，然后点火及测定温升。

在氧弹热量计情况下开始搅拌，连续读取内筒温度和外筒温度，直到内筒温度低于设定值。然后即按发热量测定点火，连续读取内筒温度，直到内筒温度变化率低于设定值，实验即告结束。

2.2 热容量计算

热容量(E)的计算公式见式(4)。

(4)

式中，Q为苯甲酸的标准热值，其值一般为26 466(J/g)；q1为点火热，J；C为冷却校正值，K;H为贝克曼温度计的平均值，h0为t0毛细孔径修正值，hn为tn毛细孔径修正值；采用数字显示温度计，H=1，h0和hn均为0；m为苯甲酸的用量，g；qn为硝酸形成热，按qn=0.001 5Qm计算[8]。

2.3 弹筒发热量计算

弹筒发热量(Qb,ad)的计算公式如下:

(5)

式中，Qb,ad为空气干燥煤样的弹筒发热量，J/g；E为按式(4)计算出的量热仪的热容量，J/K；q1为点火热，J；q2为添加剂如包纸等产生的热量，J；C为冷却校正值，K；H为贝克曼温度计的平均值，h0为t0毛细孔径修正值，hn为tn毛细孔径修正值，采用数字显示温度计，H=1，h0和hn均为0。m为试样重量，g。

2.4 绝对标准偏差与均值

(6)

(7)

其中,n为实验总次数，i为实验序号，xi为第i次实验的实验结果。

3 实验结果

3.1 仪器热容量标定及2种点火方式对比

采用SDAC6000U量热仪完成实验，对其进行热容量标定。标定时采用的物质为苯甲酸标准物。

热容量标定需进行不少于5次重复试验。计算重复试验结果的平均值和相对标准差，其相对标准差不应超过0.2%；若超过0.2%，再补做1次试验，取符合要求的连续测试结果的平均值，修约至1J/K，作为该仪器的热容量。若任何5次结果的相对标准差均超过0.2%，则应对试验条件和操作技术仔细检查并纠正存在问题，重新进行标定，舍弃已有的全部结果。

金属丝熔断式点火方式和加热棒点火方式标定热容量对比见表1。

表1 金属丝熔断式点火方式和加热棒点火方式标定热容量对比

Table 1 Comparison of calibration heat capacity between fuse ignition mode and heating rod ignition mode

加热棒点火方式的仪器热容量计算如下：

10 571.79(J/K)

金属丝熔断式点火方式仪器热容量计算如下：

10 581.20(J/K)

加热棒点火方式的相对标准差、极差和均值分别为:

金属丝熔断式点火方式的相对标准差、极差和均值分别为:

由表1及上述计算可知，2种点火方式标定的热容量相对标准差均未超过0.2%，且极差不超过45 J；2种点火方式标定的热容量平均值仅相差2 J/K，说明对仪器进行加热棒点火改造未影响仪器的标定。

对比2种点火方式所测得热容量的精密度:

查F表，为双侧检测，显著性水平α取0.05，查F0.05,20,20=2.08，由于F1=1.56

3.2 标煤热量测试及2种点火方式对比

采用SDAC6000U量热仪完成实验，用仪器对3种热值高、中、低煤样进行热量测定。

每种煤样进行不少于5次重复试验。测试弹筒发热量，其相对标准差不应超过0.2%，平均值作为煤样的弹筒发热量。煤样A的熔断式点火方式和加热棒点火方式标定弹筒发热量对比见表2。煤样B的熔断式点火方式和加热棒点火方式标定弹筒发热量对比见表3。煤样C的熔断式点火方式和加热棒点火方式标定弹筒发热量对比见表4。

煤样A加热棒点火方式的弹筒发热量计算过程详见表4下方的公式。

表2 煤样A的熔断式点火方式和加热棒点火方式标定弹筒发热量对比

Table 2 Comparison of calorific value of calibration cartridge between fusible ignition mode and heating rod ignition mode for coal sample A

加热棒点火方式(点火热150J)试样质量/(m·g-1)仪器热容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC弹筒发热量/(J·m-1)金属丝熔断式点火方式(点火热50J)试样质量/(m·g-1)仪器热容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC弹筒发热量/(J·m-1)0.951510571.7926.590629.3221-0.042729716.690.994410585.425.981328.8196-0.044529689.750.912110571.7927.493330.0912-0.024929658.171.022110585.426.820429.7155-0.021329713.650.946210571.7924.300727.0437-0.068429724.490.979810585.423.781726.6188-0.082829705.420.925410571.7924.261226.9567-0.080929707.160.912210585.424.981727.6048-0.063429648.601.033810571.7924.582427.5752-0.07229723.430.932410585.426.098628.7631-0.041729722.641.012310571.7925.63628.5388-0.047329672.770.983810585.426.845329.6362-0.024129719.130.956310571.7925.623228.3737-0.047929720.090.932810585.427.186929.8311-0.020229723.51

表3 煤样B的熔断式点火方式和加热棒点火方式标定弹筒发热量对比

Table 3 Comparison of calorific value of calibration cartridge between fusible ignition mode and heating rod ignition mode for coal sample B

加热棒点火方式(点火热150J)试样质量/(m·g-1)仪器热容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC弹筒发热量/(J·m-1)金属丝熔断式点火方式(点火热50J)试样质量/(m·g-1)仪器热容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC弹筒发热量/(J·m-1)1.006710571.7925.844027.7579-0.070419210.181.038510585.426.705728.6527-0.055519232.161.073810571.7925.775627.8172-0.073819233.921.034510585.427.005528.9403-0.051119226.411.001310571.7926.582928.4748-0.057319220.021.038210585.427.383529.3188-0.045619218.960.990810571.7926.922328.7866-0.051319193.020.961610585.427.659429.4528-0.040819241.150.992910571.7927.021928.8886-0.047519218.441.016110585.427.845229.7288-0.037719181.300.982210571.7926.233828.0953-0.060219235.571.021210585.428.076829.9685-0.032219226.481.003810571.7926.435728.3374-0.061519231.021.051010585.428.039329.9894-0.035019241.32

表4 煤样C的熔断式点火方式和加热棒点火方式标定弹筒发热量对比

Table 4 Comparison of calorific value of calibration cartridge between fuse ignition mode and heating rod ignition mode for coal sample C

加热棒点火方式(点火热150J)试样质量/(m·g-1)仪器热容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC弹筒发热量/(J·m-1)金属丝熔断式点火方式(点火热50J)试样质量/(m·g-1)仪器热容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC弹筒发热量/(J·m-1)0.931210571.7927.914530.1346-0.028224722.810.966510585.428.027030.3156-0.026424725.000.902210571.7927.981530.1348-0.027624742.131.053710585.428.160230.6523-0.024424743.000.986810571.7927.905930.2589-0.027324763.480.966610585.428.172530.4645-0.027024752.780.871010571.7927.912529.9952-0.030424737.880.975410585.428.151930.4644-0.027724744.560.949510571.7927.851030.1184-0.028524769.960.974310585.428.302530.6077-0.024624726.431.000110571.7927.979130.3609-0.027524737.010.880910585.428.145430.2340-0.024924742.441.024510571.7927.290529.7400-0.038124737.281.005110585.427.961430.3466-0.026824788.08

煤样A金属丝熔断式点火方式煤样弹筒发热量计算过程如下：

=29 689.75(J/K)

煤样A 加热棒点火方式的相对标准差、极差和均值分别为:

煤样A金属丝熔断式点火方式的相对标准差、极差和均值分别为:

煤样B加热棒点火方式煤样弹筒发热量计算过程如下:

=19 210.18(J/K)

煤样B金属丝熔断式点火方式煤样弹筒发热量计算过程如下:

=19 232.16(J/K)

煤样B加热棒点火方式的相对标准差、极差和均值分别为:

煤样B金属丝熔断式点火方式的相对标准差、极差和均值分别为:

煤样C加热棒点火方式煤样弹筒发热量计算过程如下:

24 744.36(J/K)

煤样C金属丝熔断式点火方式煤样弹筒发热量计算过程如下:

=24 725(J/K)

煤样C加热棒点火方式的相对标准差、极差和均值分别为:

煤样C金属丝熔断式点火方式的相对标准差、极差和均值分别为:

由表2～表4及上述计算可看出，2种点火方式测定的氧弹发热量的相对标准差均不超过0.2%，且极差不超过80J；2种点火方式标定的热容量平均值不大于4J/K，说明对仪器进行加热棒点火改造没有影响仪器的标定。

4 结 语

针对氧弹量热仪熔断式点火需缠绕点火丝导致操作繁琐问题，对氧弹量热仪的主机和氧弹进行改造，将原有的熔断式点火方式改为加热棒点火方式。从氧弹量热仪的实验数据结果分析，加热棒点火方式与熔断式点火方式的试验结果之间无显著性差异，可相互替代使用，说明对于氧弹量热仪采用加热棒点火该方法可行。加热棒点火方式可重复点火、降低劳动强度并使操作更为简单，提高了设备的使用率。