煤的发热量测量实验

煤的发热量测量实验
一、实验的目的和意义
煤热值是煤的一个重要物理化学指标。

煤热值的大小直接影响着煤处理处置方法的选择。

本实验的目的是使学生掌握煤热值的测定方法，并在实验中培养学生动手能力，使其熟悉相关仪器设备的使用方法。

二、实验原理
热化学中定义，１摩尔物质完全氧化时的反应热称为燃烧热。

对生活垃圾煤和无法确定相对分子质量的混合物，其单位质量完全氧化时的反应热称为热值。

图 2-12 氧弹卡计外形图 图 2-13 氧弹卡计剖面图 1—筒； 2—盖；3—小皿；4—出气道； 5—进气管作电极； 6—另一个电极
测量热效应的仪器称为量热计（卡计）。

量热计的种类很多，本实验用氧弹卡计，图2-12为氧弹卡计外形图，图2-13为氧弹卡计剖面图。

测量基本原理：根据能量守恒定律，样品完全燃烧放出的能量促使氧弹卡计本身及其周围的介质（本实验用水）温度升高，通过测量介质燃烧前后温度的变化，就可以求算该样品的燃烧热值。

其计算式为
(3000) 2.9v mQ C C L ρ=+ΔΤ−卡 式中 v Q ——燃烧热，g J ；
ρ ——水的密度，2g cm ；
C——水的比热容，J /(℃·g)；
M——样品的质量，kg ；
C 卡 ——为卡计的水当量，J /℃； L——为铁丝的长度，cm（其燃烧值为2.9J
cm ）；
3000——实验用水量，mL 氧弹卡计的水当量C 卡
一般用纯净苯甲酸的燃烧热来标定，苯甲酸的恒容燃烧热v
Q =26460J 。

为实验的准确性，完全燃烧是实验成功的第一步。

要保证样品完全燃烧，氧弹中必须充足高压氧气（或者其他氧化剂），因此要求氧弹密封、耐高压、耐腐蚀，同时粉末样品必须压成片状，以免充气时冲散样品，使燃烧不完全而引起实验误差；第二步还必须使燃烧后放出的热量不散失，不与周围环境发生热交换而全部传递给卡计本身和其中盛放的水，促使卡计和水的温度升高。

为了减少卡计与环境的热交换，卡计放在一恒温的套壳中，故称环境恒温或外壳恒温卡计。

卡计壁须高度抛光， 也是为了减少热辐射。

卡计和套壳中间有一层挡屏，以减少空气的对流量。

虽然如此，热漏还是无法完全避免，因此燃烧前后温度变化的测量值必须经过雷诺图法校正。

其校正方法如下。

称适量待测物质，使燃烧后水温升高1.5 2.0℃。

预先调节水温低于室温0.5 1.0℃，然后将燃烧前后历次观察的水温对时间作图，联成FHIDG 折线（图2-14），图中H 相当于开始燃烧之点，D 为观察到最高的温度读数点，作相当于室温之平行线JI 交折线于I，过I 点作ab 垂线，然后将FH 线和GD 线外延交ab 线于A、C 两点，A 点与C 点所表示的温度差即为欲求温度的升高ΔΤ。

图中′ΑΑ为开始燃烧到温度上升至室温这一段时间1t Δ内，由环境辐射进来和搅拌引进的能量而造成卡计温度的升高，必须扣除之。

CC ′为温度有室温升高到最高点D 这一段时间2t Δ内，卡计向环境辐射出能量而造成卡计温度的下降，因此需要添加上。

由此可见，A、C 两点的温差是较客观地表示了由于样品燃烧促使卡计温度升高的数值。

有时卡计的绝热情况良好，热漏少，而搅拌器功率大，不断引进微量能量使得燃烧后的最高点不出现（如图2-15）。

这种情况下ΔΤ仍然可以按照同法校正之。

温度测量采用贝克曼温度计，其工作原理和调节方法参阅其说明书。

图2-14 绝热较差时雷诺校正图 图2-15 绝热良好时雷诺校正图 三、实验仪器和试剂
（1） 氧弹卡计1支；
（2） 放大镜1支；
（3） 氧气钢瓶1支；
（4） 贝克曼温度计1支；
（5） 氧气表；
（6） 0～100℃温度计1支；
（7） 压片机1台；
（8） 万用电表1支；
（9） 变压器1台；
（10） 苯甲酸（分析纯或燃烧热专用）若干；
（11） 铁丝若干。

四、实验步骤
1. 测定卡计的水当量C 卡
（1）样品压片：用台秤称取约1g 左右的苯甲酸（切勿超过1.1g ）。

用分析天平准确称量长度为15cm 长的铁丝。

按照图，将铁丝穿在模子的底板内，下面填以托板，徐徐旋紧压片机的螺丝[见图2-16（a）]，直到压紧样品为止（压的太过分会压断铁丝，以致造成样品点火不能燃烧起来）。

抽出模底下的托盘，再继续向下压，则样品和模底一起脱落。

压好样品形状如图2-16（c）所示，将此样品在分析天平上准确称量后即可供燃烧用。

（a）铁丝穿在模板内 （b）压片机 （c）压好的样品 图2-16 样品压片示意
（2）充氧气：在氧弹中加入1 m 蒸馏水，再将样品片上的铁丝绑牢于氧弹中两根电极上（见图2-13氧弹卡计剖面图）。

打开氧弹出气道，旋紧氧弹盖。

用万用点表检查进气管电极与另一根电极是否通路。

若通路，则旋紧出气道后就可以充氧气了。

充气示意如图2-17所示。

充氧气过程如下：将氧气表头的导管和氧弹的进气管接通，此时减压阀门2应逆时针
旋松（即关紧）。

打开阀门1，直至表1指针指在表压1002kg cm (12kg cm =
98.0665kPa)左右，然后渐渐旋紧减压阀门2（即渐渐打开），使表2指针指在表压20k g /，此时氧气已充入氧弹中。

12min 后旋松（即关闭）减压阀门2，关闭阀门1，再松开导气管，氧弹已充有21atm（1atm=101325Pa）的氧气（注意不超过30atm），可作燃烧之用。

但阀门2到阀门1之间尚有余气。

因此要旋紧减压阀门2以放掉余气，再旋松阀门1， 使钢瓶和氧气
表头恢复原状。

（3）燃烧和测量温度：将充好氧气之氧弹再用万用电
表检查是否通路，若通路则将氧弹放入恒温套层内。

用容
量瓶准确量取已被调节到低于室温0.5 1.0℃的自来水
3000mL ，并倒入盛水桶内。

装好搅拌电动机，盖上盖子，
将已调节好的贝克曼温度计插入水中，将氧弹两电级用电
极线连接在点火变压器上。

接着开动搅拌电动机，待温度
稳定上升后，每隔 1min 读取贝克曼温度计一次（读数时
用放大镜准确读至千分之一度），这样继续10min，然后按
图2-17 充气示意图 下变压器上电键通电点火。

若变压器上指示灯亮后息掉而
温度迅速上升，则表示氧弹内样品已燃烧，可以停止按电键；若指示灯亮后不息，表示铁丝没有烧断，应立即加大电流引发燃烧；若指示灯根本不亮或者虽加大电流也不熄灭，而且温度也不见迅速上升 ， 则可以当温度升高到最高点，读数仍改为1min一次，共继续10min，方才可以停止实验。

实验停止后，小心取下温度计，拿出氧弹，打开氧弹出气口，放出余气，最后旋出氧弹盖，检查样品燃烧的结果。

若氧弹中没有什么燃烧的残渣，表示燃烧完全；若氧弹中有许多黑色的残渣，表示燃烧不完全，实验失败。

燃烧后剩下的铁丝长度必须用尺测量，把数据记录下来。

最后倒去自来水，擦干盛水桶待下次实验用。

2. 样品热值的测定
（1）固体状样品测定：将混匀具有代表性的生活垃圾或煤粉碎成粒径为2mm的
碎粒；若含水率高，则应于105℃烘干，并记录水分含量，然后称取1.0g左右， 同法进行上述实验。

（2）流动性样品的测定：油流动性污泥或不能压成片状物的样品，则称1.0g左右样品置于小皿，铁丝中间部分浸在样品中，两端与电极相连，同上法进行试验。

五、数据处理
ΔΤ ，并根据公式计算卡计（1）用图解法求出由苯甲酸燃烧引起卡计温度变化的差值
1
的水当量。

ΔΤ ， 并根据公式计算样品的（2）用图解法求出样品燃烧引起卡计温度变化的差值
2
热值。

六、讨论
1. 本实验中测出的热值与高热值及低热值的关系。

2. 固体状样品与流动状样品的热值测量方法有何不同？
3. 在利用氧弹卡计测量废物的热值中，有哪些因素可能导致测量分析的精度？。