氧彈式量熱法測(cè)定農(nóng)業(yè)秸稈的燃燒熱

莊文昌 閆繁華 王欲曉

摘 要 燃燒熱是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)秸稈作為能源的重要指標(biāo)。本文將氧彈式量熱法應(yīng)用于農(nóng)業(yè)秸稈燃燒熱的測(cè)定，對(duì)比分析了五種常見(jiàn)秸稈的燃燒熱，不僅為秸稈的資源化利用提供了重要的參考數(shù)據(jù)，也將單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袑?shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究性實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 燃燒熱 氧彈式量熱法 農(nóng)業(yè)秸稈 可再生資源

中圖分類號(hào)：O642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Oxygen Bomb Calorimetry to Measure

Combustion Heat of Agricultural Straw

ZHUANG Wenchang， YAN Fanhua， WANG Yuxiao

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou， Jiangsu 221000）

Abstract Agricultural straw combustion heat is evaluated as an important indicator of energy. This article will be applied to the oxygen bomb calorimetry agricultural straw burning hot， comparative analysis of five common straw combustion heat， not only provide important reference data for straw resource utilization will also be a simple change validation experiments for the practical value of the research experiment.

Key words combustion heat； oxygen bomb calorimetry； agricultural straw； renewable resources

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，也是秸稈資源最豐富的國(guó)家之一。①秸稈中含有大量的有機(jī)物，主要是由半纖維素、纖維素和木質(zhì)素三種組分構(gòu)成的。②我國(guó)各類農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約為7.0億噸，但目前利用率相當(dāng)?shù)?，僅為30%，在有限的秸稈資源利用中主要包括四方面：一是作為農(nóng)業(yè)飼料；二是作為還田肥料；三是作為生產(chǎn)燃料乙醇的原料；四是秸稈壓塊成型及炭化技術(shù)。后兩種方式是秸稈資源化、能源化利用的發(fā)展趨勢(shì)，有利于改善國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)，已受到世界各國(guó)政府的廣泛重視。

燃燒熱是秸稈能源化、資源化利用的重要參考與指導(dǎo)數(shù)據(jù)，根據(jù)秸稈的熱值不同，可以對(duì)秸稈進(jìn)行分類有效利用，從而取得最大化的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益。③目前，量熱計(jì)法是國(guó)際通用的燃燒熱測(cè)定方法，該實(shí)驗(yàn)方法原理簡(jiǎn)單，檢測(cè)快速，結(jié)果準(zhǔn)確，操作易行，儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，成本也較低。④本文通過(guò)調(diào)整秸稈顆粒大小、壓片方法、點(diǎn)火電壓、助燃?xì)怏w壓力等，在對(duì)傳統(tǒng)氧彈式量熱法改進(jìn)的基礎(chǔ)上，測(cè)量了蘇北地區(qū)五種常見(jiàn)秸稈的燃燒熱，從而大大拓展了氧彈式量熱法的應(yīng)用范圍，將該實(shí)驗(yàn)由單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袑?shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究性實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 主要儀器與材料

儀器：SHR-15氧彈式量熱計(jì)1套（包括壓片機(jī)、充氧機(jī)、氧彈、量熱計(jì)等，南京桑力電子設(shè)備廠）；SWC-IIc貝克曼溫度計(jì)（南京桑力電子設(shè)備廠）；BSA224S-CW分析天平（Sartorius公司）；氧氣鋼瓶及減壓表；DT890D萬(wàn)用電表（貴州鑫博雅儀器儀表有限公司）；6202高速粉碎機(jī)（臺(tái)灣欣鎮(zhèn)企業(yè)有限公司）。

材料：氧氣（純度>99. 2%）；燃燒絲（0. 15 mm 純鐵絲，Qv = 6694 J/g）；苯甲酸（分析純，QV = 26432 J/g，天津福晨化學(xué)試劑廠）；秸稈（玉米芯、玉米桿、小麥桿、稻草、紫芹澤蘭）。

1.2 量熱計(jì)的檢定

依照國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程及檢定方法，⑤對(duì)本實(shí)驗(yàn)中使用的量熱計(jì)檢定，3次測(cè)定結(jié)果顯示其極差不大于40 J/℃，表明本實(shí)驗(yàn)使用的量熱計(jì)符合國(guó)家要求。

1.3 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法

（1）苯甲酸純化與干燥：將分析純苯甲酸重結(jié)晶提純1次，然后于105℃烘箱中烘3 h，于干燥器中冷至室溫，備用。

（2）秸稈的預(yù)處理：將玉米芯、玉米桿、小麥桿、稻草、紫芹澤蘭粉碎，如圖1所示。然后經(jīng)粉末篩過(guò)濾大顆粒，放于干燥器中備用。粉末狀秸稈有利于提高壓片緊密度與點(diǎn)火的成功率。

圖1 五種秸稈粉碎前后圖片

（3）儀器預(yù)熱：將量熱器及其全部附件清洗干凈晾干，向量熱計(jì)內(nèi)筒中添加水至合適位置，再將量熱計(jì)及貝克曼溫度計(jì)通電預(yù)熱。

（4）壓片：先將燃燒絲中部在細(xì)棒上繞5圈制成直徑為3毫米的螺旋彈簧狀，稱量燃燒絲質(zhì)量并記錄，然后將螺旋部分埋在樣品粉末中壓片，這種壓片方式不僅使燃燒絲埋沒(méi)深度大，而且與樣品接觸面積也大，可以解決秸稈壓片不易點(diǎn)燃的問(wèn)題，大大提高實(shí)驗(yàn)的成功率。此外，這種壓片方式不需要棉線，避免了棉線燃燒所帶來(lái)的誤差。⑥

（5）氧彈充氧：將壓片放入氧彈的金屬坩堝中，固定燃燒絲（注意不能接觸坩堝而造成短路），用萬(wàn)用電表檢查燃燒絲是否連接正常；將氧彈旋緊，為提高點(diǎn)火的成功率并減小點(diǎn)火過(guò)程中N2與O2反應(yīng)放熱引起的誤差，預(yù)先充約0.5 MPa的氧氣，然后用放氣閥放氣，借以趕出氧彈中的N2，連續(xù)重復(fù)2～3次；⑦為保證試樣的充分燃燒，同時(shí)使秸稈更易于點(diǎn)燃，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)充氧至2.5 MPa比較合適。

（6）調(diào)節(jié)內(nèi)桶溫度與點(diǎn)火電壓：將完成充氧的氧彈連接電源線并放入量熱計(jì)，量取3000 ml水倒入內(nèi)桶中，調(diào)節(jié)水溫低于外桶1.0℃。為保證點(diǎn)火成功，調(diào)節(jié)點(diǎn)火輸入電壓為220V，避免電流過(guò)大使燃燒絲瞬間熔斷而斷路，或電流過(guò)小而無(wú)法點(diǎn)燃試樣以及由此引發(fā)的電加熱效應(yīng)。⑧

（7）燃燒熱測(cè)定：打開(kāi)電源總開(kāi)關(guān)和攪拌開(kāi)關(guān)，每隔30s讀取體系溫度一次，直到連續(xù)五次溫度變化小于. 002℃；按下點(diǎn)火按鈕，每15s記錄體系溫度一次。待溫度變化不太大時(shí)再每隔30s記錄一次，直至兩次的溫差變化小于. 002℃。

（8）停止實(shí)驗(yàn)：點(diǎn)火后待溫度變化不太大時(shí)再每隔30s記錄一次，直至兩次的溫差變化小于. 002℃時(shí)停止實(shí)驗(yàn)；關(guān)閉電源，將氧彈取出，放氣，打開(kāi)氧彈并稱量未燃盡的燃燒絲的質(zhì)量；清洗氧彈以備下次實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)原理分析

量熱計(jì)主要有環(huán)境恒溫式量熱計(jì)和絕熱式量熱計(jì)兩種，本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)儀器就是絕熱式量熱計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)定基于能量守恒原則的基礎(chǔ)上，在氧彈式熱量計(jì)中測(cè)定，即樣品在氧彈筒中燃燒所釋放出的熱量加上引燃樣品的燃絲放出的熱量之和等于熱量計(jì)中水和熱量計(jì)共同吸收的熱量（假設(shè)傳熱損失可以忽略不計(jì)）。⑨為了培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和嚴(yán)格的科研作風(fēng)，在將氧彈中的氮?dú)獬浞峙懦龅那疤嵯驴紤]燃燒絲等放熱的部分?jǐn)?shù)據(jù)，物質(zhì)燃燒熱的計(jì)算公式是：

C· T + W·Qv + m·Qv = 0

其中C為水當(dāng)量（即體系升溫一度所需吸收的熱量）， T為燃燒前后系統(tǒng)的有效溫差（通過(guò)雷諾圖校正得出），W為測(cè)試試樣的質(zhì)量，Qv是樣品的燃燒熱，m為燃燒絲的質(zhì)量，Qv為燃燒絲的燃燒熱。實(shí)驗(yàn)中以苯甲酸為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，求取量熱計(jì)的水當(dāng)量C，且多次試驗(yàn)均在同一時(shí)間，同一狀態(tài)下進(jìn)行，然后根據(jù)計(jì)算公式求得待測(cè)秸稈樣品的燃燒熱數(shù)據(jù)，再換算成煤當(dāng)量。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先需要及時(shí)、準(zhǔn)確地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在量熱計(jì)中進(jìn)行的燃燒過(guò)程是在絕熱條件下進(jìn)行的，但是由于存在空氣對(duì)流、熱量輻射和攪拌器攪拌等因素的影響，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可能真正地絕熱，這將影響系統(tǒng)溫度的變化。尤其是點(diǎn)火成功后變化非?？?，因此實(shí)驗(yàn)中采取每15s記錄體系溫度一次的方式，提高溫度數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)記錄的及時(shí)、準(zhǔn)確和完整，將減小利用雷諾溫度圖校正 T的誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

繪制雷諾溫度校正圖的方法不當(dāng)也會(huì)帶來(lái)非常大的實(shí)驗(yàn)誤差，因此數(shù)據(jù)處理過(guò)程中舍棄了用坐標(biāo)紙手工繪圖的方式，改用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，利用計(jì)算機(jī)軟件擬合初期和末期的數(shù)據(jù)得到線性方程，對(duì)燃燒過(guò)程中的數(shù)據(jù)采用二次曲線擬合的方式，將相對(duì)誤差可控制在2%以內(nèi)。⑩

在利用苯甲酸校正儀系的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)繪制雷諾溫度校正圖，得出了蘇北地區(qū)五種常見(jiàn)秸稈（玉米芯、玉米桿、小麥桿、稻草、紫芹澤蘭）的燃燒熱數(shù)據(jù)，并折合成標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量（1kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7000 kcal），列于表1中。

表1 蘇北地區(qū)五種常見(jiàn)秸稈的燃燒熱數(shù)據(jù)

注釋

① 李魯予.高速秸稈資源化收獲機(jī)的研究與應(yīng)用[J].十三省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008：5-10.

② 李華，孔新剛，吳國(guó)蓮.秸稈粗飼料中粗纖維結(jié)構(gòu)層次的研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007.6：295-298.

③ 樊恕.提高秸稈綜合利用率減少環(huán)境污染[J].第十屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)論文集（二），2008：6-9.

④ 王運(yùn)華，孫傳慶，梁鴻.苯甲酸助燃氧彈量熱法測(cè)定高燃點(diǎn)物質(zhì)的燃燒熱[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)，2002.6（2）：167-169.

⑤ 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG672- 90等溫型氧彈量熱計(jì)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1990.

⑥ 王心滿.幾種燃燒熱實(shí)驗(yàn)壓片方法比較與改進(jìn)[J].遼寧教育學(xué)院學(xué)報(bào)，1996.5：80.

⑦ 藍(lán)庭釗，曾平.物理化學(xué)燃燒熱試驗(yàn)探討[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2002.17（2）：70-72.

⑧ 陳屏昭.燃燒熱實(shí)驗(yàn)成敗條件淺探[J].昭通師專學(xué)報(bào)，1996.18（3）：62-64.

⑨ 李詠梅，李人宇，夏海濤，錢保華.燃燒熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)的綠色化研究[J].甘肅科技，2008.24（17）：52-54.

⑩ 易均輝，龔福.燃燒熱的測(cè)定的改進(jìn)及用Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2012.41：8-11.