加熱棒技術(shù)在氧彈量熱儀中的運(yùn)用

李冬軍,肖兵球,吳抒軼

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 前 言

發(fā)熱量不僅為評(píng)價(jià)燃料煤品質(zhì)的主要參數(shù)[1],也是從事煤炭交易和貿(mào)易結(jié)算的重要考核指標(biāo)，其測定值的準(zhǔn)確與否將直接關(guān)系到煤炭的實(shí)際應(yīng)用[2]。煤的發(fā)熱量測定原理如下:將一定量待測樣品在氧彈中通過點(diǎn)火絲引燃并完全燃燒，燃燒放出的熱量使氧彈周圍的水溫升高，通過測定燃燒前后的水溫變化獲得待測樣品的燃燒熱。目前，恒溫式自動(dòng)量熱儀的主要點(diǎn)火方式分為熔斷式和非熔斷式2種[3]。各煤質(zhì)檢測公司一般采納國標(biāo)要求，即采用氧彈量熱法測定煤的發(fā)熱量[4]。有關(guān)氧彈熱量計(jì)準(zhǔn)確度的要求及檢驗(yàn)方法,國內(nèi)技術(shù)監(jiān)督部門已對(duì)其制定專門的檢定規(guī)程[5],國內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6-9]也有論述，其測量過程是在1個(gè)封閉的、耐高壓燃燒的氧彈中放置一定量燃料的樣品，充入高壓氧氣再使用電流點(diǎn)火引燃點(diǎn)火絲，將樣品點(diǎn)燃后使其充分燃燒，通過計(jì)算氧彈筒的釋放熱來計(jì)算燃料的熱值[10]。因點(diǎn)火絲為一次性使用，故每次實(shí)驗(yàn)前均需重新纏繞新的點(diǎn)火絲，且每次點(diǎn)火絲并不能完全燃燒而有部分殘余，導(dǎo)致每次試驗(yàn)的點(diǎn)火熱不一致，需要計(jì)算殘余點(diǎn)火絲的熱量，操作較為麻煩，且殘余點(diǎn)火絲的熱量不易被準(zhǔn)確計(jì)算；另外，殘余點(diǎn)火絲在試驗(yàn)完成后需進(jìn)行清掃，工作量增加。針對(duì)上述問題，嘗試研發(fā)氮化硅點(diǎn)火棒以替代棉線或點(diǎn)火絲，可有效解決每次引燃氧彈中樣品時(shí)的操作繁瑣、燃燒存在殘留等問題，為實(shí)現(xiàn)量熱儀測試自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。

1 測定原理

1.1 金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式的測定原理

金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式的氧彈示意圖如圖1所示。

圖1 金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式的氧彈示意圖

每次實(shí)驗(yàn)前，人工將1段直徑在(0.1 mm～0.12 mm)的點(diǎn)火絲(件1)固定于氧彈的正電極桿(件2)和負(fù)電極桿(件3)上并卡緊，使整個(gè)氧彈形成1個(gè)完整的通電電路，電阻絲作為整個(gè)回路中電阻的主要集中部分。氧彈充氧完成后放入儀器并蓋上儀器蓋，其中一極和氧彈頭接觸(與氧彈內(nèi)較短柱子相通)，另一極通過氧彈外壁和氧彈內(nèi)置放坩堝的較長柱子相連，從而形成點(diǎn)火絲的兩極。連接氧彈與整個(gè)儀器的通電回路，即可形成1個(gè)完整的通電回路。其中電源部分為充電電容，電阻集中在氧彈內(nèi)的點(diǎn)火絲上。

控制電容放電，因?yàn)檎麄€(gè)回路的電阻集中在氧彈內(nèi)的點(diǎn)火絲上，電熱放出的電量也主要集中在此電阻絲上，電阻絲受熱熔斷產(chǎn)生火花，把坩堝內(nèi)的煤樣點(diǎn)燃。

熔斷式點(diǎn)火的點(diǎn)火熱(qr)等于電容存儲(chǔ)的能量E。電容存儲(chǔ)的能量由電容量、電容電壓等參數(shù)計(jì)算而得:

(1)

其中,C為電容的電容量，f；U是電容兩端電壓，V；E為電容存儲(chǔ)的能量，J。

熔斷式點(diǎn)火的電容電壓U=25.82 V，電容量C=0.15f，則點(diǎn)火熱為:

(2)

1.2 加熱棒點(diǎn)火方式的測定原理[11，12]

加熱棒的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。相對(duì)于熔斷式點(diǎn)火方式的點(diǎn)火絲裸露在純氧中，加熱棒點(diǎn)火方式的不同之處在于，將點(diǎn)火絲用絕緣耐高溫材料包裹保護(hù)并使電阻絲隔絕氧氣且不與煤樣直接接觸，從而可保護(hù)點(diǎn)火絲并使點(diǎn)火絲反復(fù)使用。

圖2 加熱棒的結(jié)構(gòu)原理

加熱棒點(diǎn)火氧彈如圖3所示，包括氧彈本體(5)、氧彈本體內(nèi)可放置坩堝(4)、氧彈本體內(nèi)設(shè)有固定支架和豎向設(shè)置的加熱點(diǎn)火棒(3)、加熱點(diǎn)火棒的上端電極(1)通過固定支架與氧彈本體的上蓋體固定連接，加熱點(diǎn)火棒內(nèi)設(shè)有電加熱絲、并通過加熱點(diǎn)火棒頂部的兩根引線(1和2)分別與氧彈本體的正負(fù)兩極相連以實(shí)現(xiàn)通電，加熱點(diǎn)火棒的底端用于插入坩堝內(nèi)的煤樣中以在通電發(fā)熱后點(diǎn)燃煤樣。

圖3 加熱棒點(diǎn)火氧彈

整個(gè)氧彈是1個(gè)完整的通電電路，電阻絲作為整個(gè)回路中電阻的主要集中部分。而氧彈的通電回路與儀器的通電回路連接，其可作為1個(gè)完整的通電回路。不同于熔斷式點(diǎn)火的點(diǎn)火熱熔斷電阻絲引燃煤樣的方式，加熱棒點(diǎn)火采用的方式為點(diǎn)火熱加熱電阻絲及絕緣體進(jìn)而引燃煤樣。

由于在加熱棒點(diǎn)火中煤樣間接通過電阻絲引燃，其點(diǎn)火效率會(huì)低于熔斷式點(diǎn)火方式，故加熱棒需要的點(diǎn)火熱會(huì)大于熔斷式的點(diǎn)火熱。

按式(1)，加熱棒點(diǎn)火配置2個(gè)電容，每個(gè)電容電壓:U=31.62 V，電容量:C=0.15f，則加熱棒的點(diǎn)火熱(qj)為：

(3)

因直接與煤接觸的不是電阻絲，而是耐高溫的導(dǎo)熱絕緣體。絕緣體反復(fù)在煤樣中灼燒，煤樣燒結(jié)的殘?jiān)鼤?huì)有極少一部分黏附在絕緣體上。隨著使用次數(shù)的增加，黏附在絕緣體的殘?jiān)鼤?huì)脫落到坩堝里，不會(huì)影響加熱棒的連續(xù)使用。

2 樣品熱值的計(jì)算

2.1 熱量測試步驟

按照發(fā)熱量測定的相應(yīng)步驟準(zhǔn)備氧彈、內(nèi)筒和外筒，然后點(diǎn)火及測定溫升。

在氧彈熱量計(jì)情況下開始攪拌，連續(xù)讀取內(nèi)筒溫度和外筒溫度，直到內(nèi)筒溫度低于設(shè)定值。然后即按發(fā)熱量測定點(diǎn)火，連續(xù)讀取內(nèi)筒溫度，直到內(nèi)筒溫度變化率低于設(shè)定值，實(shí)驗(yàn)即告結(jié)束。

2.2 熱容量計(jì)算

熱容量(E)的計(jì)算公式見式(4)。

(4)

式中，Q為苯甲酸的標(biāo)準(zhǔn)熱值，其值一般為26 466(J/g)；q1為點(diǎn)火熱，J；C為冷卻校正值，K;H為貝克曼溫度計(jì)的平均值，h0為t0毛細(xì)孔徑修正值，hn為tn毛細(xì)孔徑修正值；采用數(shù)字顯示溫度計(jì)，H=1，h0和hn均為0；m為苯甲酸的用量，g；qn為硝酸形成熱，按qn=0.001 5Qm計(jì)算[8]。

2.3 彈筒發(fā)熱量計(jì)算

彈筒發(fā)熱量(Qb,ad)的計(jì)算公式如下:

(5)

式中，Qb,ad為空氣干燥煤樣的彈筒發(fā)熱量，J/g；E為按式(4)計(jì)算出的量熱儀的熱容量，J/K；q1為點(diǎn)火熱，J；q2為添加劑如包紙等產(chǎn)生的熱量，J；C為冷卻校正值，K；H為貝克曼溫度計(jì)的平均值，h0為t0毛細(xì)孔徑修正值，hn為tn毛細(xì)孔徑修正值，采用數(shù)字顯示溫度計(jì)，H=1，h0和hn均為0。m為試樣重量，g。

2.4 絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與均值

(6)

(7)

其中,n為實(shí)驗(yàn)總次數(shù)，i為實(shí)驗(yàn)序號(hào)，xi為第i次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 儀器熱容量標(biāo)定及2種點(diǎn)火方式對(duì)比

采用SDAC6000U量熱儀完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行熱容量標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)采用的物質(zhì)為苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物。

熱容量標(biāo)定需進(jìn)行不少于5次重復(fù)試驗(yàn)。計(jì)算重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不應(yīng)超過0.2%；若超過0.2%，再補(bǔ)做1次試驗(yàn)，取符合要求的連續(xù)測試結(jié)果的平均值，修約至1J/K，作為該儀器的熱容量。若任何5次結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均超過0.2%，則應(yīng)對(duì)試驗(yàn)條件和操作技術(shù)仔細(xì)檢查并糾正存在問題，重新進(jìn)行標(biāo)定，舍棄已有的全部結(jié)果。

金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式和加熱棒點(diǎn)火方式標(biāo)定熱容量對(duì)比見表1。

表1 金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式和加熱棒點(diǎn)火方式標(biāo)定熱容量對(duì)比

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

加熱棒點(diǎn)火方式的儀器熱容量計(jì)算如下：

10 571.79(J/K)

金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式儀器熱容量計(jì)算如下：

10 581.20(J/K)

加熱棒點(diǎn)火方式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、極差和均值分別為:

金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、極差和均值分別為:

由表1及上述計(jì)算可知，2種點(diǎn)火方式標(biāo)定的熱容量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均未超過0.2%，且極差不超過45 J；2種點(diǎn)火方式標(biāo)定的熱容量平均值僅相差2 J/K，說明對(duì)儀器進(jìn)行加熱棒點(diǎn)火改造未影響儀器的標(biāo)定。

對(duì)比2種點(diǎn)火方式所測得熱容量的精密度:

查F表，為雙側(cè)檢測，顯著性水平α取0.05，查F0.05,20,20=2.08，由于F1=1.56

3.2 標(biāo)煤熱量測試及2種點(diǎn)火方式對(duì)比

采用SDAC6000U量熱儀完成實(shí)驗(yàn)，用儀器對(duì)3種熱值高、中、低煤樣進(jìn)行熱量測定。

每種煤樣進(jìn)行不少于5次重復(fù)試驗(yàn)。測試彈筒發(fā)熱量，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不應(yīng)超過0.2%，平均值作為煤樣的彈筒發(fā)熱量。煤樣A的熔斷式點(diǎn)火方式和加熱棒點(diǎn)火方式標(biāo)定彈筒發(fā)熱量對(duì)比見表2。煤樣B的熔斷式點(diǎn)火方式和加熱棒點(diǎn)火方式標(biāo)定彈筒發(fā)熱量對(duì)比見表3。煤樣C的熔斷式點(diǎn)火方式和加熱棒點(diǎn)火方式標(biāo)定彈筒發(fā)熱量對(duì)比見表4。

煤樣A加熱棒點(diǎn)火方式的彈筒發(fā)熱量計(jì)算過程詳見表4下方的公式。

表2 煤樣A的熔斷式點(diǎn)火方式和加熱棒點(diǎn)火方式標(biāo)定彈筒發(fā)熱量對(duì)比

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

加熱棒點(diǎn)火方式(點(diǎn)火熱150J)試樣質(zhì)量/(m·g-1)儀器熱容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC彈筒發(fā)熱量/(J·m-1)金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式(點(diǎn)火熱50J)試樣質(zhì)量/(m·g-1)儀器熱容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC彈筒發(fā)熱量/(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 煤樣B的熔斷式點(diǎn)火方式和加熱棒點(diǎn)火方式標(biāo)定彈筒發(fā)熱量對(duì)比

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

加熱棒點(diǎn)火方式(點(diǎn)火熱150J)試樣質(zhì)量/(m·g-1)儀器熱容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC彈筒發(fā)熱量/(J·m-1)金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式(點(diǎn)火熱50J)試樣質(zhì)量/(m·g-1)儀器熱容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC彈筒發(fā)熱量/(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 煤樣C的熔斷式點(diǎn)火方式和加熱棒點(diǎn)火方式標(biāo)定彈筒發(fā)熱量對(duì)比

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

加熱棒點(diǎn)火方式(點(diǎn)火熱150J)試樣質(zhì)量/(m·g-1)儀器熱容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC彈筒發(fā)熱量/(J·m-1)金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式(點(diǎn)火熱50J)試樣質(zhì)量/(m·g-1)儀器熱容量/(J·K-1)t0/Ktn/KC彈筒發(fā)熱量/(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

煤樣A金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式煤樣彈筒發(fā)熱量計(jì)算過程如下：

=29 689.75(J/K)

煤樣A 加熱棒點(diǎn)火方式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、極差和均值分別為:

煤樣A金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、極差和均值分別為:

煤樣B加熱棒點(diǎn)火方式煤樣彈筒發(fā)熱量計(jì)算過程如下:

=19 210.18(J/K)

煤樣B金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式煤樣彈筒發(fā)熱量計(jì)算過程如下:

=19 232.16(J/K)

煤樣B加熱棒點(diǎn)火方式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、極差和均值分別為:

煤樣B金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、極差和均值分別為:

煤樣C加熱棒點(diǎn)火方式煤樣彈筒發(fā)熱量計(jì)算過程如下:

24 744.36(J/K)

煤樣C金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式煤樣彈筒發(fā)熱量計(jì)算過程如下:

=24 725(J/K)

煤樣C加熱棒點(diǎn)火方式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、極差和均值分別為:

煤樣C金屬絲熔斷式點(diǎn)火方式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、極差和均值分別為:

由表2～表4及上述計(jì)算可看出，2種點(diǎn)火方式測定的氧彈發(fā)熱量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均不超過0.2%，且極差不超過80J；2種點(diǎn)火方式標(biāo)定的熱容量平均值不大于4J/K，說明對(duì)儀器進(jìn)行加熱棒點(diǎn)火改造沒有影響儀器的標(biāo)定。

4 結(jié) 語

針對(duì)氧彈量熱儀熔斷式點(diǎn)火需纏繞點(diǎn)火絲導(dǎo)致操作繁瑣問題，對(duì)氧彈量熱儀的主機(jī)和氧彈進(jìn)行改造，將原有的熔斷式點(diǎn)火方式改為加熱棒點(diǎn)火方式。從氧彈量熱儀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，加熱棒點(diǎn)火方式與熔斷式點(diǎn)火方式的試驗(yàn)結(jié)果之間無顯著性差異，可相互替代使用，說明對(duì)于氧彈量熱儀采用加熱棒點(diǎn)火該方法可行。加熱棒點(diǎn)火方式可重復(fù)點(diǎn)火、降低勞動(dòng)強(qiáng)度并使操作更為簡單，提高了設(shè)備的使用率。