氧彈式量熱法測定農業秸稈的燃燒熱

莊文昌 閆繁華 王欲曉

摘 要 燃燒熱是評價農業秸稈作為能源的重要指標。本文將氧彈式量熱法應用于農業秸稈燃燒熱的測定，對比分析了五種常見秸稈的燃燒熱，不僅為秸稈的資源化利用提供了重要的參考數據，也將單純的驗證性實驗轉變為有實際應用價值的研究性實驗。

關鍵詞 燃燒熱 氧彈式量熱法 農業秸稈 可再生資源

中圖分類號：O642.3 文獻標識碼：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

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

燃燒熱是秸稈能源化、資源化利用的重要參考與指導數據，根據秸稈的熱值不同，可以對秸稈進行分類有效利用，從而取得最大化的經濟、社會和環保效益。③目前，量熱計法是國際通用的燃燒熱測定方法，該實驗方法原理簡單，檢測快速，結果準確，操作易行，儀器設備簡單，成本也較低。④本文通過調整秸稈顆粒大小、壓片方法、點火電壓、助燃氣體壓力等，在對傳統氧彈式量熱法改進的基礎上，測量了蘇北地區五種常見秸稈的燃燒熱，從而大大拓展了氧彈式量熱法的應用范圍，將該實驗由單純的驗證性實驗轉變為有實際應用價值的研究性實驗，提高了學生理論聯系實際的能力。

1 實驗材料與方法

1.1 主要儀器與材料

儀器：SHR-15氧彈式量熱計1套（包括壓片機、充氧機、氧彈、量熱計等，南京桑力電子設備廠）；SWC-IIc貝克曼溫度計（南京桑力電子設備廠）；BSA224S-CW分析天平（Sartorius公司）；氧氣鋼瓶及減壓表；DT890D萬用電表（貴州鑫博雅儀器儀表有限公司）；6202高速粉碎機（臺灣欣鎮企業有限公司）。

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 量熱計的檢定

依照國家計量檢定規程及檢定方法，⑤對本實驗中使用的量熱計檢定，3次測定結果顯示其極差不大于40 J/℃，表明本實驗使用的量熱計符合國家要求。

1.3 改進的實驗方法

（1）苯甲酸純化與干燥：將分析純苯甲酸重結晶提純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。然后經粉末篩過濾大顆粒，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火的成功率。

圖1 五種秸稈粉碎前后圖片

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

（4）壓片：先將燃燒絲中部在細棒上繞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燃的問題，大大提高實驗的成功率。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），用萬用電表檢查燃燒絲是否連接正常；將氧彈旋緊，為提高點火的成功率并減小點火過程中N2與O2反應放熱引起的誤差，預先充約0.5 MPa的氧氣，然后用放氣閥放氣，借以趕出氧彈中的N2，連續重復2～3次；⑦為保證試樣的充分燃燒，同時使秸稈更易于點燃，經過多次實驗，發現充氧至2.5 MPa比較合適。

（6）調節內桶溫度與點火電壓：將完成充氧的氧彈連接電源線并放入量熱計，量取3000 ml水倒入內桶中，調節水溫低于外桶1.0℃。為保證點火成功，調節點火輸入電壓為220V，避免電流過大使燃燒絲瞬間熔斷而斷路，或電流過小而無法點燃試樣以及由此引發的電加熱效應。⑧

（7）燃燒熱測定：打開電源總開關和攪拌開關，每隔30s讀取體系溫度一次，直到連續五次溫度變化小于. 002℃；按下點火按鈕，每15s記錄體系溫度一次。待溫度變化不太大時再每隔30s記錄一次，直至兩次的溫差變化小于. 002℃。

（8）停止實驗：點火后待溫度變化不太大時再每隔30s記錄一次，直至兩次的溫差變化小于. 002℃時停止實驗；關閉電源，將氧彈取出，放氣，打開氧彈并稱量未燃盡的燃燒絲的質量；清洗氧彈以備下次實驗。

2 結果與討論

2.1 實驗原理分析

量熱計主要有環境恒溫式量熱計和絕熱式量熱計兩種，本實驗所用的實驗儀器就是絕熱式量熱計。實驗測定基于能量守恒原則的基礎上，在氧彈式熱量計中測定，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中水和熱量計共同吸收的熱量（假設傳熱損失可以忽略不計）。⑨為了培養學生嚴謹的科學態度和嚴格的科研作風，在將氧彈中的氮氣充分排出的前提下考慮燃燒絲等放熱的部分數據，物質燃燒熱的計算公式是：

C· T + W·Qv + m·Qv = 0

其中C為水當量（即體系升溫一度所需吸收的熱量）， T為燃燒前后系統的有效溫差（通過雷諾圖校正得出），W為測試試樣的質量，Qv是樣品的燃燒熱，m為燃燒絲的質量，Qv為燃燒絲的燃燒熱。實驗中以苯甲酸為標準物質，求取量熱計的水當量C，且多次試驗均在同一時間，同一狀態下進行，然后根據計算公式求得待測秸稈樣品的燃燒熱數據，再換算成煤當量。

2.2 實驗數據的處理與結果

實驗過程中首先需要及時、準確地記錄實驗數據。在量熱計中進行的燃燒過程是在絕熱條件下進行的，但是由于存在空氣對流、熱量輻射和攪拌器攪拌等因素的影響，整個實驗過程不可能真正地絕熱，這將影響系統溫度的變化。尤其是點火成功后變化非常快，因此實驗中采取每15s記錄體系溫度一次的方式，提高溫度數據的完整性。數據記錄的及時、準確和完整，將減小利用雷諾溫度圖校正 T的誤差，提高實驗結果的準確性。

繪制雷諾溫度校正圖的方法不當也會帶來非常大的實驗誤差，因此數據處理過程中舍棄了用坐標紙手工繪圖的方式，改用計算機進行處理，利用計算機軟件擬合初期和末期的數據得到線性方程，對燃燒過程中的數據采用二次曲線擬合的方式，將相對誤差可控制在2%以內。⑩

在利用苯甲酸校正儀系的基礎上，通過計算機繪制雷諾溫度校正圖，得出了蘇北地區五種常見秸稈（玉米芯、玉米桿、小麥桿、稻草、紫芹澤蘭）的燃燒熱數據，并折合成標準煤當量（1kg標準煤的熱值為7000 kcal），列于表1中。

表1 蘇北地區五種常見秸稈的燃燒熱數據

注釋

① 李魯予.高速秸稈資源化收獲機的研究與應用[J].十三省區市機械工程學會學術年會論文集，2008：5-10.

② 李華，孔新剛，吳國蓮.秸稈粗飼料中粗纖維結構層次的研究[J].中國農學通報，2007.6：295-298.

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

④ 王運華，孫傳慶，梁鴻.苯甲酸助燃氧彈量熱法測定高燃點物質的燃燒熱[J].石河子大學學報，2002.6（2）：167-169.

⑤ 國家技術監督局.中華人民共和國國家計量檢定規程JJG672- 90等溫型氧彈量熱計[M].北京：中國計量出版社，1990.

⑥ 王心滿.幾種燃燒熱實驗壓片方法比較與改進[J].遼寧教育學院學報，1996.5：80.

⑦ 藍庭釗，曾平.物理化學燃燒熱試驗探討[J].內江師范學院學報，2002.17（2）：70-72.

⑧ 陳屏昭.燃燒熱實驗成敗條件淺探[J].昭通師專學報，1996.18（3）：62-64.

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

⑩ 易均輝，龔福.燃燒熱的測定的改進及用Origin軟件處理實驗數據[J].化工技術與開發，2012.41：8-11.