氧弹式量热法测定农业秸秆的燃烧热

摘 要 燃烧热是评价农业秸秆作为能源的重要指标。本文将氧弹式量热法应用于农业秸秆燃烧热的测定，对比分析了五种常见秸秆的燃烧热，不仅为秸秆的资源化利用提供了重要的参考数据，也将单纯的验证性实验转变为有实际应用价值的研究性实验。

关键词 燃烧热 氧弹式量热法 农业秸秆 可再生资源

中图分类号：O642.3 文献标识码：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

我国是农业大国，也是秸秆资源最丰富的国家之一。①秸秆中含有大量的有机物，主要是由半纤维素、纤维素和木质素三种组分构成的。②我国各类农作物秸秆年产量约为7.0亿吨，但目前利用率相当低，仅为30%，在有限的秸秆资源利用中主要包括四方面：一是作为农业饲料；二是作为还田肥料；三是作为生产燃料乙醇的原料；四是秸秆压块成型及炭化技术。后两种方式是秸秆资源化、能源化利用的发展趋势，有利于改善国家的能源结构，已受到世界各国政府的广泛重视。

燃烧热是秸秆能源化、资源化利用的重要参考与指导数据，根据秸秆的热值不同，可以对秸秆进行分类有效利用，从而取得最大化的经济、社会和环保效益。③目前，量热计法是国际通用的燃烧热测定方法，该实验方法原理简单，检测快速，结果准确，操作易行，仪器设备简单，成本也较低。④本文通过调整秸秆颗粒大小、压片方法、点火电压、助燃气体压力等，在对传统氧弹式量热法改进的基础上，测量了苏北地区五种常见秸秆的燃烧热，从而大大拓展了氧弹式量热法的应用范围，将该实验由单纯的验证性实验转变为有实际应用价值的研究性实验，提高了学生理论联系实际的能力。

1 实验材料与方法

1.1 主要仪器与材料

仪器：SHR-15氧弹式量热计1套（包括压片机、充氧机、氧弹、量热计等，南京桑力电子设备厂）；SWC-IIc贝克曼温度计（南京桑力电子设备厂）；BSA224S-CW分析天平（Sartorius公司）；氧气钢瓶及减压表；DT890D万用电表（贵州鑫博雅仪器仪表有限公司）；6202高速粉碎机（台湾欣镇企业有限公司）。

材料：氧气（纯度>99. 2%）；燃烧丝（0. 15 mm 纯铁丝，Q’v = 6694 J/g）；苯甲酸（分析纯，QV = 26432 J/g，天津福晨化学试剂厂）；秸秆（玉米芯、玉米杆、小麦杆、稻草、紫芹泽兰）。

1.2 量热计的检定

依照国家计量检定规程及检定方法，⑤对本实验中使用的量热计检定，3次测定结果显示其极差不大于40 J/℃，表明本实验使用的量热计符合国家要求。

1.3 改进的实验方法

（1）苯甲酸纯化与干燥：将分析纯苯甲酸重结晶提纯1次，然后于105℃烘箱中烘3 h，于干燥器中冷至室温，备用。

（2）秸秆的预处理：将玉米芯、玉米杆、小麦杆、稻草、紫芹泽兰粉碎，如图1所示。然后经粉末筛过滤大颗粒，放于干燥器中备用。粉末状秸秆有利于提高压片紧密度与点火的成功率。

图1 五种秸秆粉碎前后图片

（3）仪器预热：将量热器及其全部附件清洗干净晾干，向量热计内筒中添加水至合适位置，再将量热计及贝克曼温度计通电预热。

（4）压片：先将燃烧丝中部在细棒上绕5圈制成直径为3毫米的螺旋弹簧状，称量燃烧丝质量并记录，然后将螺旋部分埋在样品粉末中压片，这种压片方式不仅使燃烧丝埋没深度大，而且与样品接触面积也大，可以解决秸秆压片不易点燃的问题，大大提高实验的成功率。此外，这种压片方式不需要棉线，避免了棉线燃烧所带来的误差。⑥

（5）氧弹充氧：将压片放入氧弹的金属坩埚中，固定燃烧丝（注意不能接触坩埚而造成短路），用万用电表检查燃烧丝是否连接正常；将氧弹旋紧，为提高点火的成功率并减小点火过程中N2与O2反应放热引起的误差，预先充约0.5 MPa的氧气，然后用放气阀放气，借以赶出氧弹中的N2，连续重复2～3次；⑦为保证试样的充分燃烧，同时使秸秆更易于点燃，经过多次实验，发现充氧至2.5 MPa比较合适。

（6）调节内桶温度与点火电压：将完成充氧的氧弹连接电源线并放入量热计，量取3000 ml水倒入内桶中，调节水温低于外桶1.0℃。为保证点火成功，调节点火输入电压为220V，避免电流过大使燃烧丝瞬间熔断而断路，或电流过小而无法点燃试样以及由此引发的电加热效应。⑧

（7）燃烧热测定：打开电源总开关和搅拌开关，每隔30s读取体系温度一次，直到连续五次温度变化小于. 002℃；按下点火按钮，每15s记录体系温度一次。待温度变化不太大时再每隔30s记录一次，直至两次的温差变化小于. 002℃。

（8）停止实验：点火后待温度变化不太大时再每隔30s记录一次，直至两次的温差变化小于. 002℃时停止实验；关闭电源，将氧弹取出，放气，打开氧弹并称量未燃尽的燃烧丝的质量；清洗氧弹以备下次实验。

2 结果与讨论

2.1 实验原理分析

量热计主要有环境恒温式量热计和绝热式量热计两种，本实验所用的实验仪器就是绝热式量热计。实验测定基于能量守恒原则的基础上，在氧弹式热量计中测定，即样品在氧弹筒中燃烧所释放出的热量加上引燃样品的燃丝放出的热量之和等于热量计中水和热量计共同吸收的热量（假设传热损失可以忽略不计）。⑨为了培养学生严谨的科学态度和严格的科研作风，在将氧弹中的氮气充分排出的前提下考虑燃烧丝等放热的部分数据，物质燃烧热的计算公式是：

C· T + W·Qv + m·Q’v = 0

其中C为水当量（即体系升温一度所需吸收的热量）， T为燃烧前后系统的有效温差（通过雷诺图校正得出），W为测试试样的质量，Qv是样品的燃烧热，m为燃烧丝的质量，Q’v为燃烧丝的燃烧热。实验中以苯甲酸为标准物质，求取量热计的水当量C，且多次试验均在同一时间，同一状态下进行，然后根据计算公式求得待测秸秆样品的燃烧热数据，再换算成煤当量。

2.2 实验数据的处理与结果

实验过程中首先需要及时、准确地记录实验数据。在量热计中进行的燃烧过程是在绝热条件下进行的，但是由于存在空气对流、热量辐射和搅拌器搅拌等因素的影响，整个实验过程不可能真正地绝热，这将影响系统温度的变化。尤其是点火成功后变化非常快，因此实验中采取每15s记录体系温度一次的方式，提高温度数据的完整性。数据记录的及时、准确和完整，将减小利用雷诺温度图校正 T的误差，提高实验结果的准确性。

绘制雷诺温度校正图的方法不当也会带来非常大的实验误差，因此数据处理过程中舍弃了用坐标纸手工绘图的方式，改用计算机进行处理，利用计算机软件拟合初期和末期的数据得到线性方程，对燃烧过程中的数据采用二次曲线拟合的方式，将相对误差可控制在2%以内。⑩

在利用苯甲酸校正仪系的基础上，通过计算机绘制雷诺温度校正图，得出了苏北地区五种常见秸秆（玉米芯、玉米杆、小麦杆、稻草、紫芹泽兰）的燃烧热数据，并折合成标准煤当量（1kg标准煤的热值为7000 kcal），列于表1中。

表1 苏北地区五种常见秸秆的燃烧热数据

注释

① 李鲁予.高速秸秆资源化收获机的研究与应用[J].十三省区市机械工程学会学术年会论文集，2008：5-10.

② 李华，孔新刚，吴国莲.秸秆粗饲料中粗纤维结构层次的研究[J].中国农学通报，2007.6：295-298.

③ 樊恕.提高秸秆综合利用率减少环境污染[J].第十届中国科协年会论文集（二），2008：6-9.

④ 王运华，孙传庆，梁鸿.苯甲酸助燃氧弹量热法测定高燃点物质的燃烧热[J].石河子大学学报，2002.6（2）：167-169.

⑤ 国家技术监督局.中华人民共和国国家计量检定规程JJG672- 90等温型氧弹量热计[M].北京：中国计量出版社，1990.

⑥ 王心满.几种燃烧热实验压片方法比较与改进[J].辽宁教育学院学报，1996.5：80.

⑦ 蓝庭钊，曾平.物理化学燃烧热试验探讨[J].内江师范学院学报，2002.17（2）：70-72.

⑧ 陈屏昭.燃烧热实验成败条件浅探[J].昭通师专学报，1996.18（3）：62-64.

⑨ 李咏梅，李人宇，夏海涛，钱保华.燃烧热测定实验的绿色化研究[J].甘肃科技，2008.24（17）：52-54.

⑩ 易均辉，龚福.燃烧热的测定的改进及用Origin软件处理实验数据[J].化工技术与开发，2012.41：8-11.