《能源监测与评价》——能源监测技术（十二）

四、燃料发热量的测定

燃料发热量的测定方法有直接测量和间接测量。前者利用热量计，后者则是依据工业分析或成分分析结果计算得到。

常用测定煤发热量的热量计，形式多样，有自动热量计、精密热量计、快速热量计等。对泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤、焦炭、碳质页岩等固体矿物燃料及水煤浆，GB/T213-2008《煤的发热量测定方法》规定了周氧弹量热法测定煤的高位发热量的原理、试验条件、试剂和材料、仪器设备、测定步骤、测定结果的计算、热容量、仪器常数标定和方法精密度等，还给出了低位发热量的计算方法。

热量计是由燃烧氧弹、内筒、外筒、搅拌器、水、温度传感器、试样点火装置、温度测量和控制系统构成。通常热量计有两种，即恒温式和绝热式，它们的量热系统被包围在充满水的双层夹套(外筒)中，它们的差别只在于外筒的控制温度方式不同，其余部分无明显区别。

无水热量计的内筒、搅拌器和水被一个金属块代替。氧弹为双层金属构成，其中嵌有温度传感器，氧弹本身组成了量热系统。图2-74所示为环境恒温式氧弹量热计。

氧弹是热量计的关键部件，它是由耐热、耐腐蚀的镍铬钼合金钢制成，需要具备3个主要性能：①不受燃烧过程中出现的高温和腐蚀性产物的影响而产生热效应;②能承受充氧压力和燃烧过程中产生的瞬时高压;③试验过程中能保持完全气密。弹筒容积为250～350mL，弹头上应装有供充氧和排气的阀门以及点火电源的接线电极。

新氧弹和新换部件(弹筒、弹头、连接环)的氧弹应经20.0MPa的水压试验，证明无问题后方能使用。此外，应经常注意观察与氧弹强度有关的结构，如弹筒和连接环的螺纹、进气阀、出气阀和电极与弹头的连接处等，如发现显著磨损或松动，应进行修理，并经水压试验合格后再用。

氧弹还应定期进行水压试验，每次水压试验后，氧弹的使用时间一般不应超过2年。

当使用多个设计制作相同的氧弹时，每一个氧弹都应作为一个完整的单元使用。氧弹部件的交换使用可能导致发生严重事故。

发热量的测定由两个独立的试验组成，即在规定的条件下基准量热物质的燃烧试验(热容量标定)和试样的燃烧试验。为了消除未受控制的热交换引起的系统误差，要求这两种试验的条件尽量相近。

试验过程分为初期、主期(燃烧反应期)和末期。对于绝热式热量计，初期和末期是为了确定开始点火的温度和终点温度;对于恒温式热量计，初期和末期的作用是确定热量计的热交换特性，以便在燃烧反应主期内对热量计内筒与外简间的热交换进行正确的校正。韧期和末期的时间应足够长。

五、燃烧的监测技术

为了合理利用燃料、提高燃烧效率必须对燃烧过程进行监测。通常燃烧的监测主要是对排出燃烧室的燃烧产物，即对烟气(对固体燃料还包括灰渣)进行测定。烟气成分的监测是检查燃料燃烧后烟气中是否存在可燃物，以及氧气过剩量是否合适。对燃烧固体燃料的炉窑，除了烟气中存在可燃成分外，炉渣中和飞灰中含碳也会导致热损失。

(一)烟气成分的测定

在烟气成分测量中用得较普遍的是测量烟气中氧含量的各种氧量计及测量二氧化碳含量的各种二氧化碳分析仪。但随着色谱分析技术、质谱分析技术、色谱质谱联用技术以及红外光谱分析技术的迅速发展，在烟气成分测量中也越来越多地采用这些先进的测试技术。

1.烟气中氧含量的测量

对烟气中氧含量的测量常采用氧化锆氧量计和热磁式氧量计。氧化锆氧量计的基本原理是，以氧化锆作为固体电解质，在高温下电解质两侧氧浓度不同时将形成浓差电池，而浓差电池产生的电动势与两侧氧浓度有关，如一侧氧浓度固定，即可通过测量输出电动势来测量另一侧的氧含量。在分析烟气中的氧含量时，常用空气作为参比气体。氧化锆氧量计测量精确度高，响应快，维修工作量小，显示仪器可以数字式读数，也可以模拟式读教。氧化锫氧量计安装方式分为抽出式和直插式，后者如图2-75所示。图2-76所示为ZrO2氧气传感器的结构。

在各种气体中氧的磁化率特别高，热磁式氧量计正是利用这一特点而制成的。由于除氧气外烟气中各非氧气成分的容积磁化率均很小(见表2-8)，且有正有负，可互相抵消，因此烟气的容积磁化率主要取决于烟气中氧气的含量。根据烟气容积磁化率的大小即可测量其中氧的含量。但直接测量烟气容积磁化率的大小十分困难，通常是利用顺磁性气体的容积磁化率随温度升高而迅速降低的特点，使受热的顺磁性气体在磁场中形成磁风，并根据磁风力的大小来确定气样中的氧含量。

图2-77给出了热磁式氧量计的原理。其传感器是一带水平通道的环形管，在水平通道的外壁上绕有两个铂丝加热电阻R1和R2，它们同时又作为测温传感器与另外两个锰铜丝绕制的固定电阻R3和R4组成测量电桥，电桥的输出送至二次仪表。在靠近Rl的水平通道进口两侧放置永久磁铁的两个磁极，形成不均匀的永久磁场。被测气样从圆柱下部进入后分两路通过圆环，在圆环上部汇合后排出。当气样中不含氧时，水平通道中无磁风，R1和R2的温度相等，因而其电阻值相同，电桥平衡，输出为零。当含氧气流通过时，在中间通道会产生磁风，由于磁风先流经R1，被加热后再流经R2，所以磁风对R2的冷却作用比R1为小，使R1和R2的温度不等，电阻不等，电桥失去平衡，其不平衡程度与磁风的大小有关，即与氧含量有关，于是电桥输出的不平衡电信号可代表气样中的氧含量。