固体废物热值是固废的一个重要物化指标。固体废物热值的大小直接影响着固体废物处理处置方法的选择。焚烧的主要目的是尽可能焚毁废物，使被焚烧的物质变为无害和最大限度地减容，并尽量减少新的污染物质产生，避免造成二次污染。对于大、中型的废物焚烧厂，能同时实现使废物减量、彻底焚毁废物中的毒性物质，以及回收利用焚烧产生的废热这三个目的，而焚烧炉中固体废弃物焚烧需要一定热值才能正常燃烧。
（一）实验目的
（1）掌握热值测定的方法和热量仪的基本操作方法。
（2）培养学生的动手能力，熟悉相关仪器设备的使用方法。
（二）实验原理
热化学中定义，1mol物质完全氧化时的反应热称为燃烧热。对生活垃圾固体废物和无法确定相对分子质量的混合物，其单位质量完全氧化时的反应热，即指单位质量固体废物在完全燃烧时释放出来的热量称为热值。热值有两种表示方式，即高位热值（粗热值）和低位热值（净热值）。若热值包含烟气中水的潜热，则该热值是高位热值。反之，若不包含烟气中水的潜热，则该热值就是低位热值。
要使固体废物能维持正常焚烧过程，就要求其具有足够的热值，即在进行焚烧时，垃圾焚烧释放出来的热量足以加热垃圾，并使之到达燃烧所需要的温度或者具备发生燃烧所必需的活化能。否则，便需要添加辅助燃料才能维持正常燃烧。
计算热值有许多方法，如热量衡算法（精确法）、工程算法、经验公式法、半经验公式法。
焚烧过程进行着一系列能量转换和能量传递，是一个热能和化学能的转换过程。固体废物和辅助燃料的热值、燃烧效率、机械热损失及各物料的潜热和显热等，决定了系统的有用热量，最终也决定了焚烧炉的火焰温度和烟气温度。
热值测定方法如下：
（1）任何一种物质，在一定的温度下，物料所获得的热量（Q）：
式中 C——热容量，J/K
m——质量，g
Δt——初始温度与燃烧温度之差，K
q——物料发热量
所以，热容量（C）：
在操作温度一定（20℃）、热量计中水体积一定、水纯度稳定的条件下，C为常数，氧弹热量计系统的热容量也是固定的，当固体废物燃烧发热时，会引起热量计中水温变化（Δt），通过探头测定而得到固体废物的发热量。发热量（q）：
式中 m——待测物质量
（2）热容量（J/℃）计算公式：
式中 E——热量计热容量，J/℃
Q1——苯甲酸标准热值，J/g
M1——苯甲酸质量，g
Q2——引燃（点火）丝热值，J/g
M2——引燃（点火）丝质量，g
V——消耗的氢氧化钠溶液的体积，mL
Q3——硝酸生成热滴定校正（0.1mol的硝酸生成热为5.9J），J/g
ΔT——修正后的量热体系温升，℃；计算方法如下：
式中 V0和Vn——初期和末期的温度变化率，℃/30s
θ0和θn——初期和末期的平均温度，℃
n——主期读取温度的次数
ti——主期按次序温度的读数
（3）试样热值（J/g）的计算公式：
式中 ∑Gd——添加物产生的总热量，J
G——试样质量，g
其他符号同上式。
（三）实验装置与材料
测量热效应的仪器称为量热仪，本实验介绍两种量热仪，分别是氧弹热量计和微电脑全自动量热仪。
1.氧弹热量计（图6-1）
基本原理是根据能量守恒定律，样品完全燃烧放出的能量促使氧弹热量计本身及其周围的介质温度升高，通过测量介质燃烧前后温度的变化，就可以求算该样品的燃烧值。
图6-1 氧弹热量计安装示意图
1—氧弹 2—数字温差测量仪 3—内筒 4—抛光挡板 5—水保温层 6—搅拌器
2.自密封式氧弹（简称氧弹，见图6-2）
图6-2 氧弹(www.xing528.com)
为了防止燃烧生成的酸对氧弹的腐蚀，全部结构采用不锈钢1Cr18Ni9Ti制成，氧弹的结构由三个部分组成：一个容积为300mL的圆筒形弹体、一个盖子和一个连接盖和弹体的环，弹体内径为58mm，深103mm，壁厚为内径的1/10，底和盖的厚度稍大，强度足够耐受固体燃烧时产生的最大压力（6～7MPa），并能耐受液体燃料所产生的更大压力。氧弹采用自动密封橡胶垫圈，当氧弹内充氧到一定压力时，橡胶垫圈因受压而与弹体和弹盖密接，造成两者间的气密性。且筒内外压力差越大，密封性能越好。中间气阀也因受压紧密闭合，氧气从中间气阀螺钉四周进入筒内，不会直接充压试样，点火时又可保护弹顶密封系统。本氧弹具备操作方便、结构合理可靠、使用寿命长等优点。
3.水套（外筒）
水套是双层容器，实验时充满水，通过水套搅拌器使筒内水温均匀，形成恒温环境，水筒放在水套中的一个具有三个支点的绝缘支架上。水套备有上有小孔的胶木盖，便于插入测温探头、点火线等，盖下面衬有抛光金属板。
4.水筒（内筒）
水筒全部由不锈钢薄板制成，截面为梨形，以减少与外筒间的辐射作用。当氧弹放入水筒后，可加水淹没氧弹，而水面至内筒上边缘有250～500mL的空间，水筒的装水量一般为3000g（氧弹搁在弹头座架上），水筒内设有电动搅拌器。
5.搅拌器
搅拌器由同步电动机带动，搅拌速度为500r/min，转速平稳。通过搅拌器螺旋桨的运动，使试样燃烧放出的热量尽快在量热系统内均匀散布。电动机与搅拌器间用绝热固定板连接，以防止因电机产生的热而影响测量精度。外筒搅拌器为手拉式搅拌器，上下拉动数次即能使外筒水温均匀，给内筒形成一个恒温的外部环境。
6.工业用玻璃棒温度计
温度计的刻度范围为0～50℃，最小分度为0.1℃，用来测量水套水温。
7.点火丝
点火丝通入24V交流电，引燃点火丝。点火丝一般用直径0.1mm左右的镍铬丝做成。当有电流通过时，镍铬丝被烧成赤热并在很短时间内熔断，引燃试样。
8.气体减压器
YQY-370气体减压器或SJT-10型气体减压器用于瓶装氧气减压。它能保持稳定和足够的流量送到氧弹中，进气最高工作压力为15MPa，最低工作压力不低于工作压力的2倍。该减压器带有两个压力表，其中一个指示氧气瓶内的压力，可指示0～25MPa，另一个表指示被充氧气的氧弹的压力，可指示0～6MPa。两个表之间装有减压阀，压力表每年至少经国家机关检查一次，以保证指示读数正确和使用安全。各连接部分禁止使用润滑油，必要时只能使用甘油，涂抹量不应过多，若任一连接部分被油类污染，必须用汽油或酒精洗净并风干。
9.压饼机
压饼机（图6-3）是一种螺旋杠杆式压饼机，能压制直径约10mm的煤饼或苯甲酸饼，压模及冲杆用硬质钢制成，表面光洁，容易擦拭。压制时，模子或底片由可移动的垫块支承，压好后，可将垫块移动一边取出模子或试样。该压饼机底板上设有用以固定在桌面上的螺钉孔，不用时，应在易生锈部位涂上防锈油脂。注意压饼机为选配件。
图6-3 压饼机
10.控制器面板
本仪器采用了微控制器为基础的高性能测温系统，测温精度高，稳定性好，测量精度为0.001℃，且读数方便。本仪器可将样品测量全过程中的测温数据存入存贮器内，或一次测量完后反复多次读出，全盘取代了以前使用的贝克曼温度计。控制器面板上设置有电源、搅拌、数据、结束、点火、复位六个电子开关按键和七位数码管，能对样品热值测定进行全过程操作和温度显示。其中左边两位数字代表测温次数，右边五位代表测量的实际温度，本仪器测温范围为10～35℃。
微电脑全自动量热仪（XKRL-3000A）的工作原理是将装好煤样并充氧至规定压力的氧弹放入内筒子系统开始进行水循环，稳定水温，然后向内筒注水，达到预定水量后，开始搅拌，使内筒水温均衡至室温（相差不超过1.5℃），此时感温控头测定水温并记录到计算机中。当内筒水温基本稳定后，控制系统指示点火电路导通，点火后，样品在氧气的助燃下迅速燃烧，产生的热量通过氧弹传递给内筒，引起内筒水温上升。当氧弹内所有的热量释放出以后温度开始下降，计算机检测到内筒水温下降信号后判定该实验结束，系统停止搅拌并放出内筒水。计算机对采集到的温度数据进行结果处理。
（四）实验步骤
1.热量计热容量（E）的测定
（1）先将外筒装满水，实验前用外筒搅拌器（手拉式）将外筒水温搅拌均匀。
（2）称取片剂苯甲酸1g（约2片），再称准至0.0002g放入坩埚中。
（3）把盛有苯甲酸的坩埚固定在坩埚架上，将1根点火丝的两端固定在两个电极柱上，并让其与苯甲酸有良好的接触，然后，在氧弹中加入10mL蒸馏水，拧紧氧弹盖，并用进气管缓慢地充入氧气直至弹内压力为2.8～3.0MPa为止，氧弹不应漏气。
（4）把上述氧弹放入内筒中的氧弹座架上，再向内筒中加入约3000g（称准至0.5g）蒸馏水（温度已调至比外筒低0.2～0.5℃），水面应至氧弹进气阀螺帽高度的约2/3处，每次用水量应相同。
（5）接上点火导线，并连好控制箱上的所有电路导线，盖上盖，将测温传感器插入内筒，打开电源和搅拌开关，仪器开始显示内筒水温，每隔半分钟蜂鸣器报时一次。
（6）当内筒水温均匀上升后，每次报时时，记下显示的温度。当记下第10次时，同时按“点火”键，测量次数自动复零。以后每隔半分钟贮存测温数据共31个，当测温次数达到31次后，按“结束”键表示实验结束（若温度达到最大值后记录的温度值不满10次，需人工记录几次）。
（7）停止搅拌，拿出传感器，打开水筒盖，注意先拿出传感器，再打开水筒盖，取出内筒和氧弹，用放气阀放掉氧弹内的氧气，打开氧弹，观察氧弹内部，若有试样燃烧完全，实验有效，取出未烧完的点火丝称重；若有试样燃烧不完全，则此次实验作废。
（8）用蒸馏水洗涤氧弹内部及坩埚并擦拭干净，洗液收集至烧杯中的体积150～200mL。
（9）将盛有洗液的烧杯用表面皿盖上，加热至沸腾5min，加2滴酚酞指示剂，用0.1mol/L的氢氧化钠标准溶液滴定，记录消耗的氢氧化钠溶液的体积，如发现在坩埚内或氧弹内有积炭，则此次实验作废。
2.样品热值的测定
将固体废物1.0g左右样品，同法进行上述实验。
（五）实验数据记录与整理
表6-1 热量计的水当量C计的测定
续表
注：苯甲酸的燃烧热为-26460J/g，引燃铜丝的燃烧热值为-3140J/g
用图解法求出样品燃烧引起量热仪温度变化的差值，并根据公式计算样品的热值。根据苯甲酸和粉煤灰点火后温度的变化，以时间为x轴，温度为y轴，可得温度—时间关系图。
（六）思考题
（1）为何氧弹每次工作之前要加10mL水？
（2）影响热值测定的因素有哪些？
（3）热值达到多少，固体废物才能采用焚烧法处理？
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
