熔断式点火量热仪和激光点火量热仪对比分析_李冬军

1、能源研究与管理2019 （4研究与探讨窑34窑DOI : 10.16056/j.1005-7676.2019.04.009熔断式点火量热仪和激光点火量热仪对比分析李冬军1,易美玲2,胡筱勇2(1.湖南三德科技股份有限公司，长沙410205 ；2.国家电投江西电力有限公司分宜发电厂，江西新余336600摘要：针对氧弹量热仪熔断式点火需要人工缠绕点火丝导致操作繁琐、点火丝残留导致实际点火热与实验设定点 火热不一致以及点火偶尔失败等问题，分析氧弹内部结构和点火丝点火工作原理，结合现有的激光技术，将激光发 生源发射的平行光经过聚焦镜聚焦后，照射在坩埚内煤样表面，引燃煤样，确保点火成功率满足要求，然后对

2、氧弹 量热仪的主机和氧弹进行改造，采用激光头在氧弹内内置和外置2种激光点火方案，将氧弹内原有的熔断式点火方式改为激光聚焦方式，并进行量热仪热容量标定以及煤样弹筒发热量测试。经大量广泛实验证明，熔断式点火方式 与此2种激光点火方式检测结果无显著性差异，可以相互替代使用，激光点火方式可重复点火，降低了劳动强度， 提供了设备自动化水平，也提高了设备使用率。关键词：氧弹量热仪；点火方式；熔断式；激光点火中图分类号：TK31文献标志码：A文章编号：1005 - 7676 (2019 04- 0034 - 06Comparative Analysis of Fusible Ignition Oxygen

3、Bomb andLaser Ignition Oxygen BombLI Do ngju n YI Meili ng 2, HU Xiaoyo ng 2(1. Hu nan Su ndy Scie nee an d Tech no logy Co.,Ltd., Cha ngsha 410205, Chi na;2. SPIC Jiangxi Electric Power Co.,Ltd. Fenyi Power Plant, Xinyu 336600, Jiangxi, China)Aiming at the problems of fused ignition of oxygen bomb

4、calorimeter, such as complicated operation caused by manual winding of ignition wire, inconsistency between actual ignition heat and experimental set-up ignition heat and occasional failure of ignition, the internal structure of oxygen bomb and ignition principle of ignition wire are analyzed. Combi

5、ning with existing laser technology, the source of laser is generated. After the parallel light is focused by the focusing mirror, it is irradiated on the surface of the coal sample in the crucible to ignite the coal sample to ensure that the ignition success rate meets the requirements. Then the ma

6、in engine of the oxygen bomb calorimeter and the oxygen bomb are reformed. The original fused ignition mode in the oxygen bomb is made by using two laser ignition schemes,i.e. the laser head is built in and the position of the oxygen bomb. It has been proved by extensive experiments that there is no

7、 significant difference between the fused ignition mode and the two laser ignition modes. The laser ignition mode can be replaced each other. The laser ignition mode can berepeatedly ignited, which reduces the labor intensity. The automation level of equipment is provided, and the utilization rateof

8、 equipment is also improved.g nt automatic calorimeter; ignition mode;fuse type; laser ignition收稿日期：2019- 08- 12作者简介：李冬军（1983），男，湖南岳阳人，中级工程师，本科，毕业于湖南大学，机械设计制造及自动化专业，主要从事煤炭仪器开发检测工作。研究与探讨能源研究与管理2019 (4)窑35窑研究与探讨能源研究与管理2019 (4)窑#窑引言煤样点燃。金属熔断式点火方式氧弹内部结构见图 110。研究与探讨能源研究与管理2019 (4)窑36窑1234燃烧热测定是科研和工业测定的一个

9、重要表征 手段1，实验原理是将一定量待测样品在氧弹中通过 点火丝引燃并完全燃烧，燃烧放出的热量将使氧弹 周围水的温度升高，通过测定燃烧前后水温变化获 得待测样品的燃烧热。发热量测定也是煤质分析中 的一项重要检测项目。发热量不仅是评价燃料煤品 质的主要参数，也是从事煤炭交易和贸易结算的一 项重要考核指标，其测定值的准确与否，将直接关 系到煤炭的实际应用2-3。各煤质检测公司一般采纳 按国标要求，采用氧弹量热法测定煤的高温发热量。 氧弹热量计准确度的要求及检验方法，国内技术监督部门有专门的检定规程4，国内外技术标准4-8也有 论述，其测量过程是在一个封闭的耐高压燃烧的氧 弹中，氧弹内放置一定量燃料

10、的样品，并缠绕点火 丝，充入高压氧气，然后使用电流点火引燃点火丝， 将样品点燃，并使其充分燃烧，通过计算氧弹筒的 释放热来计算燃料的热值同。因为点火丝是一次性的，故每次实验前，都需要重新缠绕新的点火丝， 且每次点火丝并不能完全燃烧完而有部分残余，导 致每次试验的点火热不一致，需要计算残余点火丝 热量，操作麻烦；另外，残余点火丝在试验完成后 需要进行清扫，增加工作量。针对上述问题。研究 分析激光点火代替棉线或点火丝，可以较有效地解 决每次引燃氧弹中的样品时操作繁琐、燃烧存在残 留等的问题，提高量热仪测试自动化水平。1 测定原理1.1 金属丝熔断式点火方式的测试原理如图1所示，每次实验前，人工将一

11、段直径在 0.10.12 mm的点火丝(件 1)固定于氧弹的正电极杆(件 2)和负电极杆(件 3上并卡紧，使整个 氧弹形成一个完整的通电电路，电阻丝作为整个回 路中电阻的主要集中部分。氧弹充氧完成后放入仪 器并盖上仪器的盖子，其中一极和氧弹头接触(和氧弹内较短柱子相通)，另一极通过氧弹外壁和氧弹 内较长柱子(放坩埚那个)相连，形成了点火丝的两极。将氧弹的通电回路与整个仪器的通电回路连 接在一起，形成一个完整的通电回路。其中电源部 分为充电电容，电阻集中在氧弹内的点火丝上。控制电容放电，因为整个回路的电阻集中在氧 弹内的点火丝上，电热放出的电量也主要集中在此 电阻丝上，电阻丝受热熔断产生火花，把

12、坩埚内的(a结构部件示意图(b实物图图1 金属丝熔断式点火方式氧弹图熔断式点火的点火热q熔断式等于电容存储的能量：。电容存储的能量由式(1)计算得：Lj'熔断式='=”：/2(1)式中：匚为电容的电容量，F;为电容两端电压， V ;为电容存储的能量，J。熔断式点火的电容电压L =25.82 V，电容量=0.15 F，则点火热时熔断式=(0.15僅5.822/2)J=50 J。1.2 激光点火方式的测试原理11激光是原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁 到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释 放的能量。激光也是一种电磁波，激光根据波长不同，分 为很多种类。量热仪的激光点火技术

13、主要运用2种激光发生器，一种为功率5 W、波长为450455nm蓝光激光二极管，另一种为功率30 W、波长10.5710.63 滋n的CO2射频激光器。激光内置点火方式中采用蓝光激光二极管，激 光外置点火方式中采用CO2射频激光器。蓝光激光二极管有体积小，结构简单特点，目前功率V二极管最大只能做到5W，故安装在氧弹内，如图2所示。使用时，让蓝光激光二极管持续通电照射5 s,激光产生的能量为：激光内置='二极管'=(55)J=25 J(2)CO2射频激光器体积大，功率大，发射的激光 波长在10.5710.63 滋m之间，故安装在氧弹外， 通过聚焦镜聚焦后，发射的光透过氧弹内小孔照

14、射 到煤样上，如图3和图4所示。使用时，让功率为30 W的CO2射频激光器持续通电照射3 s,激光产生的能量为：< '激光外置 = Fc°2f = (30f3)J=90 J(3)因为蓝光激光二极管功率较小，单颗最大仅只 能做到5 W，且此类激光的波长为450455 nm.能源研究与管理2019 （4研究与探讨窑36窑而非金属对此类波长吸收问题以及苯甲酸自身物理 特性，导致采用蓝光激光二极管可以直接引燃煤样， 但是点燃苯甲酸成功率不高。故点燃苯甲酸做热容 量标定时，需要使用额外的点火物120 Jo故点燃苯甲酸时点火热为：q激光内置=Q激光内置+120 J=（25+120）

15、J=145 J点燃煤样时点火热为：q激光内置=Z激光内置=25 J（5）CO2射频激光器的波长为 10.5710.63滋m,此 类波长可以被很多非金属材料吸收，特别适合于非 金属材料，同时激光功率为30 W，故可以直接点燃苯甲酸，无需添加热。故点火热为：斗激光外置=激光外置=90 J2种激光点火的固有缺陷为灰尘和水雾对透光 镜片的污染，随着使用次数的增加，降低了镜片的 透光率，故需要人工擦拭镜头。在氧弹内设置有冲 洗嘴，每次充氧时，将充入的高压氧气对准镜头进 行冲洗，可降低镜头清理的频率。激光头内置的点火方式，对氧弹外形改动量比 较少，能兼容现有的量热仪和充氧器，而激光头外 置的点火方式，将氧

16、弹上设置有2个口 （1个放气口和1个透光口），且需要将光源和聚焦镜设置在量 热仪上，整体对量热仪、氧弹和充氧器改动量较大。综合比较，激光内置点火方式和激光外置点火 方式各有优劣。激光内置点火方式和激光外置点火 方式氧弹结构图详见图 2、图3和图4。2 样品热值的计算2.1 热量测试步骤按照发热量测定的相应步骤准备氧弹，内筒和外筒，然后点火和测定温升。在氧弹热量计情况下， 开始搅拌后读取连续读取内筒温度和外筒温度。直 到内筒温度低于设定值。然后即按发热量测定点火， 连续读取内筒温度，直到内筒温度变化率低于设定 值，实验既告结束。2.2 热容量E的计算量热仪的热容量i：为量热仪内筒温度上升1 K所

17、需的能量。上=（+屮+*：）/打（仁+»,）-（：o+ho）+L'=（0.0 015；、+1）/（,丿。+£）（7）式中：为苯甲酸的标准热值，为26 466 J/g； W1为点火热，J； 为冷却校正值，K;打为贝克曼温度 计的平均值，拓为毛细孔径修正值，'>为L毛细 孔径修正值，采用数字显示温度计时，-=1,山0和研究与探讨能源研究与管理2019 （4）窑37窑扎均为0;皿为苯甲酸的用量，g; q为硝酸形成热，按0.001 5匚计算8。2.3 弹筒发热量的计算通过量热仪的热容量卜和内筒温升计算出弹筒发热量。Jb,ad = ；：:（!.+ “）- （，&

18、#39;o+”0）+卜（叩+学）/ 九'=L（f,- !o+）-（.丿 + 平）/m（8）式中：Lbad为空气干燥煤样的弹筒发热量，J/g；耳2为添加剂如包纸等产生的热量，J,没有添加热，故为0;为试样重量，g。2.4 绝对标准偏差、极差和均值按式（9）、式（10）计算绝对标准差气和均值x：> =2/( ;.-1)1/2/移(-)(9):、=（移）/(10)式中："为实验总次数；1为实验序号；为第'次实验的实验结果。3 实验结果3.1 仪器热容量标定及3种点火方式对比采用湖南三德科技股份有限公司的SDAC6000U量热仪完成实验，对其进行热容量标定。标定时用 的

19、物质为苯甲酸标准物。热容量标定需要进行不少于5次重复试验。计算重复试验结果的平均值和相对标准差，其相对标 准差不应超过 0.20%;若超过 0.20%，再补做1次 试验，取符合要求的连续测试结果的平均值，修约 至1 J/K，作为该仪器的热容量。若任何 5次结果的 相对标准差都超过 0.20%，则应对试验条件和操作 技术仔细检查并纠正存在问题后，重新进行标定， 舍弃已有的全部结果。按照此方式分别对金属点火丝方式量热仪、激 光点火内置量热仪和激光点火外置量热仪进行仪器热容量标定，详细数据见表表1金属丝熔断式点火方式i 1和表2。（点火热50 J标定热容量试样/!0 /'/仪器热容量质量 /

20、g(J-g-1)KK/(J-K-1)0.983 321.168823.651 6-0.140811149.991.031 021.976 124.553 7-0.125811166.241.018823.232 625.759 9-0.104811167.670.996 523.929 126.398 2-0.093 011137.030.992 026 46624.429 026.874 4-0.085 211161.380.992 424.808 727.250 4-0.080 211160.011.027 825.107 227.626 9-0.073 111155.210.902 42

21、5.382 827.598 7-0.071 011174.760.992 125.239 027.667 5-0.066 511154.140.918 425.467 927.725 80.070 011149.07研究与探讨能源研究与管理2019 （4）窑#窑表2激光内置点火方式和激光外置点火方式标定热容量对比激光内置点火方式（点火热145 J）激光外置点火方式（点火热90 J试样质量ffl/gQi (J- g-1)b/KL/ KC仪器热容量/（J-K-1）试样质量巾/gQi(J-g-1)f。/KK仪器热容量E /（J-K-1）0.939 425.617027.929 7-0.068 011

22、157.101.027 225.718 028.226 2-0.062 811170.630.943 425.798 728.111 2-0.064 211186.290.994 826.303 728.728 9-0.054 211159.000.941 625.878 128.190 0-0.059 911146.730.967 126.660 129.014 5-0.049 011158.100.939 525.062 627.382 2-0.071 311140.460.958 226.891 829.225 0-0.046 311144.920.955 826 46625.606 7

23、27.953 2-0.064 711166.000.981 126 46627.008 429.389 7-0.040 711148.600.965 226.127428.493 3-0.059 311154.160.986424.987 927.412 7-0.073 811159.180.950 526.462 228.789 4-0.053 911146.161.037 925.295 127.834 4-0.066411161.091.021 426.719429.209 7-0.048 711147.481.035 925.712 828.243 9-0.060 911151.830

24、.985 426.510528.911 7-0.047 411157.820.983 126.038 928.435 6-0.056 611173.780.952 126.857 729.1794-0.047 811161.720.988 224.959 427.389 5-0.072 311147.23研究与探讨能源研究与管理2019 （4）窑#窑研究与探讨能源研究与管理2019 （4）窑38窑金属丝熔断式点火方式仪器热容量按式(7)计算:E=(26 466伊0.986 5伊.001 5+50)/28.349 725.822 0+(-0.037 2)J/K=11 149.99 J/K激光内置

25、点火方式仪器热容量按式(7)计算：迟2=(26 466伊0.939 4伊.001 5+145)/27.929 725.617 0+(-0.068 0)J/K=11 157.10 J/K激光外置点火方式仪器热容量按式（7）计算:/ 3=（26 466伊1.027 2伊1.001 5+90）/28.226 225.718 0+（-0.062 8）J/K=11 170.63 J/K金属熔断式方式的相对标准差、极差和均值分 别为：5=0.09% ； K 1=37.73 J/K ;】1=11 158.39 J/K能源研究与管理2019 (4研究与探讨窑38窑能源研究与管理2019 (4研究与探讨激光内置

26、点火方式的相对标准差、极差和均值 分别为：倉=0.11% ;陆=41.83 J/K;応=11 156.31 J/K激光外置点火方式的相对标准差、极差和均值 分别为：.>3=0.08% ;隔=28.86 J/K; ；3=11 157.43 J/K由表1和表2及上述计算可以看出，3种点火方式标定的热容量的相对标准差都不超过0.20%，且极差不超过45 J; 3种点火方式标定的热容量平均值只差2 J/K。说明对仪器进行激光点火改造没有 影响仪器的标定。2种点火方式所测得热容量的精密度分别为： /1S22/s'12=0.112/0.092=1.49> 卜2=、,/ 圧=0.092/

27、0.082=1.27。 查表，因为双侧检测，显著性水平哉取0.05,查卜0.05,20,20=2.08，由于 / 1、/'2 均小于 <005,20,20 ,故 3 种点 火方式的精密度没有显著性差异，说明这 3种点火 方式对仪器的精密度没有影响，从数据上看，对于 标定热容量，激光外置点火方式的精密度和极差略 好于金属丝熔断式点火方式，激光内置点火方式的 精密度和极差略差于金属丝熔断式点火方式。其原 因可能为激光内置点火方式直接点燃苯甲酸成功率 不高，需要引入额外点火物，而额外点火物的热值 一致性影响点火热一致性，从而影响精密度和极差。3.2 标煤热量测试及3种点火方式对比采用湖

28、南三德科技股份有限公司的SDAC7000U量热仪完成实验，用仪器对煤样进行热量测定。采 用标煤分别对金属点火丝方式量热仪、激光点火内 置量热仪和激光点火外置量热仪进行弹筒发热量测 试，详细数据见表 3和表4。表3煤样熔断式点火方式(点火热50 J标定弹筒发热量试样仪器：0 /KK弹筒质量热容量C发热量/g，:"(JKi)/(J-g-i)0.986 525.822 028.349 7-0.037 228 119.470.993 626.675 129.194 6-0.013928 088.450.980 226.581 129.072 4-0.019 128 092.450.995 2

29、26.575 929.105 1-0.018 828 096.890.986 626.509 429.015 9-0.019028 083.370.988 711 158.3926.444 328.960 7-0.020 928 113.111.006 326.480 529.038 5-0.019528 098.331.000 526.586 729.130 5-0.019428 104.520.993 926.666 929.190 2-0.017328 084.461.006 926.641 329.200 9-0.018 128 114.830.987 826.571 429.079

30、4-0.019628 059.310.983 926.503 329.008 3-0.018 528 148.64能源研究与管理2019 (4研究与探讨能源研究与管理2019 (4研究与探讨表4 煤样B的激光内置点火方式和激光外置点火方式标定弹筒发热量对比激光内置点火方式(点火热25J)激光外置点火方式(点火热90 J试样 质量Eg仪器 热容量<J/(J-K-i)fc / KKC弹筒 发热量Q/(Jgi)试样 质量 m/g仪器 热容量Q/(J-K-i)0 /KK/厂弹筒 发热量Q/(J-g-i)1.008 226.172428.741 5-0.024 328 140.681.039 72

31、6.145 928.788 7-0.017 228 092.741.024 926.685529.283 7-0.015 028 099.780.990 926.289 928.814 7-0.021 828 095.000.977 626.205828.701 0-0.028 228 133.500.969 726.377 128.851 0-0.021 428 128.241.018 526.634329.218 4-0.015028 122.311.006 226.752 4229.307 7-0.014028 092.531.003 426.119528.676 3-0.026428

32、114.601.056 926.281 428.970 0-0.022 828 059.561.029 911 158.3926.670729.276 6-0.014328 054.690.992 211 158.3926.892 229.411 1-0.011 928 102.951.004 426.430128.983 3-0.020828 108.611.032 026.688 929.309 4-0.018228 049.770.981 226.575229.067 4-0.017 728 114.771.000 926.325 828.874 1-0.019028 108.180.9

33、88 726.114928.638 0-0.030028 111.641.029 226.502 629.120 1-0.020828 065.151.002 526.579629.124 3-0.019028 087.420.968 426.107 128.582 2-0.028428 099.510.999 526.359028.899 9-0.022 128 094.470.992 326.559 629.084 5-0.017 128 109.681.007 326.679329.231 2-0.017 128 054.380.958 726.459 228.905 6-0.02092

34、8 136.49煤样的熔断式点火方式煤样弹筒发热量按式(8)仏皿2=11 158.39伊28.741 5-26.172 4-计算：0.024 3)- 25/1.008 2J/g=28 140.68 J/g%,ad, 3=11 158.39伊28.788 7- 26.145 9-煤样的激光外置点火方式煤样弹筒发热量按式0.017 2)-90/1.039 7J/g=28 092.74 J/g煤样的激光内置点火方式煤样弹筒发热量按式(8)计算:Qb,ad,Ai=11 158.39伊28.349 7-25.822 0-能源研究与管理2019 (4研究与探讨(8)计算:0.037 2)-50/0.986

35、 5J/g=28 119.47 J/g研究与探讨能源研究与管理2019 (4)窑39窑煤样的熔断式点火方式的相对标准差、极差和 均值分别为：* 1=0.08% ; ： 1=89.33 J/g； 、1 =28 100.32 J/g 煤样的激光内置点火方式的相对标准差、极差和均值分别为：2=0.09% ； ' 2=86.30 J/g；龙.2=28 103.97 J/g 煤样的激光外置点火方式的相对标准差、极差 和均值分别为：< 3=0.09% ;3=86.71 J/g；遵3=28 094.98 J/g由表3和表4及上述计算可以看出，3种点火方式测定的氧弹发热量的相对标准差都不超过 0

36、.20%，且极差不超过 90 J/g； 2种点火方式标定的 热容量平均值臆8 J/K。说明对仪器进行激光点火改 造没有影响仪器的标定。4 结论针对氧弹量热仪熔断式点火需要缠绕点火丝导 致操作繁琐问题，对氧弹量热仪的主机和氧弹进行 改造，将原有的熔断式点火方式改为激光点火方式。 从氧弹量热仪的实验数据结果分析来看，熔断式点 火方式与激光点火方式试验结果无显著性差异，可 以相互替代使用。同时也对比了激光内置点火方式 和激光外置点火方式，激光内置点火方式可以和现 有量热仪通用，但是存在不能直接点燃苯甲酸成功 率不高，而激光外置点火方式，可以直接点燃苯甲 酸，但对量热仪改动量较大，结构复杂。且无论激 光外置还是