CN117233208A - 纳米碳氢燃料的热值检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米碳氢燃料的热值检测方法。该方法将纳米碳氢燃料与混燃剂混合，在热值检测系统中进行热值检测，并进行热值校正，得到试样的热值Q1：然后扣除混燃剂的热值Q0，得到纳米碳氢燃料的全态热值Q2：最后根据纳米碳氢燃料的固含量α，计算纳米碳氢燃料的固体热值Q3；其中，混燃剂包括乙醇、柴油和汽油的一种或多种。本发明的纳米碳氢燃料不进行烘干处理，对其固相、液相、气相三者进行全态检测，从而测定其热值，检测方法简便易行，测得纳米碳氢燃料的热值全面且准确。
Description
技术领域
本发明涉及燃料技术领域，具体而言，涉及一种纳米碳氢燃料的热值检测方法。
背景技术
目前市场上煤的热值检测方法大多根据GB/T213-2003煤的发热量(热值)测定方法，在氧弹热量计中进行测定。其原理：一定量的分析试样在氧弹热量计中，在充有过量氧气的氧弹内燃烧，氧弹热量计的热容量通过在相近条件下燃烧一定量的基准量热物来确定，根据试样燃烧前后量热系统产生的温升，并对附加热进行校正后即可求得试样的弹筒发热量。水煤浆的热值检测是在此基础上进行的，其要求先对水煤浆进行烘干处理，烘干后得到干燥煤粉在按上述方法进行热值检测。另外，油类的热值检测也是类似的热弹法，直接用点火装置点燃后进行热值检测。
纳米碳氢燃料是利用先进的纳米粉碎技术及设备，通过前置处理与精细化、纳米化处理及附氢赋能后，制备的一种基本颗粒粒度为微纳米级，具有较高比表面积和表面活性的煤基流体燃料，是一种新型、高效、清洁的环保燃料，与传统水煤浆相比，具有燃烧效率高、灰渣活性高、污染物排放低等特点。
纳米碳氢燃料作为一种新型燃料，热值是纳米碳氢燃料一个重要的表征指标，但是，纳米碳氢燃料中存在一定量的氢，部分氢以气态形式存在，部分氢以游离态存在于纳米碳氢燃料中(液态中)，另有相当一部分氢固化在纳米级煤粉粉体表面。如果参照现有水煤浆的热值检测方法，需要将纳米碳氢燃料烘干，首先气态和游离液态氢将伴随烘干过程释放出去，另外烘干将破坏纳米碳氢燃料的微观结构，固化在微纳米级煤粉颗粒表面的氢会挣脱粉体表面的结合力，部分或全部释放出去，纳米碳氢燃料的燃烧性能将大大降低。因此，纳米碳氢燃料热值的测试不能按照现有水煤浆热值检测方法进行，目前市场上尚无标准的纳米碳氢燃料的热值检测方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种纳米碳氢燃料的热值检测方法，以解决现有技术中没有针对于纳米碳氢燃料的热值检测方法的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种纳米碳氢燃料的热值检测方法，包括以下步骤：步骤S1，将纳米碳氢燃料与混燃剂混合，得到试样，将试样在热值检测系统中进行热值检测，并进行热值校正，得到试样的热值Q1：步骤S2，从试样的热值Q1中扣除混燃剂的热值Q0，得到纳米碳氢燃料的全态热值Q2：步骤S3，根据纳米碳氢燃料的固含量α，计算纳米碳氢燃料的固体热值Q3；其中，混燃剂包括乙醇、柴油和汽油的一种或多种。
进一步地，在步骤S1之前，热值检测方法还包括：在热值检测系统中，使用标定热物质进行热值检测，得到系统热容E；步骤S1中，根据公式(1)计算试样的热值Q1：
其中，tn为热值检测系统的起始温度，单位为℃；t0为热值检测系统的最终温度，单位为℃；C为冷却校正值，单位为K；q1为点火热，单位为J；m为试样的质量，单位为g。
进一步地，步骤S2中，根据公式(2)计算纳米碳氢燃料的全态热值Q2：
其中，q2为混燃剂产生的总热量，单位为J。
进一步地，步骤S3中，根据公式(3)计算纳米碳氢燃料的固体热值Q3：
进一步地，热值检测系统包括弹筒热量计系统或热重DSC分析系统。
进一步地，标定热物质包括苯甲酸、乙醇和柴油的一种或多种。
进一步地，纳米碳氢燃料的质量百分浓度为20～50％；和/或纳米碳氢燃料与混燃剂的质量比为1:(1.2～1.4)。
进一步地，当纳米碳氢燃料的质量百分浓度为20～30％时，纳米碳氢燃料与混燃剂的质量比为1:(1.31～1.4)；和/或当纳米碳氢燃料的质量百分浓度为31～50％时，纳米碳氢燃料与混燃剂的质量比为1:(1.2～1.3)。
进一步地，步骤S1中，将纳米碳氢燃料与混燃剂混合的过程包括：将装有纳米碳氢燃料的容器震荡35～45次，从容器中部抽取并放回纳米碳氢燃料3～5次，以进行预取样，然后抽取纳米碳氢燃料与混燃剂混合。
进一步地，步骤S1中，在将试样进行热值检测之前，混燃剂与空气的接触时间≤30s。
应用本发明的技术方案，纳米碳氢燃料不进行烘干处理，对其固相、液相、气相三者进行全态检测，从而测定其热值。本发明的检测方法简便易行，测得纳米碳氢燃料的热值全面且准确。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
正如本发明背景技术中所述，现有技术中存在没有针对于纳米碳氢燃料的热值检测方法的问题。为了解决上述问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种纳米碳氢燃料的热值(发热量)检测方法，包括以下步骤：步骤S1，将纳米碳氢燃料与混燃剂混合，得到试样，将试样在热值检测系统中进行热值检测，并进行热值校正，得到试样的热值Q1：步骤S2，从试样的热值Q1中扣除混燃剂的热值Q0，得到纳米碳氢燃料的全态热值Q2：步骤S3，根据纳米碳氢燃料的固含量α，计算纳米碳氢燃料的固体热值Q3；其中，混燃剂包括乙醇、柴油和汽油的一种或多种。
在燃料领域，目前以煤炭和水作为原材料的常见燃料主要为水煤浆。国标GB/T213-2003用氧弹法对水煤浆的干燥基进行热值测定，这是因为水煤浆中含有大量的水，如果不用干燥基，水煤浆无法有效点燃或燃尽，所以国标用烘干基来对水煤浆做相关的热值测定。
纳米碳氢燃料制备的原材料与水煤浆一样，但纳米碳氢燃料经过纳米化处理及附氢赋能后，已经成为一种完全有别于水煤浆的新材料。纳米碳氢燃料的热值不单单体现在固体干燥基中，纳米碳氢燃料中有大量的小分子功能团和氢气，氢气以固、液、气三种形式存在于纳米碳氢燃料中，因此，一旦如水煤浆对纳米碳氢燃料进行烘干处理，对增加燃烧热值有重大贡献的小分子功能团和氢气均有流失，测试热值会与真实热值有较大差距。
而且，纳米碳氢燃料本身含水，无法直接点燃，因此本发明加入混燃剂比如乙醇辅助点燃并使其完全燃烧，这些混燃剂的热值当量表现稳定，有利于热值检测结果准确性的提高。本发明采用混燃方式，在原有检测方法的基础上，将纳米碳氢燃料的全态(固、液、气)与混燃剂在热值检测系统中混燃，并进行热值校正，排除系统影响，得到试样的总热值Q1，扣除混燃剂热值Q0之后，所得即为纳米碳氢燃料全态热值Q2。其中，混燃剂热值Q0可以使用常规数值或者经由单独混燃剂燃烧测试实验佐证。由于纳米碳氢燃料中液态物为水分，没有热值贡献，因此最后根据固含量α将全态热值Q2折算为固体热值Q3。本发明的检测方法适用于所有纳米碳氢燃料，简便易行，测得纳米碳氢燃料的热值准确性大大提高。
具体地，在一种优选的实施方式中，在步骤S1之前，热值检测方法还包括：在热值检测系统中，使用标定热物质进行热值检测，得到系统热容E；步骤S1中，根据公式(1)计算试样的热值Q1：
其中，tn为热值检测系统的起始温度，单位为℃；t0为热值检测系统的最终温度，单位为℃；C为冷却校正值，单位为K；q1为点火热，单位为J；m为试样的质量，单位为g。从而可以更准确地排除系统影响，实现热值校正。
具体地，在一种优选的实施方式中，步骤S2中，根据公式(2)计算纳米碳氢燃料的全态热值Q2：
其中，q2为混燃剂产生的总热量，单位为J。即将试样的总热值Q1扣除混燃剂贡献量，得到更准确的纳米碳氢燃料全态热值Q2。
如上所述，纳米碳氢燃料中水分没有热值贡献，因此为了进一步排除误差，提高热值检测结果的准确性，具体地，在一种优选的实施方式中，步骤S3中，根据公式(3)计算纳米碳氢燃料的固体热值Q3：
出于为热值检测提供一个更加精密且适宜的检测系统的目的，在一种优选的实施方式中，热值检测系统包括弹筒热量计系统或热重DSC(差示扫描量热法)分析系统，实用性更强。
在一种优选的实施方式中，标定热物质包括苯甲酸、乙醇和柴油的一种或多种，测量得到的系统热容更精确，有利于进一步提高纳米碳氢燃料热值检测结果的准确性。
为了进一步保证纳米碳氢燃料点燃并充分燃烧，从而进一步提高混燃效果，在一种优选的实施方式中，纳米碳氢燃料的质量百分浓度为20～50％；和/或纳米碳氢燃料与混燃剂的质量比为1:(1.2～1.4)。混燃剂含量过低时，可能会由于纳米碳氢燃料本身含水，而容易导致试样无法点燃或无法燃尽、没有完全燃烧，检测结果的准确度受到影响。混燃剂作为外添热源，含量过高时，又可能导致纳米碳氢燃料热值检测数据的误差增大，因此本发明优选将纳米碳氢燃料与混燃剂的质量比限定在上述范围内，从而可以进一步提高检测准确性。
为了进一步使得不同质量百分浓度纳米碳氢燃料和混燃剂的质量比更加适配，从而进一步提高混燃效果，使得热值检测结果更加精确，在一种优选的实施方式中，当纳米碳氢燃料的质量百分浓度为20～30％时，纳米碳氢燃料与混燃剂的质量比为1:(1.31～1.4)；和/或当纳米碳氢燃料的质量百分浓度为31～50％时，纳米碳氢燃料与混燃剂的质量比为1:(1.2～1.3)。
在一种优选的实施方式中，步骤S1中，将纳米碳氢燃料与混燃剂混合的过程包括：将装有纳米碳氢燃料的容器震荡35～45次，从容器中部抽取并放回纳米碳氢燃料3～5次，以进行预取样，然后抽取纳米碳氢燃料与混燃剂混合。从而可以保证每次取样混合的一致性，有利于获得纳米碳氢燃料的最准确热值。
本发明上述混燃剂多具有挥发特性，为了进一步避免混燃剂挥发导致热值结果偏差过大，在一种优选的实施方式中，步骤S1中，在将试样进行热值检测之前，混燃剂与空气的接触时间≤30s。
典型的但非限定性的，纳米碳氢燃料的质量百分浓度为20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％或其任意两个数值组成的范围值。
典型的但非限定性的，纳米碳氢燃料与混燃剂的质量比为1:1.2、1:1.21、1:1.22、1:1.23、1:1.24、1:1.25、1:1.26、1:1.27、1:1.28、1:1.29、1:1.3、1:1.31、1:1.32、1:1.33、1:1.34、1:1.35、1:1.36、1:1.37、1:1.38、1:1.39、1:1.4或其任意两个数值组成的范围值。
典型的但非限定性的，当纳米碳氢燃料的质量百分浓度为20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％或其任意两个数值组成的范围值时，纳米碳氢燃料与混燃剂的质量比为1:1.31、1:1.32、1:1.33、1:1.34、1:1.35、1:1.36、1:1.37、1:1.38、1:1.39、1:1.4或其任意两个数值组成的范围值。
典型的但非限定性的，当纳米碳氢燃料的质量百分浓度为31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％或其任意两个数值组成的范围值时，纳米碳氢燃料与混燃剂的质量比为1:1.2、1:1.21、1:1.22、1:1.23、1:1.24、1:1.25、1:1.26、1:1.27、1:1.28、1:1.29、1:1.3或其任意两个数值组成的范围值。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1
热值检测系统：恒温式弹筒热量计。
单位和定义
1、热量计单位
热量的单位为焦耳(J)，1焦耳(J)＝1牛顿(N)×1米(m)＝1牛·米(N·m)。
热值(发热量)测定结果以兆焦每千克(MJ/kg)、焦耳每克(J/g)或卡路里每克(cal/g)表示，其中1J/g＝0.2389cal/g。
2、恒温式弹筒热量计的弹筒发热量
单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量称为弹筒发热量。需要说明的是，任何物质(包括纳米碳氢燃料)的燃烧热，随燃烧产物的终极温度而改变，温度越高，燃烧热越低。因此，一个严密的发热量定义，应对燃烧产物的终极温度有所规定(ISO1928规定为25)。但在实际发热量测定时，由于具体条件的限制，把燃烧产物的终极温度限定在一个特定的温度或一个很窄的范围内都是不现实的。当按规定在相近的温度下标定热容量和测定发热量时，温度对燃烧热的影响可近于完全抵消，而无需加以考虑。
实验室条件
(1)进行热值测定的试验室应为单独房间，不得在同一房间内同时进行其他试验项目。
(2)室温应保持相对稳定，每次测定室温变化不应超过1℃，室温以不超过15～30℃范围为宜。
(3)室内应无强烈的空气对流，因此不应有强烈的热源、冷源和风扇等，试验过程中应避免开启门窗。
(4)试验室最好朝北，以避免阳光照射，量热计应放在不受阳光直射的地方。
实验测定样品
质量浓度20.72％的纳米碳氢燃料。
实验步骤
1、用标定热物质苯甲酸重复测试，得到系统热容E。
2、将纳米碳氢燃料与混燃剂乙醇按照质量比1:1混合。每次取样前，将装有纳米碳氢燃料浆料的瓶体来回震荡40次，采用注射器从瓶体中部抽/放浆料3次进行预取样，正式取样时抽取约2ml浆料，快速加注至坩埚。待所有测试器件准备就绪后，快速加注乙醇，在30秒内将燃烧装置快速装入氧弹密封，减少空气接触，充氧后进行热值测试：一定量的分析试样在氧弹热量计中，在充有过量氧气的氧弹内燃烧，根据试样燃烧前后量热系统产生的温升，并对点火热等附加热进行校正后即可求得试样的弹筒发热量即试样的总热值Q1。
根据公式(1)计算恒温式弹筒热量计的试样的总热值Q1：
3、根据公式(2)扣除混燃剂乙醇的热值，计算纳米碳氢燃料的全态热值Q2：
4、根据公式(3)计算纳米碳氢燃料的固体热值Q3：
实施例2至11
与实施例1的区别在于，纳米碳氢燃料的质量浓度、纳米碳氢燃料与混燃剂乙醇的质量比不同，详见表1。
对比例1
与实施例1的区别在于，根据GB/T213-2003煤的发热量测定方法测定。
上述实施例和对比例的热值检测结果见表1。
表1
将上述实施例的纳米碳氢燃料进行锅炉试验(在燃料的作用下，将水加热生成水蒸气)，结果表明，使用相同体积的纳米碳氢燃料时，本发明测定的热值越高，相应产生的水蒸气越多，锅炉试验结果与本发明的热值测定结果趋势一致。
由上可知，本发明的热值检测方法中纳米碳氢燃料不进行烘干处理，对其固相、液相、气相三者进行全态检测，从而测定其热值，检测方法简便易行，测得纳米碳氢燃料的热值全面且准确。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米碳氢燃料的热值检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，将纳米碳氢燃料与混燃剂混合，得到试样，将所述试样在热值检测系统中进行热值检测，并进行热值校正，得到所述试样的热值Q1：
步骤S2，从所述试样的热值Q1中扣除所述混燃剂的热值Q0，得到所述纳米碳氢燃料的全态热值Q2：
步骤S3，根据所述纳米碳氢燃料的固含量α，计算所述纳米碳氢燃料的固体热值Q3；
其中，所述混燃剂包括乙醇、柴油和汽油的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的热值检测方法，其特征在于，
在所述步骤S1之前，所述热值检测方法还包括：在所述热值检测系统中，使用标定热物质进行热值检测，得到系统热容E；
所述步骤S1中，根据公式(1)计算所述试样的热值Q1：
其中，tn为所述热值检测系统的起始温度，单位为℃；t0为所述热值检测系统的最终温度，单位为℃；C为冷却校正值，单位为K；q1为点火热，单位为J；m为所述试样的质量，单位为g。
3.根据权利要求2所述的热值检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据公式(2)计算所述纳米碳氢燃料的全态热值Q2：
其中，q2为所述混燃剂产生的总热量，单位为J。
4.根据权利要求3所述的热值检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据公式(3)计算所述纳米碳氢燃料的固体热值Q3：
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热值检测方法，其特征在于，所述热值检测系统包括弹筒热量计系统或热重DSC分析系统。
6.根据权利要求2所述的热值检测方法，其特征在于，所述标定热物质包括苯甲酸、乙醇和柴油的一种或多种。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的热值检测方法，其特征在于，
所述纳米碳氢燃料的质量百分浓度为20～50％；和/或
所述纳米碳氢燃料与所述混燃剂的质量比为1:(1.2～1.4)。
8.根据权利要求7所述的热值检测方法，其特征在于，
当所述纳米碳氢燃料的质量百分浓度为20～30％时，所述纳米碳氢燃料与所述混燃剂的质量比为1:(1.31～1.4)；和/或
当所述纳米碳氢燃料的质量百分浓度为31～50％时，所述纳米碳氢燃料与所述混燃剂的质量比为1:(1.2～1.3)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的热值检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，将所述纳米碳氢燃料与所述混燃剂混合的过程包括：将装有所述纳米碳氢燃料的容器震荡35～45次，从容器中部抽取并放回所述纳米碳氢燃料3～5次，以进行预取样，然后抽取所述纳米碳氢燃料与所述混燃剂混合。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的热值检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，在将所述试样进行所述热值检测之前，所述混燃剂与空气的接触时间≤30s。
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