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      水電解氫氧焊割機(jī)的實用性研究

      2017-07-25 09:18:25石建設(shè)
      中國鋼鐵業(yè) 2017年4期
      關(guān)鍵詞:氫氧焦?fàn)t煤氣混合氣

      石建設(shè)

      水電解氫氧焊割機(jī)的實用性研究

      石建設(shè)

      用水電解制得氫氧混合氣,可以取代氧氣和乙炔氣進(jìn)行金屬切割和焊接。本文對這種新工藝進(jìn)行了實驗分析和經(jīng)濟(jì)性分析。

      氫氧混合氣 乙炔 切割

      1.引言

      能源是人類社會存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。自工業(yè)革命以來,建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎(chǔ)上的能源體系極大地推動了人類社會的發(fā)展。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開能源,但化石燃料資源的日益稀缺和環(huán)境保護(hù)要求的逐步嚴(yán)格給經(jīng)濟(jì)發(fā)展提出了更高要求。

      目前,我國鋼鐵企業(yè)在連鑄坯切割中廣泛采用乙炔氣和丙烷氣。丙烷氣是石油化工的副產(chǎn)品,其燃點高,燃燒速度慢,化學(xué)性質(zhì)不活潑,一般用于燃料。20世紀(jì)60年代起,國際上就開始進(jìn)行工業(yè)化使用實驗,陸續(xù)開發(fā)出特利氣、霞普氣、佛來瑪克斯氣、凱騰氣等,實質(zhì)上這些都是在丙烷中加入各種添加劑或一定比例的丙烯。由于丙烷、丙烯是石油化工的副產(chǎn)品,因此受產(chǎn)地、批次以及添加劑性能、數(shù)量的影響,很難保證其使用效果的穩(wěn)定性(通常在冬季低溫下汽化效果不理想)。

      表1 氫氧混合氣與乙炔的燃燒特性

      丙烷(C3H8)燃燒的化學(xué)方程式為:C3H8+5O2=3CO2+4H2O,可知每消耗一個單位體積的丙烷需要5倍單位體積的混合氧氣。乙炔作為傳統(tǒng)燃?xì)馇懈罴庸そ饘?,火焰溫度高、熱值大,但由于乙炔生產(chǎn)成本高,用于連鑄切割噸鋼成本在4元以上,同時存在安全、污染等問題,目前已經(jīng)很少有廠家采用氧乙炔火焰切割連鑄坯。

      2.QYJ-24000型水電解氫氧焊割機(jī)的特點

      QYJ-24000型水電解氫氧焊割機(jī)利用普通水通過電解產(chǎn)生氫氧氣,進(jìn)行氣焊、切割和各種火焰加工,具有明顯的節(jié)能、安全、清潔、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點。被列為“八五”國家重點新技術(shù)推廣項目。其主要技術(shù)參數(shù)為:產(chǎn)氣量24000L/h,火焰溫度2800℃-3000℃,最大切割厚度<380mm,耗電量70kWh/h。

      3.氫氧混合氣與乙炔的實用性對比

      3.1 燃燒特性

      燃?xì)獾膶嵱眯允芷淙紵匦缘挠绊?,燃燒特性包括燃燒熱值、燃燒速度和燃燒溫度,氫氧混合氣與乙炔的燃燒特性見表1,可以看出氫的燃燒熱值火焰溫度比乙炔低得多,但是其燃燒速度比乙炔快,可以部分彌補(bǔ)其燃燒熱值低、火焰溫度低的不足。

      3.2 切割速度和預(yù)熱時間

      切割速度及預(yù)熱時間直接影響工作效率,也決定氫氧焊割機(jī)能否得到推廣的一個重要因素。在金屬切割時,金屬在加熱達(dá)到燃點以后,其切割速度取決于每單位體積金屬燃燒反應(yīng)所需的氧氣量,以及與氧氣壓力、割矩和噴嘴型號尺寸有關(guān),而對燃?xì)馊紵郎囟葻嶂档挠绊戄^小。另外,金屬氧化反應(yīng)所放出的熱量可以彌補(bǔ)氫氣熱值低的不足。理論分析和試驗結(jié)果都證明,用氫氣和乙炔進(jìn)行切割,其速度基本相同。為掌握氧乙炔和氫氧混合氣進(jìn)行切割時所需的預(yù)熱時間,進(jìn)行的一系列具有可比性的試驗表明,隨著金屬板厚度的增加,其預(yù)熱時間也會增加。用氫氧焰切割厚度在40mm以下的碳鋼板時,預(yù)熱所需時間與氧乙炔焰基本相同,僅在切割70mm以上的厚碳鋼板時,氫氧焰預(yù)熱時間比氧乙炔焰多2秒-5秒,基本不影響實際操作。

      3.3 耗氣量

      氫氧混合氣能否替代乙炔,還取決于切割一定厚度所需的燃?xì)饬髁考扒懈钛趿髁?,因為這在很大程度上決定了使用經(jīng)濟(jì)性。用氫氧焰和乙炔焰切割時所需的燃?xì)饬考扒懈钛趿吭囼灲Y(jié)果見圖l、圖2。

      圖1 氫氧混合氣、乙炔的消耗量與被切割金屬板厚度的關(guān)系

      圖2 氫氧混合氣消耗量與被切割金屬板厚度的關(guān)系

      從以上看出:(1)在相近條件下。切割金屬板時,氫氧混合氣的消耗量是乙炔氣的消耗量的3倍左右,也就是說,消耗3立方米的氫氧混臺氣相當(dāng)于消耗1立方米的乙炔氣。(2)由于氫氧混合氣中含有1/3的氧氣,切割所消耗的切割氧比用乙炔低10%-20%。(3)用氫氧混合氣進(jìn)行金屬切割與乙炔相比,消耗的總氣體量(燃?xì)?、切割?相差不多。因此,使用氫氧混合氣代替乙炔氣切割時,仍可使用原型號的割矩及噴嘴。

      表2 丙烷氣使用成本 m3,元

      4.連鑄坯氫氧火焰切割經(jīng)濟(jì)分析

      QYJ-24000水電解氫氧發(fā)生器在濟(jì)源鋼鐵公司連鑄生產(chǎn)線作為燃?xì)庠从糜阼T坯切割,現(xiàn)將150mm×150mm連鑄坯氫氧火焰切割的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

      4.1 基本數(shù)據(jù)

      (1)按四機(jī)四流設(shè)計產(chǎn)量80萬噸計算,12m定尺。

      (2)拉速為2.7m/min,切割周期按45s計算。

      (3)氧—氫氧氣切割:切割150mm×150mm方坯,氫氧發(fā)生器每流每小時實際耗電量25千瓦·時,電費按0.5元/度計算。

      (4)管道氧氣0.5元/m3,焦?fàn)t煤氣1.2元/m3,噸鋼生產(chǎn)成本按2500元/噸計算。

      (5)切割槍燃?xì)饬髁浚?6m3/h

      (6)基本數(shù)據(jù)計算:

      單根鋼坯重

      0.15 m×0.15m×12m×7.8t/m3=2.106t

      折合鋼坯數(shù)量 800000t÷2.106t/根=379867根

      鋼坯單位重量(t)0.15m×0.15m×1m×7.8t/m3=0.1755t

      4.2 丙烷氣、焦?fàn)t煤氣及其他燃?xì)?、氫氧氣的使用成?/p>

      (1)氧—丙烷火焰

      丙烷(C3H8)燃燒的化學(xué)方程式為:C3H8+5O2=3CO2+4H2O,可知每消耗一個單位體積的丙烷需要5倍單位體積的混合氧氣。

      每次切割丙烷耗量:16m3/h÷3600s/h×45s=0.20 m3

      每次切割混和氧氣耗量為:0.20m3×5=1.0m3

      表1為丙烷氣計算的使用成本(斷火)。丙烷價格以4500元/噸計算,折合成單位體積價格為:8.33元/m3。

      (2)焦?fàn)t煤氣、乙炔

      乙炔(C2H2)燃燒的化學(xué)方程式為2C2H2+5O2=4CO2+2H2O

      一氧化碳(CO)燃燒的化學(xué)方程式為2CO+O2=2CO2

      凈化后的焦?fàn)t煤氣是無色,有臭味的有毒氣體,其主要成分是H2(60%)、CH4(22%-26%)、CO(6%-9%)、CnHm(4.5%)及CO2、N2、O2等雜質(zhì)。根據(jù)成分折算,焦?fàn)t煤氣燃燒需要混合氧氣體積比基本上是1:1,即可計算出焦?fàn)t煤氣噸鋼耗氧(150mm×150mm截面,12m定尺)為0.14元/噸。焦?fàn)t煤氣價格在1.2元/m3左右,噸鋼直接使用成本≤1.3元/噸,比氫氧氣略高,但其附屬設(shè)施(回收凈化、加壓、煤氣柜儲存、管網(wǎng)、安全)投資維護(hù)費用很高,如果是為了連鑄切割而單獨投資是不經(jīng)濟(jì)的。

      乙炔作為傳統(tǒng)燃?xì)馇懈罴庸そ饘?,火焰溫度高、熱值大,但由于乙炔生產(chǎn)成本高,用于連鑄切割噸鋼成本在4元/噸以上,同時存在安全、污染等問題,目前已經(jīng)很少有廠家采用氧乙炔火焰切割連鑄坯。

      (3)氫氧氣

      水(H2O)電解的化學(xué)方程式為 2H2O=2H2+ O2

      氫氣(H2)燃燒的化學(xué)方程式為 2H2+O2=2 H2O

      水電解制取的氧氣本身就滿足了氫氣燃燒的需要,因此不需要消耗低壓氧(或稱混合氧),可以省下大量的混合氧費用,其直接使用成本只與電費有關(guān)。在不斷火的情況下,氫氧氣切割連鑄坯噸鋼成本與拉速成反比,與定尺無關(guān)。見表3。

      表3 采用氫氧氣不熄火切割、斷火切割連鑄坯的經(jīng)濟(jì)效益分析

      注:根據(jù)實際統(tǒng)計氫氧發(fā)生器每流備件年需<1.2萬元。

      5.效益對比

      連鑄坯采用氫氧火焰切割與采用其他燃?xì)庀啾冉?jīng)濟(jì)效益顯著。見表4。

      表4 采用氫氧氣、丙烷燃?xì)獾慕?jīng)濟(jì)效益對比 元,萬元

      注:150mm×150mm截面、12m定尺、年產(chǎn)80萬噸連鑄坯。

      6.鋼坯成品的影響

      由于其他燃?xì)饨橘|(zhì)都含有碳元素,F(xiàn)e+C→FeC,因此在連鑄坯切割后掛渣多且發(fā)粘,不易清理,在軋鋼前需要專門精整。而氫氧氣切割同種連鑄坯掛渣少,且由于氫脆現(xiàn)象掛渣脆易清理。同時,由于氫氧氣火焰挺直度好,切割斷面平整。

      7.安全性

      7.1 乙炔氣

      乙炔屬不飽和烴,是一種窒息性氣體,化學(xué)性質(zhì)活潑,易燃易爆,著火溫度為406℃-440℃,與空氣混合的爆炸極限是2.5%-80.0%,與空氣相對密度15.6℃時0.906。泄漏時擴(kuò)散慢,極易發(fā)生著火、爆炸等安全事故,必須按照嚴(yán)格的技術(shù)、安全操作規(guī)程使用。

      7.2 丙烷氣

      丙烷屬飽和型碳?xì)浠衔?,著火溫度?15℃-543℃,與空氣混合的爆炸范圍較窄,極限是2.3%-9.5%,與空氣相對密度15.6℃時1.52,本身毒性大,會嚴(yán)重危害人身健康。由于其燃燒速度慢,不易回火。但泄漏時在低洼處形成聚積,必須按照嚴(yán)格的技術(shù)、安全操作規(guī)程使用。

      7.3 焦?fàn)t煤氣

      凈化后的焦?fàn)t煤氣是無色,有臭味的有毒氣體。著火溫度為550℃-650℃,與空氣混合的爆炸極限是4.27%-37.59%。易發(fā)生中毒、著火、爆炸等安全事故。

      7.4 氫氧氣

      氫氧氣價格低廉、無污染,符合環(huán)保要求,氫氣無毒,不會危害操作人員的身體健康。著火溫度為580℃-590℃,與空氣混合的爆炸極限是4.0%-74.2%,與空氣相對密度15.6℃時0.069。水電解氫氧發(fā)生器工作壓力低,不儲存,隨產(chǎn)隨用,且氫氣比重小,易飛散,即使泄漏也不會聚積,不會發(fā)生燃?xì)庹颈ǖ葠盒允鹿?。同時,氫氧發(fā)生器不是壓力容器,不在社會勞動安全部門管轄的范圍內(nèi),而其他任何燃?xì)獾氖褂枚家ㄟ^社會勞動安全部門監(jiān)管。

      8.節(jié)能環(huán)保

      氫氧混合氣無毒、無味,燃燒后的生成物為水,對環(huán)境無任何污染,是一種最清潔的燃料,對于改善操作者的勞動條件具有重要的意義.能適合于對衛(wèi)生要求很高的醫(yī)藥行業(yè)的藥劑玻璃封口的燒制.燈具封口的燒制和金銀首飾的熱加工等。

      9.總結(jié)

      綜上所述,電解水制氫技術(shù)有著較大優(yōu)勢,對鑄件的切割質(zhì)量有著較大的提高。將給我國冶煉產(chǎn)業(yè)在節(jié)能減排等領(lǐng)域帶來極好的發(fā)展空間。如今,制氫設(shè)備已完全具備在任何鋼鐵企業(yè)連鑄坯生產(chǎn)線上連續(xù)工作的能力。為進(jìn)一步拓寬市場奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著電解水制氫技術(shù)的不斷成熟,電解水制氫技術(shù)終將成為新能源領(lǐng)域不可或缺的一員。

      [1]孟昭光,我國熱切割設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)狀,存在的問題與發(fā)展戰(zhàn)略的分析與建設(shè)。第六屆全國焊接學(xué)術(shù)會議論文集(第一集)。1990.

      [2]北京師范大學(xué),華中師范大學(xué),南京師范大學(xué)編 無機(jī)化學(xué)(上冊)北京;高等教育出版社1986。

      [3]王建輝,水電解制氫設(shè)備的安全與維護(hù).2006.

      [4]Rosalie Broslow. Welding Design Fabrication.Fuel Gases for Cutting Part1,2,1989(4),(5)

      (作者單位:唐山曦源科技有限公司)

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