1、新型丙烷切割燃气的气割成本分析徐志兵 程群策【摘要】采用理论推导和热值计算法，可求出使用丙烷气的理论节约率。氧丙烷焰比氧乙炔焰的总热值高，但一次热值低，因此燃烧温度低，预热时间较长。用于低碳钢板气割时，气割成本随板厚不同而变化。用于厚钢板气割时，节约成本显著。工业上多用溶解乙炔作为焊接、气割用燃气。随着我国石化工业的发展，在炼油副产品丙烷中加入少量添加剂，制成的新型焊割用燃气，可克服乙炔的缺点,其经济效益显著。研究这种新型丙烷气的燃烧特点及其使用成本，有利于正确使用丙烷气和降低生产成本。燃气特性及完全燃烧时的成本丙烷(C 3H8)分子量为44.06，在0气态时的密度为2.014g/L 1 ,
2、比空气重。逸出时易沉积于地面上的凹坑、地沟处，遇火就会燃烧。在空气中的体积比为2.39.5时，遇火星还会爆炸。工业应用时应注意场地平整，通风良好，严防丙烷逸出，同时严禁烟火。丙烷在氧气中的燃烧速度为4m/s, 比乙炔的燃烧速度 (8m/s) 低得多，故氧丙烷气不易产生回火。丙烷在空气中，气压为0.1MPa下的燃点为515543，比乙炔的燃点 (406440) 高 2，3 , 要用明火才能点燃丙烷。因此丙烷较乙炔相对安全，但使用丙烷气时必须另配明火点火装置。丙烷的气态标准燃烧热为 -2219.1 kJ/mol, 它在氧气中完全燃烧时的化学反应方程式为：C 3H8+5O2=3CO2+4H2O+2
3、219.1(kJ)(1)乙炔(C 2H2)分子量为26.01, 在0、气态时的密度为1.173g/L, 比空气轻。乙炔的气态标准燃烧热为 -1299.6 kJ/mol, 在氧气中完全燃烧时的化学反应方程式为：2C 2H2+5O2=2CO2+2H2O+2 599.2(kJ)(2)由式 (1) 和式 (2) 可分别计算出1mol 丙烷及等价热量的乙炔完全燃烧所需的生产成本 (按丙烷气市价100130元/15千克，乙炔60元/5千克，氧气等价热量时,1.75元/米 3)：按此计算1mol,丙烷气成本为0.490.58元,等价热量时,乙炔成本为0.7元。这样，使用丙烷的成本节约率为17.14 % 。
4、这种成本计算的前提是完全燃烧，且燃烧产生的热量完全被利用 (或两种燃气的热量利用系数相等) 。燃气在工业炉窑 (如热处理炉、锻造加热炉 ) 中的燃烧基本符合上述情况。用于钢板气割时的成本实际上，丙烷气和乙炔的燃烧是以两次燃烧的形式进行的。将它们用于钢板焊割时，一次燃烧是燃气和氧气的混合气从焊、割炬口喷出时形成的：丙烷：2C 3H8+3O2=6CO+8H2 (3)乙炔：C 2H2+O2=2CO+H2 (4)一次燃烧的产物为 CO 和 H2，燃烧产生的热量为一次火焰热值。一次燃烧形成焊、割炬的内焰，它是火焰中最明亮的区域，也是温度最高的区域。中性焰时，氧丙烷焰温度可达2 520，氧乙炔焰温度更高达
5、3 100 4 。一次燃烧的产物 CO 和在内焰的外部与 O2继续反应进行二次燃烧：丙烷：6CO+8H 2+7O2=8H2O+6CO2 (5)乙炔：4CO+2H 2+3O2=4CO2+2H2O (6)二次燃烧的产物是 H2O 和 CO2。二次燃烧形成焊、割炬的外焰，产生的热量也即燃气的二次火焰热值。表1为丙烷和乙炔的两次燃烧热值 5，6 。表1 丙烷和乙炔的两次燃烧热值燃 气 丙烷 乙炔一次火焰热值/(kJ.m3)二次火焰热值/(kJ.m3)总热值/(kJ . m3)一次热值：总热值/%10041944161044579.619083361625524534.5由表1 可知，丙烷的总热值虽然很
6、高，但一次火焰热值较小，不到总热值的10%，而乙炔的一次热值占总热值的30%以上。乙炔的一次火焰热值是丙烷的1.9倍。因此，乙炔气的火焰温度比丙烷气的要高得多。在钢板的气割中，由于 Fe 在970以上能和 O2反应，按照逐级转化的方式，先氧化成 FeO, 再生成黑色的 Fe3O4, 当 O2的分解压较高时还会进一步生成红棕色的 Fe2O3。这些反应均有热量放出 7，8 ：2Fe+O 2=2FeO+533(kJ) (7)6FeO+O 2=2Fe3O4+644(kJ) (8)4Fe 3O4+O2=6Fe2O3+448(kJ) (9)钢板气割时,先用氧燃气焰将工件切割处预热至钢板能发生剧烈氧化的温度
7、，再由割炬中喷出高速切割氧，使已预热的钢板按式（79）燃烧，生成的氧化物被切割气流吹掉，从而完成切割。可见气割时氧燃气焰的作用是预热钢板、切割氧，保证切割点处钢板的氧化反应温度。由于钢板切割时的热反应复杂且影响因素较多，需对两种燃气的使用成本进行对比试验。试验在数控气割机上进行，试验材料为 Q235A 钢板，氧气纯度 99.5%, 气割质量以符合 JB 3092-82火焰切割面质量技术要求标准的表面粗糙度1级和平面度1级为准。乙炔采用 GK1型割嘴，丙烷采用 GKJ3型割嘴。由于丙烷的燃烧温度较低，气割时预热时间较长。图1 乙炔、丙烷气的气割成本曲线图注：丙烷1价格为130元/ 15千克，丙烷
8、2 价格为100元/15千克由图1可知,当钢板厚度60mm 时，两种燃气的使用成本相差不大。使用乙炔比使用130元/15千克价格的丙烷气成本略低。但60mm 以上钢板采用丙烷气割节约成本显著。丙烷气价格在100元/15千克时，采用丙烷气割对各种板厚均节约成本。这显然有利于丙烷气的推广应用。试验结果表明,板厚60mm 的钢板气割时，由于丙烷气的二次热值很高，气割时二次热值未充分利用而钢板已割通，因而使用丙烷气的热量利用率低。在厚板切割时，两种燃气的热值都能得到较充分地利用，而丙烷气的总热值较高，因此丙烷气的气割成本较低。板越厚，使用丙烷气节约成本越显著。理想情况下，可达到前面所述完全燃烧情况下使
9、用丙烷气的成本节约率。结 语1. 采用丙烷气切割不易产生回火，使用相对安全。但应注意防止丙烷气沉积于低洼处造成事故。2. 在完全燃烧状态下，使用丙烷气作气割用燃气可比乙炔节约成本17.14%30%。实际使用丙烷气进行钢板气割时，气割成本随板厚不同而变化，切割厚板节约成本显著。3.当丙烷气价格不高于100元/15千克时，采用丙烷的气割成本较乙炔显著降低，有利于丙烷气的推广应用。责任编辑 吕德隆徐志兵（安庆师范学院化学系 246011）程群策（安庆石油化工总厂 246001）参考文献1，韩建成编，简易化学手册(第二版).上海教育出版社, 1982 2，R.C.Weast: Handbook of Chemistry and Physics, 55th edition, Chemical Rubber Publishing Company, 197419753，上海师范大学等合编.物理化学(第三版).高等教育出版社,1991.34，中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册.机械工业出版社,1992.125，美国焊接学会编.黄静文等译.焊接手册.机械工业出版社,1986 6，傅积和,孙玉林编.焊接数据资料手册.机械工业出版社,1994.67，董若景编.冶金原理.机械工业出版社,1980,7 8，丁培墉编.物理化学.冶金工业出版社,1979,7
