王启文-焊割燃气对比探讨_浙江省工业气体协会
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王启文-焊割燃气对比探讨
焊割燃气对比探讨
(王启文  绍兴上虞溶解乙炔气有限公司)
 
主题词:焊割燃气  发展历程 基本物理性能 化学特性 经营供气方式
 
目前,国内工业用焊割燃气 ,主要以溶解乙炔、工业丙烷、天然气为主,且已有三足鼎立之趋势。三种焊割燃气生产者,在向用户推介焊割燃气时,均从自身利益出发,宣称自身产品为最优,众说纷纭,莫衷一是,导致使用者选用焊割燃气产生极大困扰。作为工业气体行业,依法向广大用户合理推荐各种焊割燃气,指导用户安全可靠使用焊割燃气,显得很有必要。为此,本文拟对溶解乙炔、工业丙烷、天然气等三种焊割燃气,从发展历程、基本物理性能、化学特性和经营方式,进行系统化对比研究,使广大用户从各自需求出发,经济合理、安全可靠地选用焊割燃气。
    1  焊割燃气发展历程
焊割燃气的领先使用,非溶解乙炔莫属。溶解乙炔在我国已有近百年的发展历史,发端于1920年上海芦家湾;由原国家劳动总局以“节省能源、安全可靠、减少公害、使用方便”推广自1981年,随后在全国普及使用;1990年以后,国家有关部门相继制定发布了与溶解乙炔有关的一系列标准、规定,使我国的溶解乙炔行业走上了有序健康发展之路,获得了溶解乙炔用户的广泛首肯。丙烷在国内作为燃料使用,以“绿色奥运”的2008年北京奥运会所用火炬“祥云”为起点,从而获得用户认可。工业丙烷的开发应用,以石油裂化为基础,或以液化石油气精制所得。但在此之前,有部分单位以液化石油气冒充工业丙烷向用户兜售,鱼龙混杂,冲击了正常发展的焊割燃气市场。为了取代乙炔,各种基于丙烷、丙烯的“新型焊割气”纷纷面市亮相,以切割面光滑而被用户接受,但最终因其固有缺陷而未实现全功能取代。
    天然气的主要成分为甲烷,它作为一种清洁优质能源,已逐渐被用户所接受。自2001年以后,国内大力推广以天然气作为民用燃气,已与液化石油气并驾齐驱。目前,天然气作为工业用焊割燃气,也已逐渐步入正轨研发阶段,推广使用可以预期,但能否全面取代乙炔,尚未能得出结论。
    2  焊割燃气基本物理性能对比
    作为焊割燃气,其技术依据为燃气的基本物理性能。为方便对比,查阅了有关工业气体手册及相关技术资料,给出乙炔、丙烷、甲烷的基本物理性能参数,详见表1焊割燃气基本物理性能参数对比表。 
表1:焊割燃气基本物理性能参数对比表
序号 基本物理性能参数 单位 乙炔 丙烷 天然气(甲烷)
1 分子式 / C2H2 C3H8 CH4
2 分子量 / 26.038 44.094 16.04
3 密度(101kPa,0℃) kg/m3 1.1747 2.005 0.7167
4 燃烧热值 MJ/kg 43.3 46.1 51.6
5 实测的氧火焰温度 3100~3350 2832 1850~2540
6 着火点温度 305 510 645
7 氧气中的燃烧速度 m/s 7.5 2.0 3.3
8 空气中的爆炸极限 10-2 2.3~72.3 2.3~9.5 5.3~14.0
从表1对比研究,焊割燃气的燃烧热值,乙炔较小,丙烷居中,天然气较大。但火焰温度却是乙炔最高,丙烷次之,天然气最低。故影响焊割燃气的火焰温度,不仅仅取决于燃烧热值,而有其它很多因素。如着火点温度的高低,很显然直接影响燃烧速度和燃烧效率,从而影响燃烧火焰的温度大小。 
    3  焊割燃气化学特性对比
三种焊割燃气与氧气的化学反应分别如下:
    (1)乙炔燃烧的化学反应方程为:2C2H2十5O2=4CO2十2H2O
    (2)丙烷燃烧的化学反应方程为:C3H8十5O2=3CO2十4H2O
    (3)天然气燃烧的化学反应方程为:CH4十2O2=CO2十2H2O
    三种焊割燃气在消耗相等重量(以1kg计量)时,同时消耗的氧重量及生成物(二氧化碳和水)的重量,详见表2焊割燃气化学特性参数对比表。
表2:焊割燃气化学特性参数对比表
序号 化学特性参数 单位 乙炔 丙烷 天然气(甲烷)
1 分子量 / 26.038 44.094 16.04
2 焊割燃气消耗量 kg 1 1 1
3 理论耗氧量 m3/m3 2.5 5.0 2.0
4 kg/kg 3.08 3.64 4.0
5 生成物二氧化碳重量 kg 3.384 3.0 2.75
6 生成物水重量 kg 0.694 1.64 2.25
7 燃烧产物总重量 kg 4.077 4.64 5.0
从表2对比研究,在消耗相等重量燃气时,完全燃烧所需的氧消耗量,乙炔最少,丙烷居中,天然气最高;相应的燃烧产物总重量与氧消耗量同步。其中,生成物二氧化碳为气态,燃烧时自然发散于周围环境;但生成物水为液态,由液态水吸热汽化变成气态水,需要消耗较多汽化热。生成物中水含量越大,消耗汽化热越大,反之亦然。故乙炔燃烧的化学反应过程,虽其燃烧热值略小,但因生成物水汽化热消耗较小,实际产生的重量燃烧热值却是最大。理论上分析,重量燃烧热值所能将总的燃烧产物加热的最终温度,即为燃烧的火焰温度。因此,乙炔的火焰温度可达最高,丙烷次之,天然气最低。同理,乙炔在氧气中或空气中的燃烧(或爆炸)危险性也最大。 
    4  焊割燃气经营供气方式对比
    焊割燃气经营供气方式主要有:瓶装供气、集中供气、管道输送供气、槽车运输供气等。三种焊割燃气经营时,釆用的供气方式,详见表3焊割燃气经营供气方式对比表。
表3:焊割燃气经营供气方式对比表
序号 供气方式 乙炔 丙烷 天然气(甲烷)
1 瓶装供气 溶解乙炔气瓶 液化丙烷气瓶 压缩天然气(CNG)气瓶
2 集中供气 溶解乙炔气瓶
汇流排
液化丙烷气瓶
汇流排
液化天然气(LNG)气瓶汇流排
及汽化器
3 管道输送供气 液化天然气(LNG)低温储槽
及汽化器(尚无长输管道输气)
4 槽车运输供气 液化丙烷储槽 液化天然气(LNG)储槽和
大容积压缩天然气(CNG)气瓶
从表3对比研究,一般釆用溶解乙炔气瓶、液化丙烷气瓶、压缩天然气(CNG)气瓶等专用气瓶,向用户分别供应溶解乙炔、工业丙烷、天然气等焊割燃气。在焊割燃气使用量较大的场所,还釆用专用气瓶汇流排集中供气。但天然气集中供气时,大多釆用液化天然气(LNG)气瓶汇流排及汽化器。釆用管道输送供气,以液化天然气(LNG)低温储槽及汽化器领先。但因技术原因,目前尚无长输管道供应焊割燃气。因气态乙炔存在易燃易爆的特殊危险性,目前尚无法釆用槽车运输供气。液化丙烷和液化天然气(LNG),一般釆用槽车运输,并用专用储槽储存使用。此外,压缩天然气(CNG)还釆用长度大于8米以上的大容积钢质无缝气瓶专用车运输供气。
从上述对比研究可知,首先,乙炔作为焊割燃气,性能最佳,功能全面,既能用作加热及热喷涂和淬火处理等燃气,又能不受厚度限制用作切割、穿孔燃气,还能用于金属熔接焊燃气,但仅有溶解乙炔气瓶可供运输储存。其次,基于丙烷的焊割燃气,切割面光滑程度优于乙炔,但由于火焰温度低,在切割预热时间上达不到乙炔的水平,且无法对黑色金属进行熔接焊,故无法全功能取代乙炔。此外,天然气在氧气中燃烧,其火焰温度仅有2000℃左左,远低于乙炔在氧气中燃烧的火焰温度,在切割预热时间上也达不到乙炔的水平,制约了天然气作为焊割燃气的推广应用。目前,国内有识之士,正以提高天然气火焰温度、改善天然气燃烧性能作为研究重点,期望取得重大突破,实现全面取代乙炔的目标。(2018年10月12日)