新型丙烷切割燃气的气割成本分析
2008/7/29/16:03 来源：中国焊接资讯网徐志兵 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。
关键词 节能 气割 丙烷气
Cost Analysis of New Type Propane Gas Cutting
Xu Zhibing An Qing Petrochemical Plant Cheng Qunce
（An Qing Normal College）
Abstract By theoretical inference and calorific value calculation method, theoretical economic ratio of making use of propane gas is found out.Although the total calorific value of oxypropane flame is higher than that of oxyacetylene flame, its first calorific value is lower,so its burning temperature is lower and its heating time is longer.When propane gas cutting low-carbon steel plate,the cost varies with the thickness of the steel plate.The cost droppes remarkably when cutting thick steel plate.
Key words energy saving，gas cutting，propane gas
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(C3H8)分子量为44.06，在0℃气态时的密度为2.014g/L［1］, 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2.3％～9.5％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515～543℃，比乙炔的燃点 (406～440℃) 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：
C3H8+5O2=3CO2+4H2O+2 219.1(kJ)(1)
乙炔(C2H2)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：
2C2H2+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100～130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0.49～0.58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 % 。
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：2C3H8+3O2=6CO+8H2 (3)
乙炔：C2H2+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+8H2+7O2=8H2O+6CO2 (5)
乙炔：4CO+2H2+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/% |
10041 94416 104457 9.6 |
19083 36162 55245 34.5 |
由表1 可知，丙烷的总热值虽然很高，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+O2=2FeO+533(kJ) (7) 6FeO+O2=2Fe3O4+644(kJ) (8) 4Fe3O4+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，再由割炬中喷出高速切割氧，使已预热的钢板按式（7～9）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。 |
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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。 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。 徐志兵（安庆师范学院化学系 246011） 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 |
