氫氧能源機(jī)的工藝技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用

摘 要： 中國五礦長沙礦山研究院研發(fā)的氫氧能源機(jī)由IGBT逆變電源、自動控制系統(tǒng)、氫氧發(fā)生功能模塊、主水箱、副水箱、水氣分離系統(tǒng)、壓力自動偵測系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、防回火系統(tǒng)等功能單位系統(tǒng)組成。其工藝和技術(shù)都高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，安全性能很高，切割工藝的適應(yīng)性較強(qiáng)，且更加經(jīng)濟(jì)、安全。可在替代高能耗、高污染的傳統(tǒng)燃?xì)庠O(shè)備在鋼鐵切割、汽車發(fā)動機(jī)除碳、醫(yī)療垃圾焚燒、鍋爐催化燃燒、針劑拉絲封口、民用燃?xì)獾榷鄠€領(lǐng)域得到推廣和普遍應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 氫氧能源機(jī)； 切割工藝； 自動控制； IGBT逆變電源

中圖分類號： TN05?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0122?03

Technology advantages and application of hydroxide energy machine

QU Feng1， HU Min2

（1. Changsha Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Changsha 410012， China；

2. Foreign Language Department， Hunan College of Finance and Economic， Changsha 410205， China）

Abstract： The hydroxide energy machine developed by Changsha Institute of Mining Research is composed of IGBT inverter power supply， automatic control system， hydroxide generation function module， main water tank， auxiliary water tank， water and gas separation system， pressure automatic detection system， cooling system， medium circulating system， anti tempering system and other function systems. Its process and technology are better than those of industry standard. The hydroxide energy machine has strong adaptability in the cutting process and is more economic and safe. It can replace the traditional high energy consumption and high pollution gas equipments， and will be popularized and widely used in steel cutting， automobile engine carbon elimination， medical waste incineration， catalytic combustion of boiler， injection sealing， and civil gas application.

Keywords： hydroxide energy machine； cutting technology； automatic control； IGBT inverter power supply

1 氫氧切割能源機(jī)基本原理

氫氧能源機(jī)是中國五礦長沙礦山研究院研發(fā)的一種氫氧清潔能源設(shè)備。能源機(jī)由IGBT逆變電源、自動控制系統(tǒng)、氫氧發(fā)生功能模塊、主水箱、副水箱、水氣分離系統(tǒng)、壓力自動偵測系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、防回火系統(tǒng)等功能單元系統(tǒng)組成。主要用于鋼鐵切割、汽車發(fā)動機(jī)除碳、醫(yī)療垃圾焚燒、鍋爐催化燃燒、針劑拉絲封口、民用燃?xì)獾榷鄠€領(lǐng)域。其工作的基本原理如圖1所示。

圖1中示意：水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成，水經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)，可以分解產(chǎn)生氫氣和氧氣。氫氧發(fā)生器采用電化學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、流體動力學(xué)以及自動控制系統(tǒng)工程學(xué)等交叉科學(xué)的最新研究成果。通過氫氧切割能源機(jī)的IGBT逆變技術(shù)的電解電源給電解槽的特殊材料極板電極供電，電解槽內(nèi)設(shè)置有按一定規(guī)律的多組電解槽，每組電解槽（專利技術(shù)）都由正極和負(fù)極組成。水分子在電解介質(zhì)中分解成陽離子（H+）和陰離子（OH-），陰極產(chǎn)生氫氣，陽極產(chǎn)生氧氣。電化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

2 氫氧能源機(jī)技術(shù)性能與優(yōu)勢

2.1 氫氧能源機(jī)的技術(shù)性能

中國五礦長沙礦山研究院在氫氧能源機(jī)的研制上取得了突破，獲得了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成果。氫氧能源機(jī)的水電解氫氧混合氣體發(fā)生器已獲得六項(xiàng)國家實(shí)用新型專利和一項(xiàng)發(fā)明專利。

其研發(fā)的氫氧能源機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)如下：

電源輸入：380 V；額定容量：31 kVA；最大使用實(shí)際工作功率：31 kW；工作氣壓：<0.2 Mpa；相對濕度：[<90]%；最大產(chǎn)氣量（L/h）：10 000±5%；耗水量：<7 kg/h。

工作介質(zhì)：純凈水；冷卻方式：風(fēng)冷；絕緣等級：F；電源防護(hù)等極：IP21S；火焰溫度：2 800～3 200 ℃；工作方式：連續(xù)工作。

體積：1 470 mm×850 mm×1 575 mm；重量：620 kg；最大切割厚度：400 mm；CO2排放量：0。

2.2 氫氧能源機(jī)的工藝技術(shù)優(yōu)勢

氫氧氣作為一種新興的能源介質(zhì)，1997年在濟(jì)源鋼鐵公司成功使用氫氧焰切割取代剪機(jī)切割120～120 mm連鑄坯。隨著工藝技術(shù)的不斷提高，采用氫氧焰切割碳鋼具有使用安全、成本低、無污染、切割斷口質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。氫氧切割在鋼鐵企業(yè)、造船企業(yè)、鋼構(gòu)業(yè)、機(jī)械制造業(yè)等中大型企業(yè)迅速普及。由于氫氧能源機(jī)既具有壓力檢測與控制、溫度檢測與控制、液位檢測與控制、自動加水控制、智能風(fēng)機(jī)、遠(yuǎn)距離遙控等人性化控制等控制功能，又具有缺水保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、回火保護(hù)（專利技術(shù)）、漏電保護(hù)、過溫保護(hù)等完善的保護(hù)功能。這些功能為氫氧能源機(jī)在連鑄切割應(yīng)用中提供了技術(shù)支持和安全保障。它在連鑄切割技術(shù)中占有絕對優(yōu)勢。

（1） 技術(shù)優(yōu)勢

中國五礦長沙礦山研究院對氫氧能源機(jī)的研究從“電源—發(fā)生器—安全措施—自動控制—應(yīng)用領(lǐng)域”等幾個方面有一個比較系統(tǒng)的技術(shù)鏈條，在氫氧能源機(jī)的本機(jī)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)兩方面均有自己的獨(dú)到之處，并且形成了自己的自主知識產(chǎn)權(quán)。

（2） 成本優(yōu)勢

氫氧能源機(jī)替代傳統(tǒng)燃?xì)馇懈畹闹饕獌?yōu)勢是運(yùn)行成本的優(yōu)勢。使用氫氧能源機(jī)切割，與傳統(tǒng)燃?xì)馇懈钕啾龋?jīng)實(shí)際測算氫氧能源機(jī)可以節(jié)省運(yùn)行成本50%以上氫氧氣切割與傳統(tǒng)切割所用氣體成本優(yōu)勢比較見表1。隨著能源的越來越緊張，傳統(tǒng)燃?xì)獾膬r格也越來越高，作為切割成本越來越高。而氫氧能源機(jī)的運(yùn)行成本主要是電費(fèi)，電費(fèi)的價格相對比較平穩(wěn)。并且，用氫氧氣切割可以省除低壓氧。

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：

① 氫氧機(jī)切割速度與乙炔相當(dāng)，比丙烷及液化氣快[14，]因此，與丙烷及液化氣切割相比，可提高工作效率；

② 氫氧機(jī)切割成本是乙炔成本的41%，是丙烷成本的54%，是液化氣成本的60%；

③ 氫氧機(jī)切割時無廢氣廢煙產(chǎn)生，對環(huán)境和人體不造成任何影響，有利于創(chuàng)造環(huán)保和健康的工作環(huán)境；

④ 氫氧機(jī)使用氧氣量較少，不需要助燃氧，節(jié)省氧氣30%，不需要燃?xì)馄?。因此，?jié)省了更換氧氣瓶的時間，進(jìn)一步提高了工作效率；

⑤ 氫氧機(jī)不再需要燃?xì)馄浚虼?，可?jié)約氣瓶的租用費(fèi)用；

⑥ 氫氧切割比其他燃?xì)飧羁p小，可以減少鋼鐵材料的損失。氫氧切割不掛渣，可以免除后續(xù)清理工件的時間。

（3） 安全優(yōu)勢

氫氧能源機(jī)產(chǎn)生的氣體壓力小，設(shè)計(jì)的工作壓力為0.05 mPa， 遠(yuǎn)小于高壓氣瓶。當(dāng)不用氣體時，自動停止產(chǎn)氣；用氣時自動開機(jī)產(chǎn)氣。因此氫氧氣的回火爆炸危險遠(yuǎn)小于氣瓶的危險。氫氧發(fā)生器是開機(jī)實(shí)時產(chǎn)氣，不貯存氣體，整機(jī)儲存氣體僅為0.000 28 m3，不存在泄漏的安全事故。氫氧發(fā)生器對萬一發(fā)生回火的情況也做了相應(yīng)的安全防范：能源機(jī)設(shè)有一個防止逆流的單向閥，即氫氧氣流動的方向是從機(jī)器向火焰槍方向流動，而不能反向流動。氫氧發(fā)生器設(shè)有一個泄壓閥，在發(fā)生回火時，逆流閥防止火焰流向設(shè)備內(nèi)部，回火的壓力大于0.3 mPa時，泄壓閥自動向外泄壓，防止爆炸發(fā)生。氫氧發(fā)生器設(shè)有多級水封防回火安全裝置?；鸩荒艽┻^水，起到安全阻火的作用。此外，由于氫氧焰回火時不會像汽油、液化氣那樣連續(xù)慢燃，只會產(chǎn)生一個瞬間的壓力，火焰會受壓力作用自動熄滅。氫氣無毒無味，不會對人體有任何傷害，氫氣很輕，即使泄漏也迅速逃向室外大氣層，不會形成向汽油一樣的聚集效應(yīng)。

3 氫氧能源機(jī)的應(yīng)用

3.1 氫氧能源機(jī)在切割工藝中的應(yīng)用

隨著工業(yè)企業(yè)的迅速發(fā)展，金屬加工行業(yè)的工業(yè)燃?xì)馇懈罴夹g(shù)、工藝、設(shè)備、材料等都有創(chuàng)新和發(fā)展。燃?xì)馇懈罴夹g(shù)也從原來的單一乙炔切割發(fā)展到更安全、環(huán)保、節(jié)能、清潔、高效多種多樣的燃?xì)?。氫氧氣切割是一種新型的碳鋼切割工藝方法，它與傳統(tǒng)燃?xì)馇懈钤诓僮鲗用嫔鲜腔鞠嗤?，差別在于氫氧切割技術(shù)采用的燃?xì)馐菤溲趸旌蠚狻⒍皇莻鹘y(tǒng)的乙炔、丙烷、金火焰、特利氣等氣體。

長沙礦山研究院研發(fā)的氫氧能源機(jī)的單機(jī)最大切割能力為 400 mm鋼板，完全滿足鋼廠方坯和板料切割厚度要求。運(yùn)行時間方面，它可以365天×24 h連續(xù)不停機(jī)運(yùn)行，暫載率為100%，因此，完全能滿足鋼廠24 h連續(xù)工作的要求。

在工作效率方面，氫氧切割火焰熱能集中，速度快于丙烷切割速度30%左右，因此，工作效率高于其他燃?xì)?，完全能滿足鋼廠切割工作量的要求；在切割品質(zhì)方面，氫氧切割預(yù)熱速度快、割縫小、斷面光滑、不掛渣、垂直度好，完全滿足鋼廠切割品質(zhì)的要求。此外，氫氧能源機(jī)全自動運(yùn)行，無需人工干預(yù)，與現(xiàn)有操作方式完全相同，操作易上手。

3.2 氫氧能源機(jī)在連鑄工藝中的應(yīng)用

氫氧焰的溫度與乙炔溫度相當(dāng)，高于丙烷溫度。由于氫氧焰的火焰集中特性，預(yù)熱速度、切割速度與乙炔相當(dāng)，并且快于除乙炔以外的任何其他燃?xì)?。隨著工藝技術(shù)的不斷提高，采用氫氧焰切割碳鋼具有使用安全、成本低、無污染、切割斷口質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。長沙礦山研究院在氫氧機(jī)項(xiàng)目上已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的理論研究和可行性試驗(yàn)工作，所研發(fā)的氫氧能源機(jī)具備的切割工藝是一種成熟的工藝。

與傳統(tǒng)燃?xì)馇懈钕啾龋瑲溲跄茉礄C(jī)可以節(jié)能40%以上，切割速度要快15%以上，割縫比傳統(tǒng)燃?xì)庑?5%，設(shè)備為即產(chǎn)即用，不儲存氣體，安全性大大提高，具有節(jié)能、安全、零排放等優(yōu)勢。已在幾百個工廠有十年以上的連續(xù)無故障運(yùn)行記錄?？稍阡撹F、造船、鋼構(gòu)、機(jī)械制造等需要連鑄工藝技術(shù)的中大型企業(yè)普及和應(yīng)用，可以解決傳統(tǒng)石化燃?xì)鈱B鑄坯進(jìn)行切割時產(chǎn)生的堵塞燒嘴、掛渣多、切割殘?jiān)y以清理、割縫寬、金屬損耗大、耗材量大、污染大等一系列問題。要提高鋼材和切割工藝的質(zhì)量，在連鑄坯切割工藝中使用氫氧切割技術(shù)十分必要。

3.3 氫氧能源機(jī)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

氫氧能源機(jī)輸出的產(chǎn)物為高熱燃?xì)狻獨(dú)溲鯕?，可以替代?dāng)前用的工業(yè)燃?xì)?，比如，乙炔、丙烷、特力氣、煤氣、石油氣和重油等。根?jù)工業(yè)行業(yè)的燃?xì)獾男枨蠛蜌溲跄茉礄C(jī)產(chǎn)氣量的大小，可以應(yīng)用到黑色金屬的切割、有色金屬和黑色金屬焊接、石化燃料的催化燃燒、制藥業(yè)和玻璃行業(yè)的加熱等多種行業(yè)和部門 。

4 結(jié) 語

通過分析對比氫氧切割能源機(jī)和傳統(tǒng)石化燃?xì)馇懈钤O(shè)備發(fā)現(xiàn)，氫氧切割替代傳統(tǒng)切割工藝有其獨(dú)特的優(yōu)勢，在連鑄坯切割工藝中使用氫氧切割技術(shù)也是十分必要的。中國五礦長沙礦山研究院研制氫氧能源機(jī)在技術(shù)、成本、安全等方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢，且在應(yīng)用測試中運(yùn)行相當(dāng)穩(wěn)定，他替代傳統(tǒng)石化燃?xì)膺B鑄坯切割技術(shù)的應(yīng)用是可行的，應(yīng)得到推廣和普遍應(yīng)用。

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