基于醇烴燃料的火焰燃燒分析及在金屬切割上的應用

孔維賓，蔣應田，梁　平，李憲臣，胡傳順

（遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧撫順113001）

基于醇烴燃料的火焰燃燒分析及在金屬切割上的應用

孔維賓，蔣應田，梁平，李憲臣，胡傳順

（遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧撫順113001）

介紹常用醇烴燃料乙醇、甲醇、生物柴油以及汽油理化性質(zhì)，通過以乙醇汽油燃燒特性及產(chǎn)物的排放為例進行分析，探討火焰切割金屬的基本原理，提出利用醇烴燃料火焰切割金屬的工藝方法，同時也對醇烴這種清潔可再生燃料的火焰切割方法的未來發(fā)展作出展望。

乙醇汽油；火焰切割；燃燒產(chǎn)物

0　前言

隨著石油資源危機以及對環(huán)境保護意識的增強，迫切需要對可再生能源的開發(fā)利用。全世界的能源開發(fā)與利用都面臨著一個共同的課題，那就是積極探索減少一次性資源的消耗或增加可再生資源的利用[1]。當前，醇烴混合燃料替代石化燃料應用于以汽車為代表的交通運輸領(lǐng)域已成為現(xiàn)實[2]。金屬的熱加工過程是一個高耗能、高污染的過程，能否利用可再生能源進行金屬的熱切割加工過程將成為本世紀金屬熱加工的新亮點。研究人員主要開展了甲醇汽油、乙醇汽油、生物柴油+柴油混合燃料的火焰熱切割技術(shù)的研究[3]。從目前所掌握的醇烴類燃料的制取工藝過程、相應的能源消耗以及該類燃料的特點來看，都已經(jīng)相當成熟。隨著醇類燃料生產(chǎn)所需原材料的大量種植，新型燃料開發(fā)與提取技術(shù)不斷成熟，醇類燃料的生產(chǎn)成本不斷下降，這給其在金屬熱加工領(lǐng)域的應用帶來了一定的競爭優(yōu)勢[4]。雖然文獻[5]介紹了醇烴燃料的火焰切割技術(shù)，但是從目前的應用來看，距離大量工業(yè)化應用還有不少瓶頸問題迫切需要解決。因此，研究醇烴混合燃料的火焰切割技術(shù)及其應用將成為今后的重要領(lǐng)域。

1　醇烴燃料簡介

1.1醇類燃料

醇類燃料是一種含氧的有機燃料液體，目前在工業(yè)生產(chǎn)中能夠大量生產(chǎn)的主要是甲醇、乙醇和生物柴油。對于甲醇而言，由于國內(nèi)煤炭資源豐富，煤炭化工企業(yè)通過一定的化學加工過程將煤炭轉(zhuǎn)化為甲醇。甲醇是無色澄清液體，有刺激性氣味、有毒，易揮發(fā)，易流動，燃燒時無煙有藍色火焰，能與水、醇、醚等有機溶劑互溶[6]。甲醇對金屬特別是黃銅有輕微的腐蝕性。乙醇是典型的可再生資源，可采用生物質(zhì)原料經(jīng)過一定的工藝進行發(fā)酵生產(chǎn)[7]。醇汽油是在汽油中添加不同比例的甲醇或乙醇，使混合后的燃料自身增加含氧量而形成的一種新型混合燃料，又稱為汽油醇。醇汽油中的醇由于含氧原子，使混合后的燃料燃燒更充分，從而有效減少燃燒時的有害氣體排放，起到節(jié)能環(huán)保的目的[8]。生物柴油也是一種含氧的有機燃料，是用未使用過或使用過的植物油以及動物脂肪通過一定的化學反應制取的一種環(huán)保生物質(zhì)燃料。生物柴油最普遍的制備方法是酯交換反應，由植物油和脂肪中占主要成分的甘油三酯與醇（一般是甲醇）在催化劑存在下反應生成的脂肪酸酯。脂肪酸酯的物理和化學性質(zhì)與柴油非常相近[9]。三種醇類（或稱含氧有機物燃料）的理化性能如表1所示。

表1　三種含氧有機物燃料的理化性質(zhì)

1.2烴類燃料

烴類燃料主要是原油經(jīng)蒸餾、催化裂化、熱裂化、加氫裂化、石油焦化等生產(chǎn)過程所獲得C5～C12較小分子量的飽和烴（汽油）和C10～C22較大分子量的飽和烴（柴油）組分的有機液體燃料。較小分子量的飽和烴組分——汽油是汽車工業(yè)的命脈，同樣，較大分子量的飽和烴組分——柴油是重載汽車以及其他動力機械的主要燃料。

汽油是一種外觀為透明、可燃的液體，餾程為30℃～220℃，主要成分為C5～C12脂肪烴和環(huán)烴類，并含少量芳香烴。汽油由石油煉制得到的直餾汽油組分、催化裂化汽油組分、催化重整汽油組分等不同汽油組分烴精制后與高辛烷值組分烴調(diào)和制得，并按辛烷值的高低分牌號。主要用作汽車點燃式內(nèi)燃機的燃料。

柴油是輕質(zhì)石油產(chǎn)品，復雜烴類（C10～C22）混合物，為柴油機燃料。主要由原油蒸餾、催化裂化、熱裂化、加氫裂化、石油焦化等生產(chǎn)的柴油餾分調(diào)配而成；也可由頁巖油加工和煤液化制取。分為輕柴油（沸點范圍約180℃～370℃）和重柴油（沸點范圍約350℃～410℃）兩大類。廣泛用于大型車輛、鐵路機車、船艦。與汽油相比，柴油能量密度高，燃油消耗率低，但廢氣中含有害成分（NO，顆粒物等）較多。汽油和柴油的理化性質(zhì)[10]如表2所示。

表2　石油類燃料理化性質(zhì)

1.3醇烴混合燃料

醇烴混合燃料根據(jù)基礎燃料烴類分為醇烴汽油類和醇烴柴油類[11]。醇烴汽油類根據(jù)烴燃料中所加的醇類不同，可分為甲醇汽油和乙醇汽油，目前兩種醇烴汽油都有所應用，相對而言，乙醇汽油的應用面更廣一些。醇烴柴油類主要是在普通柴油中摻入一定比例的生物柴油，由于生物柴油在很多方面與柴油有相似性，兩者能夠很好地互溶，具有良好的燃燒性能[12]。與汽油相比，醇烴類燃料有以下幾個特點。

（1）辛烷值高，抗爆性好。

（2）甲醇含氧量為50％，乙醇含氧量則為36.4％。在汽油中含10％的甲醇或乙醇，相應在燃料中含氧量分別為5％和3.6％。

（3）醇烴汽油的使用可有效降低汽車尾氣排放，改善能源結(jié)構(gòu)。國內(nèi)研究表明，E15比純無鉛汽油碳烴排量下降16.2％，一氧化碳排量下降30％。而甲醇汽油能有效降低汽車尾氣排放有害氣體總量的50％以上。

（4）燃料乙醇的生產(chǎn)資源豐富，技術(shù)成熟。甲醇采用煤炭加工而成，資源豐富，目前技術(shù)成熟。

乙醇汽油是國家“十五”計劃的重點工作之一，從2003年起陸續(xù)有黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽、河北、山東、江蘇、湖北等省的城市全面使用10％酒精的乙醇汽油[12]。2010年我國可以進行一千萬噸乙醇汽油的混配能力，乙醇汽油的消費量已占全國汽油消費量的20％，成為全世界第三大消費國。2011年12月27日，工業(yè)和信息化部組織召開甲醇汽車試點工作座談會，討論和部署在上海、陜西、山西試點推廣高比例甲醇汽油[13]。

2　金屬火焰切割原理

金屬火焰切割實質(zhì)是金屬的氧化燃燒過程，它是利用燃料火焰將預切割的金屬加熱到金屬在氧氣中的燃點，然后利用高純度的切割氧流與熾熱金屬（主要是鐵）發(fā)生劇烈氧化燃燒，并且生成的低熔點氧化物熔渣被高速度氧流吹除形成割縫。金屬氧化燃燒放出大量熱量繼續(xù)加熱待割區(qū)域金屬，最終形成完整割縫[14]。氣割的化學反應式為：

上述三個反應幾乎同時進行，反應放出大量的熱量。這些熱量比割嘴預熱火焰的熱量高6～8倍，因此文獻[15]認為，在火焰切割時預熱火焰僅提供了切割所需熱量的15％，而金屬燃燒釋放的熱量約占85％。

3　液體燃料的燃燒特點及其霧化過程

3.1簡介

氣體火焰燃燒過程相對簡單，燃料氣體和氧氣充分混合后以一定速度噴出噴嘴口，保持火焰燃燒的穩(wěn)定，要求混合氣體的噴出速度等于火焰的燃燒速度?；旌线^程可在槍體中部的混合室（射吸式槍）進行，也可在割嘴中部（等壓式槍）進行。

對于液體燃料，在燃燒之前僅通過簡單混合達不到充分燃燒的效果，因此，液體燃料在與混合氧氣燃燒之前，需要進行液體的充分霧化，使其形成氣霧狀，這樣既能充分與氧氣混合，又能加快燃料的燃燒速度，增強火焰強度和提高火焰溫度。

根據(jù)液體燃料的霧化原理和割槍的結(jié)構(gòu)特點，文獻[16]提出了醇烴燃料霧化的五步法：第一步是利用氧氣與燃料簡單混合形成一定的氣液混合流體，以一定的速度從混合管道噴出，在噴出的過程中形成介質(zhì)霧化。第二步是在距混合管道噴口一定距離設置一斜角側(cè)面，利用高速噴出的氣液流在斜角側(cè)面及相對應的噴嘴壁面進行碰撞形成碰撞霧化。第三步是在斜角面前進方向一定距離處設置一定目數(shù)的過濾金屬絲網(wǎng)，利用金屬絲網(wǎng)將未霧化的大顆粒液滴過濾，過濾下的大顆粒液滴在表面張力的作用下，可能在絲網(wǎng)上形成液膜，燃料液膜在氧氣壓力吹壓下形成氣泡，當氣泡達到一定程度后爆裂形成液膜爆破霧化。第四步，在上述三個階段的氣液壓力接觸下，會有一定量的氣體溶入液體中，當溶氣液體從噴嘴口噴出后由于外界壓力突然降低，會形成一定的爆破霧化。第五步，經(jīng)過上述四步的霧化后，燃料的絕大部分被充分霧化，然而總有一少部分在經(jīng)過噴嘴時偶遇噴嘴壁而匯聚成液體流出噴嘴口。為此，可提高噴嘴出口邊緣溫度，通過加熱汽化方式霧化這部分液體燃料。為實現(xiàn)這一過程，在噴嘴口設置一個縮擴區(qū)域，讓火焰的部分焰心在縮擴區(qū)域內(nèi)燃燒，利用這部分火焰加熱噴嘴出口處的壁溫。該割嘴的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　改進火焰切割割嘴

3.2醇烴汽油類混合燃料燃燒過程

醇烴混合燃料是在汽油（或柴油）中加入了一定比例的乙醇或甲醇（或生物柴油）后形成的混合燃料，加入醇使汽油形成了含氧燃料，極大提高了原有汽油燃料的完全燃燒條件，有助于混合燃料中的充分燃燒，同時減少了有害氣體的排放量[17]。在此以醇烴汽油類燃料的乙醇汽油為例，介紹火焰的燃燒過程。

氧乙醇汽油火焰燃燒過程和其他燃料燃燒過程相似，由三個區(qū)域組成，分別進行三個不同的反應過程。在此以乙醇和汽油摩爾比為1∶1（體積比例21.4％）的混合燃料為例進行分析[18]。

3.2.1火焰燃燒區(qū)域

總體火焰燃燒過程：

（1）火焰的焰心區(qū)域。主要進行燃料的分解反應，需要消耗一定的能量。

（2）火焰的內(nèi)焰區(qū)域。進行碳的一次燃燒過程，生成一氧化碳，而焰心中產(chǎn)生的氫將和內(nèi)焰產(chǎn)生的一氧化碳一起擴散進入外焰進行二次燃燒過程。

（3）火焰的外焰區(qū)域。

3.2.2火焰燃燒各區(qū)域的氧氣消耗

（1）焰心是燃料受熱分解區(qū)域，不消耗氧氣，并且會因乙醇的分解而產(chǎn)生氧氣，其只占燃料物質(zhì)分解后總體積的2.86％。

（2）內(nèi)焰進行一次火焰燃燒，若中性燃燒需要消耗6份氧氣，其中0.5份來自自身分解，其余5.5份來自純氧。

（3）外焰進行火焰的二次燃燒外焰，消耗11份氧氣。

根據(jù)火焰總體性能要求，這些氧氣既可由空氣提供，也可由純氧和空氣共同提供。當共同提供時，內(nèi)焰將因有自由氧的存在而使火焰呈現(xiàn)氧化性。如果完全由空氣提供，內(nèi)焰呈還原性，但是火焰外焰很長，溫度較低。具體分析如下：

①內(nèi)焰呈還原性時，內(nèi)焰無自由氧的情況下，外焰中參加反應的空氣量為11÷0.21=52.38，其中氮氣為52.38×0.78=40.85。

外焰區(qū)域總共有生成氣體體積數(shù)為：22+40.85= 62.85。

②火焰呈絕對氧化焰，即外焰燃燒需要的氧氣完全由純氧提供，火焰燃燒產(chǎn)物的體積為22份，火焰的內(nèi)焰氧化性最強。

③火焰呈氧化焰，即外焰燃燒用氧氣由純氧和空氣共同供應時，假設外焰二次燃燒中CO燃燒由純氧提供，而氫氣燃燒所用氧氣由空氣提供，則需要純氧5份，需要空氣提供氧氣6份。此時消耗的空氣量為28.57份，其中氮氣22.57份，外焰區(qū)域總共生成氣體數(shù)為44.57份。由于內(nèi)焰中有5份氧氣通過，因此火焰仍然具有劇烈的氧化性[19]。

3.2.3火焰燃燒溫度的計算

根據(jù)上述分析過程可以將不同混合配比下的醇烴汽油類、醇烴柴油類燃料的火焰溫度按照文獻[20]計算后列于表3～表5。由表可知，所有火焰溫度均遠高于金屬的燃點溫度，因此上述配比下的燃料在燃燒時均可以實現(xiàn)火焰切割。

表3　燃料乙醇汽油理論燃燒溫度℃

4　醇烴燃料火焰的點燃過程與火焰調(diào)整

醇烴燃料屬于液體燃料，其點火過程與氣體燃料有所不同。氣體燃料在點火前允許有少量的燃氣噴出槍外，一般不會造成較大危害。在點火時主要考慮不冒黑煙或少冒黑煙。而液體燃料的點火不僅要考慮冒黑煙的問題，還要防止液體燃料的流淌問題。一旦有較多的燃油流淌到切割金屬板附近，在點火時容易引發(fā)火災。因此，正確的做法是在點火前在噴嘴前端放置一小集油器，打開油閥后確定噴嘴流淌出液體燃料后將集油器移開，然后先少許打開混合氧氣閥門，點著點火器并將其移至噴嘴附近，此時打開燃料油閥，燃油流與混合氧以霧化形式噴出并被點燃，然后根據(jù)火焰能率大小及火焰性質(zhì)進行調(diào)整。在切割結(jié)束后，首先關(guān)閉切割氧閥門，然后關(guān)閉燃料閥門，稍許停頓再關(guān)閉混合氧閥門，這樣能燒盡噴嘴內(nèi)殘留的液體燃料。

表4　燃料甲醇汽油理論燃燒溫度℃

表5　生物柴油+柴油火焰理論燃燒溫度℃

5　醇烴燃料的切割試驗及應用

本研究課題組在長期試驗中利用乙醇汽油、甲醇汽油、生物柴油+柴油混合燃料火焰進行低碳鋼、低合金鋼的火焰切割試驗，都獲得了滿意的效果，上述試驗的現(xiàn)場照片或切割件切口照片如圖2～圖4所示。為實現(xiàn)火焰的穩(wěn)定燃燒和良好的火焰強度，上述燃料切割試驗都采用文獻所提到的具有五步霧化過程的專用割嘴。從試驗過程來看，割嘴的第五步效果最為明顯，縮擴徑空間的大小對于噴嘴溫度影響非常明顯，相應地明顯消除了噴嘴噴出燃料在燃燒過程中出現(xiàn)滴油現(xiàn)象。相對而言，燃料中醇比例的增加需要相應地增加縮擴徑尺寸，這與醇燃料的汽化潛熱高于烴燃料有關(guān)。

圖2　乙醇汽油火焰切割管線鋼

圖3　甲醇汽油火焰切割焊接試板

6　醇烴燃料在火焰切割應用中的展望

隨著我國焊接加工量的不斷增加，對金屬火焰切割的量也不斷增大，開發(fā)新型燃料火焰切割技術(shù)、減少資源消耗和提高企業(yè)生產(chǎn)競爭力將成為焊接工程領(lǐng)域的關(guān)注重點。從當前的社會能源的利用角度看，將醇烴這種液體燃料應用于火焰切割領(lǐng)域是發(fā)展的必然趨勢，對技術(shù)進步、降低生產(chǎn)成本和節(jié)能減排與保護環(huán)境都具有重要意義。

圖4　利用氧生物柴油/柴油火焰切割的工件

7　結(jié)論

（1）醇烴混合燃料在交通領(lǐng)域的廣泛使用，有力節(jié)約了石油資源，保護了環(huán)境，成為當前的能源消費主流。

（2）通過分析和計算醇烴燃料的火焰燃燒過程及火焰溫度，確定醇烴火焰能夠滿足金屬的火焰切割過程。

（3）通過利用不同類型和相應比例的醇烴混合燃料的切割試驗證明，醇烴火焰能夠滿足切割基本要求，并且切割質(zhì)量優(yōu)良。

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Combustion analysis of the flame based on alcohol hydrocarbon fuels and its application in metal cutting

KONG Weibin，JIANG Yingtian，LIANG Ping，LI Xianchen HU Chuanshun
（School ofMechanical Engineering，LiaoningShihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

In this paper,the physical and chemical properties of common alcohol hydrocarbon fuels like ethanol，methanol，biodiesel and gasoline are introduced.The combustion characteristics and emissions of ethanol gasoline are analyzed to discuss the fundamental of flame metal cutting，and a new method of cutting metal by using alcohol hydrocarbon fuel flame is put forward，and the future development of this flame cutting method with the clean and renewable alcohol hydrocarbon fuel is expected.

ethanol gasoline；flame cutting；combustion products

TG48

A

1001－2303（2015）11－0061-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.13

2015-03-10；

2015-06-15

撫順市科學技術(shù)計劃項目（20091202）

孔維賓（1989—），男，遼寧鞍山人，在讀碩士，主要從事新型燃料火焰切割技術(shù)的研究。