基于醇烃燃料的火焰燃烧分析及在金属切割上的应用

孔维宾，蒋应田，梁　平，李宪臣，胡传顺

（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺113001）

基于醇烃燃料的火焰燃烧分析及在金属切割上的应用

孔维宾，蒋应田，梁平，李宪臣，胡传顺

（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺113001）

介绍常用醇烃燃料乙醇、甲醇、生物柴油以及汽油理化性质，通过以乙醇汽油燃烧特性及产物的排放为例进行分析，探讨火焰切割金属的基本原理，提出利用醇烃燃料火焰切割金属的工艺方法，同时也对醇烃这种清洁可再生燃料的火焰切割方法的未来发展作出展望。

乙醇汽油；火焰切割；燃烧产物

0　前言

随着石油资源危机以及对环境保护意识的增强，迫切需要对可再生能源的开发利用。全世界的能源开发与利用都面临着一个共同的课题，那就是积极探索减少一次性资源的消耗或增加可再生资源的利用[1]。当前，醇烃混合燃料替代石化燃料应用于以汽车为代表的交通运输领域已成为现实[2]。金属的热加工过程是一个高耗能、高污染的过程，能否利用可再生能源进行金属的热切割加工过程将成为本世纪金属热加工的新亮点。研究人员主要开展了甲醇汽油、乙醇汽油、生物柴油+柴油混合燃料的火焰热切割技术的研究[3]。从目前所掌握的醇烃类燃料的制取工艺过程、相应的能源消耗以及该类燃料的特点来看，都已经相当成熟。随着醇类燃料生产所需原材料的大量种植，新型燃料开发与提取技术不断成熟，醇类燃料的生产成本不断下降，这给其在金属热加工领域的应用带来了一定的竞争优势[4]。虽然文献[5]介绍了醇烃燃料的火焰切割技术，但是从目前的应用来看，距离大量工业化应用还有不少瓶颈问题迫切需要解决。因此，研究醇烃混合燃料的火焰切割技术及其应用将成为今后的重要领域。

1　醇烃燃料简介

1.1醇类燃料

醇类燃料是一种含氧的有机燃料液体，目前在工业生产中能够大量生产的主要是甲醇、乙醇和生物柴油。对于甲醇而言，由于国内煤炭资源丰富，煤炭化工企业通过一定的化学加工过程将煤炭转化为甲醇。甲醇是无色澄清液体，有刺激性气味、有毒，易挥发，易流动，燃烧时无烟有蓝色火焰，能与水、醇、醚等有机溶剂互溶[6]。甲醇对金属特别是黄铜有轻微的腐蚀性。乙醇是典型的可再生资源，可采用生物质原料经过一定的工艺进行发酵生产[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种新型混合燃料，又称为汽油醇。醇汽油中的醇由于含氧原子，使混合后的燃料燃烧更充分，从而有效减少燃烧时的有害气体排放，起到节能环保的目的[8]。生物柴油也是一种含氧的有机燃料，是用未使用过或使用过的植物油以及动物脂肪通过一定的化学反应制取的一种环保生物质燃料。生物柴油最普遍的制备方法是酯交换反应，由植物油和脂肪中占主要成分的甘油三酯与醇（一般是甲醇）在催化剂存在下反应生成的脂肪酸酯。脂肪酸酯的物理和化学性质与柴油非常相近[9]。三种醇类（或称含氧有机物燃料）的理化性能如表1所示。

表1　三种含氧有机物燃料的理化性质

1.2烃类燃料

烃类燃料主要是原油经蒸馏、催化裂化、热裂化、加氢裂化、石油焦化等生产过程所获得C5～C12较小分子量的饱和烃（汽油）和C10～C22较大分子量的饱和烃（柴油）组分的有机液体燃料。较小分子量的饱和烃组分——汽油是汽车工业的命脉，同样，较大分子量的饱和烃组分——柴油是重载汽车以及其他动力机械的主要燃料。

汽油是一种外观为透明、可燃的液体，馏程为30℃～220℃，主要成分为C5～C12脂肪烃和环烃类，并含少量芳香烃。汽油由石油炼制得到的直馏汽油组分、催化裂化汽油组分、催化重整汽油组分等不同汽油组分烃精制后与高辛烷值组分烃调和制得，并按辛烷值的高低分牌号。主要用作汽车点燃式内燃机的燃料。

柴油是轻质石油产品，复杂烃类（C10～C22）混合物，为柴油机燃料。主要由原油蒸馏、催化裂化、热裂化、加氢裂化、石油焦化等生产的柴油馏分调配而成；也可由页岩油加工和煤液化制取。分为轻柴油（沸点范围约180℃～370℃）和重柴油（沸点范围约350℃～410℃）两大类。广泛用于大型车辆、铁路机车、船舰。与汽油相比，柴油能量密度高，燃油消耗率低，但废气中含有害成分（NO，颗粒物等）较多。汽油和柴油的理化性质[10]如表2所示。

表2　石油类燃料理化性质

1.3醇烃混合燃料

醇烃混合燃料根据基础燃料烃类分为醇烃汽油类和醇烃柴油类[11]。醇烃汽油类根据烃燃料中所加的醇类不同，可分为甲醇汽油和乙醇汽油，目前两种醇烃汽油都有所应用，相对而言，乙醇汽油的应用面更广一些。醇烃柴油类主要是在普通柴油中掺入一定比例的生物柴油，由于生物柴油在很多方面与柴油有相似性，两者能够很好地互溶，具有良好的燃烧性能[12]。与汽油相比，醇烃类燃料有以下几个特点。

（1）辛烷值高，抗爆性好。

（2）甲醇含氧量为50％，乙醇含氧量则为36.4％。在汽油中含10％的甲醇或乙醇，相应在燃料中含氧量分别为5％和3.6％。

（3）醇烃汽油的使用可有效降低汽车尾气排放，改善能源结构。国内研究表明，E15比纯无铅汽油碳烃排量下降16.2％，一氧化碳排量下降30％。而甲醇汽油能有效降低汽车尾气排放有害气体总量的50％以上。

（4）燃料乙醇的生产资源丰富，技术成熟。甲醇采用煤炭加工而成，资源丰富，目前技术成熟。

乙醇汽油是国家“十五”计划的重点工作之一，从2003年起陆续有黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽、河北、山东、江苏、湖北等省的城市全面使用10％酒精的乙醇汽油[12]。2010年我国可以进行一千万吨乙醇汽油的混配能力，乙醇汽油的消费量已占全国汽油消费量的20％，成为全世界第三大消费国。2011年12月27日，工业和信息化部组织召开甲醇汽车试点工作座谈会，讨论和部署在上海、陕西、山西试点推广高比例甲醇汽油[13]。

2　金属火焰切割原理

金属火焰切割实质是金属的氧化燃烧过程，它是利用燃料火焰将预切割的金属加热到金属在氧气中的燃点，然后利用高纯度的切割氧流与炽热金属（主要是铁）发生剧烈氧化燃烧，并且生成的低熔点氧化物熔渣被高速度氧流吹除形成割缝。金属氧化燃烧放出大量热量继续加热待割区域金属，最终形成完整割缝[14]。气割的化学反应式为：

上述三个反应几乎同时进行，反应放出大量的热量。这些热量比割嘴预热火焰的热量高6～8倍，因此文献[15]认为，在火焰切割时预热火焰仅提供了切割所需热量的15％，而金属燃烧释放的热量约占85％。

3　液体燃料的燃烧特点及其雾化过程

3.1简介

气体火焰燃烧过程相对简单，燃料气体和氧气充分混合后以一定速度喷出喷嘴口，保持火焰燃烧的稳定，要求混合气体的喷出速度等于火焰的燃烧速度。混合过程可在枪体中部的混合室（射吸式枪）进行，也可在割嘴中部（等压式枪）进行。

对于液体燃料，在燃烧之前仅通过简单混合达不到充分燃烧的效果，因此，液体燃料在与混合氧气燃烧之前，需要进行液体的充分雾化，使其形成气雾状，这样既能充分与氧气混合，又能加快燃料的燃烧速度，增强火焰强度和提高火焰温度。

根据液体燃料的雾化原理和割枪的结构特点，文献[16]提出了醇烃燃料雾化的五步法：第一步是利用氧气与燃料简单混合形成一定的气液混合流体，以一定的速度从混合管道喷出，在喷出的过程中形成介质雾化。第二步是在距混合管道喷口一定距离设置一斜角侧面，利用高速喷出的气液流在斜角侧面及相对应的喷嘴壁面进行碰撞形成碰撞雾化。第三步是在斜角面前进方向一定距离处设置一定目数的过滤金属丝网，利用金属丝网将未雾化的大颗粒液滴过滤，过滤下的大颗粒液滴在表面张力的作用下，可能在丝网上形成液膜，燃料液膜在氧气压力吹压下形成气泡，当气泡达到一定程度后爆裂形成液膜爆破雾化。第四步，在上述三个阶段的气液压力接触下，会有一定量的气体溶入液体中，当溶气液体从喷嘴口喷出后由于外界压力突然降低，会形成一定的爆破雾化。第五步，经过上述四步的雾化后，燃料的绝大部分被充分雾化，然而总有一少部分在经过喷嘴时偶遇喷嘴壁而汇聚成液体流出喷嘴口。为此，可提高喷嘴出口边缘温度，通过加热汽化方式雾化这部分液体燃料。为实现这一过程，在喷嘴口设置一个缩扩区域，让火焰的部分焰心在缩扩区域内燃烧，利用这部分火焰加热喷嘴出口处的壁温。该割嘴的结构图如图1所示。

图1　改进火焰切割割嘴

3.2醇烃汽油类混合燃料燃烧过程

醇烃混合燃料是在汽油（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，极大提高了原有汽油燃料的完全燃烧条件，有助于混合燃料中的充分燃烧，同时减少了有害气体的排放量[17]。在此以醇烃汽油类燃料的乙醇汽油为例，介绍火焰的燃烧过程。

氧乙醇汽油火焰燃烧过程和其他燃料燃烧过程相似，由三个区域组成，分别进行三个不同的反应过程。在此以乙醇和汽油摩尔比为1∶1（体积比例21.4％）的混合燃料为例进行分析[18]。

3.2.1火焰燃烧区域

总体火焰燃烧过程：

（1）火焰的焰心区域。主要进行燃料的分解反应，需要消耗一定的能量。

（2）火焰的内焰区域。进行碳的一次燃烧过程，生成一氧化碳，而焰心中产生的氢将和内焰产生的一氧化碳一起扩散进入外焰进行二次燃烧过程。

（3）火焰的外焰区域。

3.2.2火焰燃烧各区域的氧气消耗

（1）焰心是燃料受热分解区域，不消耗氧气，并且会因乙醇的分解而产生氧气，其只占燃料物质分解后总体积的2.86％。

（2）内焰进行一次火焰燃烧，若中性燃烧需要消耗6份氧气，其中0.5份来自自身分解，其余5.5份来自纯氧。

（3）外焰进行火焰的二次燃烧外焰，消耗11份氧气。

根据火焰总体性能要求，这些氧气既可由空气提供，也可由纯氧和空气共同提供。当共同提供时，内焰将因有自由氧的存在而使火焰呈现氧化性。如果完全由空气提供，内焰呈还原性，但是火焰外焰很长，温度较低。具体分析如下：

①内焰呈还原性时，内焰无自由氧的情况下，外焰中参加反应的空气量为11÷0.21=52.38，其中氮气为52.38×0.78=40.85。

外焰区域总共有生成气体体积数为：22+40.85= 62.85。

②火焰呈绝对氧化焰，即外焰燃烧需要的氧气完全由纯氧提供，火焰燃烧产物的体积为22份，火焰的内焰氧化性最强。

③火焰呈氧化焰，即外焰燃烧用氧气由纯氧和空气共同供应时，假设外焰二次燃烧中CO燃烧由纯氧提供，而氢气燃烧所用氧气由空气提供，则需要纯氧5份，需要空气提供氧气6份。此时消耗的空气量为28.57份，其中氮气22.57份，外焰区域总共生成气体数为44.57份。由于内焰中有5份氧气通过，因此火焰仍然具有剧烈的氧化性[19]。

3.2.3火焰燃烧温度的计算

根据上述分析过程可以将不同混合配比下的醇烃汽油类、醇烃柴油类燃料的火焰温度按照文献[20]计算后列于表3～表5。由表可知，所有火焰温度均远高于金属的燃点温度，因此上述配比下的燃料在燃烧时均可以实现火焰切割。

表3　燃料乙醇汽油理论燃烧温度℃

4　醇烃燃料火焰的点燃过程与火焰调整

醇烃燃料属于液体燃料，其点火过程与气体燃料有所不同。气体燃料在点火前允许有少量的燃气喷出枪外，一般不会造成较大危害。在点火时主要考虑不冒黑烟或少冒黑烟。而液体燃料的点火不仅要考虑冒黑烟的问题，还要防止液体燃料的流淌问题。一旦有较多的燃油流淌到切割金属板附近，在点火时容易引发火灾。因此，正确的做法是在点火前在喷嘴前端放置一小集油器，打开油阀后确定喷嘴流淌出液体燃料后将集油器移开，然后先少许打开混合氧气阀门，点着点火器并将其移至喷嘴附近，此时打开燃料油阀，燃油流与混合氧以雾化形式喷出并被点燃，然后根据火焰能率大小及火焰性质进行调整。在切割结束后，首先关闭切割氧阀门，然后关闭燃料阀门，稍许停顿再关闭混合氧阀门，这样能烧尽喷嘴内残留的液体燃料。

表4　燃料甲醇汽油理论燃烧温度℃

表5　生物柴油+柴油火焰理论燃烧温度℃

5　醇烃燃料的切割试验及应用

本研究课题组在长期试验中利用乙醇汽油、甲醇汽油、生物柴油+柴油混合燃料火焰进行低碳钢、低合金钢的火焰切割试验，都获得了满意的效果，上述试验的现场照片或切割件切口照片如图2～图4所示。为实现火焰的稳定燃烧和良好的火焰强度，上述燃料切割试验都采用文献所提到的具有五步雾化过程的专用割嘴。从试验过程来看，割嘴的第五步效果最为明显，缩扩径空间的大小对于喷嘴温度影响非常明显，相应地明显消除了喷嘴喷出燃料在燃烧过程中出现滴油现象。相对而言，燃料中醇比例的增加需要相应地增加缩扩径尺寸，这与醇燃料的汽化潜热高于烃燃料有关。

图2　乙醇汽油火焰切割管线钢

图3　甲醇汽油火焰切割焊接试板

6　醇烃燃料在火焰切割应用中的展望

随着我国焊接加工量的不断增加，对金属火焰切割的量也不断增大，开发新型燃料火焰切割技术、减少资源消耗和提高企业生产竞争力将成为焊接工程领域的关注重点。从当前的社会能源的利用角度看，将醇烃这种液体燃料应用于火焰切割领域是发展的必然趋势，对技术进步、降低生产成本和节能减排与保护环境都具有重要意义。

图4　利用氧生物柴油/柴油火焰切割的工件

7　结论

（1）醇烃混合燃料在交通领域的广泛使用，有力节约了石油资源，保护了环境，成为当前的能源消费主流。

（2）通过分析和计算醇烃燃料的火焰燃烧过程及火焰温度，确定醇烃火焰能够满足金属的火焰切割过程。

（3）通过利用不同类型和相应比例的醇烃混合燃料的切割试验证明，醇烃火焰能够满足切割基本要求，并且切割质量优良。

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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，Fushun 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

抚顺市科学技术计划项目（20091202）

孔维宾（1989—），男，辽宁鞍山人，在读硕士，主要从事新型燃料火焰切割技术的研究。