丙烷成本分析

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1、新型丙烷切割燃气的气割成本分析徐志兵　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。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

2、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

3、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-2219.1kJ/mol,它在氧气中完全燃烧时的化学反应方程式为：　　C3H8+5O2=3CO2+4H2O+2219.1(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-1299.6kJ/mol,在氧气中完全燃烧时的化学反应方程式为：　　2C2H2+5O2=2CO2+2H2O+2599.2(kJ)(2)　　由式(1)和式(2)可分别计算出1mol丙烷及

4、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

5、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2520℃，氧乙炔焰温度更高达3100℃［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

6、+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/%10041944161044579.619083361625524534.5　　由表1可知，丙烷的总热值虽然很高，但一次

7、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=

8、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%