氫氧能源機的工藝技術優勢與應用

摘 要： 中國五礦長沙礦山研究院研發的氫氧能源機由IGBT逆變電源、自動控制系統、氫氧發生功能模塊、主水箱、副水箱、水氣分離系統、壓力自動偵測系統、冷卻系統、介質循環系統、防回火系統等功能單位系統組成。其工藝和技術都高于行業標準，安全性能很高，切割工藝的適應性較強，且更加經濟、安全。可在替代高能耗、高污染的傳統燃氣設備在鋼鐵切割、汽車發動機除碳、醫療垃圾焚燒、鍋爐催化燃燒、針劑拉絲封口、民用燃氣等多個領域得到推廣和普遍應用。

關鍵詞： 氫氧能源機； 切割工藝； 自動控制； IGBT逆變電源

中圖分類號： TN05?34 文獻標識碼： 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 氫氧切割能源機基本原理

氫氧能源機是中國五礦長沙礦山研究院研發的一種氫氧清潔能源設備。能源機由IGBT逆變電源、自動控制系統、氫氧發生功能模塊、主水箱、副水箱、水氣分離系統、壓力自動偵測系統、冷卻系統、介質循環系統、防回火系統等功能單元系統組成。主要用于鋼鐵切割、汽車發動機除碳、醫療垃圾焚燒、鍋爐催化燃燒、針劑拉絲封口、民用燃氣等多個領域。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，水經電化學反應，可以分解產生氫氣和氧氣。氫氧發生器采用電化學、材料學、電子學、流體動力學以及自動控制系統工程學等交叉科學的最新研究成果。通過氫氧切割能源機的IGBT逆變技術的電解電源給電解槽的特殊材料極板電極供電，電解槽內設置有按一定規律的多組電解槽，每組電解槽（專利技術）都由正極和負極組成。水分子在電解介質中分解成陽離子（H+）和陰離子（OH-），陰極產生氫氣，陽極產生氧氣。電化學反應方程式如下：

2 氫氧能源機技術性能與優勢

2.1 氫氧能源機的技術性能

中國五礦長沙礦山研究院在氫氧能源機的研制上取得了突破，獲得了一批具有自主知識產權的成果。氫氧能源機的水電解氫氧混合氣體發生器已獲得六項國家實用新型專利和一項發明專利。

其研發的氫氧能源機技術性能指標如下：

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

工作介質：純凈水；冷卻方式：風冷；絕緣等級：F；電源防護等極：IP21S；火焰溫度：2 800～3 200 ℃；工作方式：連續工作。

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 氫氧能源機的工藝技術優勢

氫氧氣作為一種新興的能源介質，1997年在濟源鋼鐵公司成功使用氫氧焰切割取代剪機切割120～120 mm連鑄坯。隨著工藝技術的不斷提高，采用氫氧焰切割碳鋼具有使用安全、成本低、無污染、切割斷口質量好等優點。氫氧切割在鋼鐵企業、造船企業、鋼構業、機械制造業等中大型企業迅速普及。由于氫氧能源機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、智能風機、遠距離遙控等人性化控制等控制功能，又具有缺水保護、過壓保護、過流保護、回火保護（專利技術）、漏電保護、過溫保護等完善的保護功能。這些功能為氫氧能源機在連鑄切割應用中提供了技術支持和安全保障。它在連鑄切割技術中占有絕對優勢。

（1） 技術優勢

中國五礦長沙礦山研究院對氫氧能源機的研究從“電源—發生器—安全措施—自動控制—應用領域”等幾個方面有一個比較系統的技術鏈條，在氫氧能源機的本機技術和應用技術兩方面均有自己的獨到之處，并且形成了自己的自主知識產權。

（2） 成本優勢

氫氧能源機替代傳統燃氣切割的主要優勢是運行成本的優勢。使用氫氧能源機切割，與傳統燃氣切割相比，經實際測算氫氧能源機可以節省運行成本50%以上氫氧氣切割與傳統切割所用氣體成本優勢比較見表1。隨著能源的越來越緊張，傳統燃氣的價格也越來越高，作為切割成本越來越高。而氫氧能源機的運行成本主要是電費，電費的價格相對比較平穩。并且，用氫氧氣切割可以省除低壓氧。

經測試發現：

① 氫氧機切割速度與乙炔相當，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 氫氧機切割時無廢氣廢煙產生，對環境和人體不造成任何影響，有利于創造環保和健康的工作環境；

④ 氫氧機使用氧氣量較少，不需要助燃氧，節省氧氣30%，不需要燃氣瓶。因此，節省了更換氧氣瓶的時間，進一步提高了工作效率；

⑤ 氫氧機不再需要燃氣瓶，因此，可節約氣瓶的租用費用；

⑥ 氫氧切割比其他燃氣割縫小，可以減少鋼鐵材料的損失。氫氧切割不掛渣，可以免除后續清理工件的時間。

（3） 安全優勢

氫氧能源機產生的氣體壓力小，設計的工作壓力為0.05 mPa， 遠小于高壓氣瓶。當不用氣體時，自動停止產氣；用氣時自動開機產氣。因此氫氧氣的回火爆炸危險遠小于氣瓶的危險。氫氧發生器是開機實時產氣，不貯存氣體，整機儲存氣體僅為0.000 28 m3，不存在泄漏的安全事故。氫氧發生器對萬一發生回火的情況也做了相應的安全防范：能源機設有一個防止逆流的單向閥，即氫氧氣流動的方向是從機器向火焰槍方向流動，而不能反向流動。氫氧發生器設有一個泄壓閥，在發生回火時，逆流閥防止火焰流向設備內部，回火的壓力大于0.3 mPa時，泄壓閥自動向外泄壓，防止爆炸發生。氫氧發生器設有多級水封防回火安全裝置。火不能穿過水，起到安全阻火的作用。此外，由于氫氧焰回火時不會像汽油、液化氣那樣連續慢燃，只會產生一個瞬間的壓力，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。

3 氫氧能源機的應用

3.1 氫氧能源機在切割工藝中的應用

隨著工業企業的迅速發展，金屬加工行業的工業燃氣切割技術、工藝、設備、材料等都有創新和發展。燃氣切割技術也從原來的單一乙炔切割發展到更安全、環保、節能、清潔、高效多種多樣的燃氣。氫氧氣切割是一種新型的碳鋼切割工藝方法，它與傳統燃氣切割在操作層面上是基本相同的，差別在于氫氧切割技術采用的燃氣是氫氧混合氣、而不是傳統的乙炔、丙烷、金火焰、特利氣等氣體。

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

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氣，完全能滿足鋼廠切割工作量的要求；在切割品質方面，氫氧切割預熱速度快、割縫小、斷面光滑、不掛渣、垂直度好，完全滿足鋼廠切割品質的要求。此外，氫氧能源機全自動運行，無需人工干預，與現有操作方式完全相同，操作易上手。

3.2 氫氧能源機在連鑄工藝中的應用

氫氧焰的溫度與乙炔溫度相當，高于丙烷溫度。由于氫氧焰的火焰集中特性，預熱速度、切割速度與乙炔相當，并且快于除乙炔以外的任何其他燃氣。隨著工藝技術的不斷提高，采用氫氧焰切割碳鋼具有使用安全、成本低、無污染、切割斷口質量好等優點。長沙礦山研究院在氫氧機項目上已經進行了相關的理論研究和可行性試驗工作，所研發的氫氧能源機具備的切割工藝是一種成熟的工藝。

與傳統燃氣切割相比，氫氧能源機可以節能40%以上，切割速度要快15%以上，割縫比傳統燃氣小15%，設備為即產即用，不儲存氣體，安全性大大提高，具有節能、安全、零排放等優勢。已在幾百個工廠有十年以上的連續無故障運行記錄。可在鋼鐵、造船、鋼構、機械制造等需要連鑄工藝技術的中大型企業普及和應用，可以解決傳統石化燃氣對連鑄坯進行切割時產生的堵塞燒嘴、掛渣多、切割殘渣難以清理、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量，在連鑄坯切割工藝中使用氫氧切割技術十分必要。

3.3 氫氧能源機在其他領域的應用

氫氧能源機輸出的產物為高熱燃氣——氫氧氣，可以替代當前用的工業燃氣，比如，乙炔、丙烷、特力氣、煤氣、石油氣和重油等。根據工業行業的燃氣的需求和氫氧能源機產氣量的大小，可以應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、制藥業和玻璃行業的加熱等多種行業和部門 。

4 結 語

通過分析對比氫氧切割能源機和傳統石化燃氣切割設備發現，氫氧切割替代傳統切割工藝有其獨特的優勢，在連鑄坯切割工藝中使用氫氧切割技術也是十分必要的。中國五礦長沙礦山研究院研制氫氧能源機在技術、成本、安全等方面有著獨到的優勢，且在應用測試中運行相當穩定，他替代傳統石化燃氣連鑄坯切割技術的應用是可行的，應得到推廣和普遍應用。

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