氢氧能源机的工艺技术优势与应用

摘 要： 中国五矿长沙矿山研究院研发的氢氧能源机由IGBT逆变电源、自动控制系统、氢氧发生功能模块、主水箱、副水箱、水气分离系统、压力自动侦测系统、冷却系统、介质循环系统、防回火系统等功能单位系统组成。其工艺和技术都高于行业标准，安全性能很高，切割工艺的适应性较强，且更加经济、安全。可在替代高能耗、高污染的传统燃气设备在钢铁切割、汽车发动机除碳、医疗垃圾焚烧、锅炉催化燃烧、针剂拉丝封口、民用燃气等多个领域得到推广和普遍应用。

关键词： 氢氧能源机； 切割工艺； 自动控制； IGBT逆变电源

中图分类号： TN05⁃34 文献标识码： A 文章编号： 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 氢氧切割能源机基本原理

氢氧能源机是中国五矿长沙矿山研究院研发的一种氢氧清洁能源设备。能源机由IGBT逆变电源、自动控制系统、氢氧发生功能模块、主水箱、副水箱、水气分离系统、压力自动侦测系统、冷却系统、介质循环系统、防回火系统等功能单元系统组成。主要用于钢铁切割、汽车发动机除碳、医疗垃圾焚烧、锅炉催化燃烧、针剂拉丝封口、民用燃气等多个领域。其工作的基本原理如图1所示。

图1中示意：水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成，水经电化学反应，可以分解产生氢气和氧气。氢氧发生器采用电化学、材料学、电子学、流体动力学以及自动控制系统工程学等交叉科学的最新研究成果。通过氢氧切割能源机的IGBT逆变技术的电解电源给电解槽的特殊材料极板电极供电，电解槽内设置有按一定规律的多组电解槽，每组电解槽（专利技术）都由正极和负极组成。水分子在电解介质中分解成阳离子（H+）和阴离子（OH-），阴极产生氢气，阳极产生氧气。电化学反应方程式如下：

2 氢氧能源机技术性能与优势

2.1 氢氧能源机的技术性能

中国五矿长沙矿山研究院在氢氧能源机的研制上取得了突破，获得了一批具有自主知识产权的成果。氢氧能源机的水电解氢氧混合气体发生器已获得六项国家实用新型专利和一项发明专利。

其研发的氢氧能源机技术性能指标如下：

电源输入：380 V；额定容量：31 kVA；最大使用实际工作功率：31 kW；工作气压：<0.2 Mpa；相对湿度：[<90]%；最大产气量（L/h）：10 000±5%；耗水量：<7 kg/h。

工作介质：纯净水；冷却方式：风冷；绝缘等级：F；电源防护等极：IP21S；火焰温度：2 800～3 200 ℃；工作方式：连续工作。

体积：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 氢氧能源机的工艺技术优势

氢氧气作为一种新兴的能源介质，1997年在济源钢铁公司成功使用氢氧焰切割取代剪机切割120～120 mm连铸坯。随着工艺技术的不断提高，采用氢氧焰切割碳钢具有使用安全、成本低、无污染、切割断口质量好等优点。氢氧切割在钢铁企业、造船企业、钢构业、机械制造业等中大型企业迅速普及。由于氢氧能源机既具有压力检测与控制、温度检测与控制、液位检测与控制、自动加水控制、智能风机、远距离遥控等人性化控制等控制功能，又具有缺水保护、过压保护、过流保护、回火保护（专利技术）、漏电保护、过温保护等完善的保护功能。这些功能为氢氧能源机在连铸切割应用中提供了技术支持和安全保障。它在连铸切割技术中占有绝对优势。

（1） 技术优势

中国五矿长沙矿山研究院对氢氧能源机的研究从“电源—发生器—安全措施—自动控制—应用领域”等几个方面有一个比较系统的技术链条，在氢氧能源机的本机技术和应用技术两方面均有自己的独到之处，并且形成了自己的自主知识产权。

（2） 成本优势

氢氧能源机替代传统燃气切割的主要优势是运行成本的优势。使用氢氧能源机切割，与传统燃气切割相比，经实际测算氢氧能源机可以节省运行成本50%以上氢氧气切割与传统切割所用气体成本优势比较见表1。随着能源的越来越紧张，传统燃气的价格也越来越高，作为切割成本越来越高。而氢氧能源机的运行成本主要是电费，电费的价格相对比较平稳。并且，用氢氧气切割可以省除低压氧。

经测试发现：

① 氢氧机切割速度与乙炔相当，比丙烷及液化气快[14，]因此，与丙烷及液化气切割相比，可提高工作效率；

② 氢氧机切割成本是乙炔成本的41%，是丙烷成本的54%，是液化气成本的60%；

③ 氢氧机切割时无废气废烟产生，对环境和人体不造成任何影响，有利于创造环保和健康的工作环境；

④ 氢氧机使用氧气量较少，不需要助燃氧，节省氧气30%，不需要燃气瓶。因此，节省了更换氧气瓶的时间，进一步提高了工作效率；

⑤ 氢氧机不再需要燃气瓶，因此，可节约气瓶的租用费用；

⑥ 氢氧切割比其他燃气割缝小，可以减少钢铁材料的损失。氢氧切割不挂渣，可以免除后续清理工件的时间。

（3） 安全优势

氢氧能源机产生的气体压力小，设计的工作压力为0.05 mPa， 远小于高压气瓶。当不用气体时，自动停止产气；用气时自动开机产气。因此氢氧气的回火爆炸危险远小于气瓶的危险。氢氧发生器是开机实时产气，不贮存气体，整机储存气体仅为0.000 28 m3，不存在泄漏的安全事故。氢氧发生器对万一发生回火的情况也做了相应的安全防范：能源机设有一个防止逆流的单向阀，即氢氧气流动的方向是从机器向火焰枪方向流动，而不能反向流动。氢氧发生器设有一个泄压阀，在发生回火时，逆流阀防止火焰流向设备内部，回火的压力大于0.3 mPa时，泄压阀自动向外泄压，防止爆炸发生。氢氧发生器设有多级水封防回火安全装置。火不能穿过水，起到安全阻火的作用。此外，由于氢氧焰回火时不会像汽油、液化气那样连续慢燃，只会产生一个瞬间的压力，火焰会受压力作用自动熄灭。氢气无毒无味，不会对人体有任何伤害，氢气很轻，即使泄漏也迅速逃向室外大气层，不会形成向汽油一样的聚集效应。

3 氢氧能源机的应用

3.1 氢氧能源机在切割工艺中的应用

随着工业企业的迅速发展，金属加工行业的工业燃气切割技术、工艺、设备、材料等都有创新和发展。燃气切割技术也从原来的单一乙炔切割发展到更安全、环保、节能、清洁、高效多种多样的燃气。氢氧气切割是一种新型的碳钢切割工艺方法，它与传统燃气切割在操作层面上是基本相同的，差别在于氢氧切割技术采用的燃气是氢氧混合气、而不是传统的乙炔、丙烷、金火焰、特利气等气体。

长沙矿山研究院研发的氢氧能源机的单机最大切割能力为 400 mm钢板，完全满足钢厂方坯和板料切割厚度要求。运行时间方面，它可以365天×24 h连续不停机运行，暂载率为100%，因此，完全能满足钢厂24 h连续工作的要求。

在工作效率方面，氢氧切割火焰热能集中，速度快于丙烷切割速度30%左右，因此，工作效率高于其他燃气，完全能满足钢厂切割工作量的要求；在切割品质方面，氢氧切割预热速度快、割缝小、断面光滑、不挂渣、垂直度好，完全满足钢厂切割品质的要求。此外，氢氧能源机全自动运行，无需人工干预，与现有操作方式完全相同，操作易上手。

3.2 氢氧能源机在连铸工艺中的应用

氢氧焰的温度与乙炔温度相当，高于丙烷温度。由于氢氧焰的火焰集中特性，预热速度、切割速度与乙炔相当，并且快于除乙炔以外的任何其他燃气。随着工艺技术的不断提高，采用氢氧焰切割碳钢具有使用安全、成本低、无污染、切割断口质量好等优点。长沙矿山研究院在氢氧机项目上已经进行了相关的理论研究和可行性试验工作，所研发的氢氧能源机具备的切割工艺是一种成熟的工艺。

与传统燃气切割相比，氢氧能源机可以节能40%以上，切割速度要快15%以上，割缝比传统燃气小15%，设备为即产即用，不储存气体，安全性大大提高，具有节能、安全、零排放等优势。已在几百个工厂有十年以上的连续无故障运行记录。可在钢铁、造船、钢构、机械制造等需要连铸工艺技术的中大型企业普及和应用，可以解决传统石化燃气对连铸坯进行切割时产生的堵塞烧嘴、挂渣多、切割残渣难以清理、割缝宽、金属损耗大、耗材量大、污染大等一系列问题。要提高钢材和切割工艺的质量，在连铸坯切割工艺中使用氢氧切割技术十分必要。

3.3 氢氧能源机在其他领域的应用

氢氧能源机输出的产物为高热燃气——氢氧气，可以替代当前用的工业燃气，比如，乙炔、丙烷、特力气、煤气、石油气和重油等。根据工业行业的燃气的需求和氢氧能源机产气量的大小，可以应用到黑色金属的切割、有色金属和黑色金属焊接、石化燃料的催化燃烧、制药业和玻璃行业的加热等多种行业和部门 。

4 结 语

通过分析对比氢氧切割能源机和传统石化燃气切割设备发现，氢氧切割替代传统切割工艺有其独特的优势，在连铸坯切割工艺中使用氢氧切割技术也是十分必要的。中国五矿长沙矿山研究院研制氢氧能源机在技术、成本、安全等方面有着独到的优势，且在应用测试中运行相当稳定，他替代传统石化燃气连铸坯切割技术的应用是可行的，应得到推广和普遍应用。

参考文献

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