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                      氧乙醇油品焰火度数运算和烧焊技艺实验探讨
                      AUTHOR:    DATE: 2018-07-12

                       

                      1氧乙醇汽油的温度计算
                      1.1乙醇汽油燃料的介绍
                      在计算中,选用辛烷值为90的参考燃料(PRF90,PrimaryReferenceFuels,体积比为90%的异辛烷和10%的正庚烷混合)代替汽油,10%乙醇与90%PRF90、50%乙醇和50%PRF90混合制成乙醇汽油燃料。其意义是:(1)PRF90的辛烷值和实际汽油的辛烷值相近;(2)汽油的主要成分是C5~C11的烷烃与环烷烃,正庚烷和异辛烷所含的碳原子是汽油成分所含碳原子的平均数,同属于烷族,化学性质相近;(3)PRF90成分比汽油简单,便于用化学方程式进行计算。  1.2乙醇汽油的特性
                      (1)由于在汽油中加入了乙醇,乙醇的分子结构中含有羟基,使得汽油分子中增加了氧原子,氧原子的存在起到助燃的作用。因此加入乙醇的汽油形成含氧燃料,乙醇中的含氧量高达34.7%,添加10%乙醇,氧含量可达到3.5%,使燃料分子完全燃烧的条件得到改善,有利于未燃完CH、CO的氧化,减少CH、CO的排放。
                      (2)由于乙醇的碳原子数目为2,分子结构中含有氧原子,燃料分子结构简单使得燃烧过程大大简化,不会出现大量的燃烧中间产物,燃烧过程稳定。
                      但乙醇的汽化潜热比汽油大,使得燃料的最高燃烧温度比纯汽油的低。
                      (3)由于乙醇中的辛烷值(RON)指数可达111个单位,乙醇按10%的比例混合配入汽油中,可使辛烷值提高2~3单位,提高了混合燃气的抗爆性能。
                      (4)乙醇的主要原料是含糖作物、含淀粉作物以及纤维类原料,来源广泛,加工工艺成熟,价格便宜,是当前典型的可再生资源。
                      1.3热力学依据
                      当系统的状态发生变化并引起能量发生变化时,这种能量的变化必须依赖于系统和环境之间的能量传递。系统与环境之间的能量传递可通过两种方式,一种是“热”,一种是“功”。因为反应是在常温敞开系统下进行,为定压过程,根据热力学第一定律:ΔU=U2-U1=Q-W,在此条件下如果反应进行得很缓慢,反应放出的热量能及时传出,则反应物温度和生成物温度相同。而乙醇汽油燃烧反应为剧烈的氧化反应,反应热来不及散失,反应所产生的热量全部传递给生成物,增加其焓值,使温度升高。因此可以利用物质的比热容计算燃烧所能达到的最高温度,即理论燃烧温度。
                      1.4当乙醇的体积浓度为10%时,氧乙醇汽油火焰温度的计算
                      (1)中性焰温度的计算。根据化学反应前后原子守恒的原理,乙醇汽油燃烧的化学方程式为C7.31H16.62O0.1+11.415O2→7.31CO2+8.31H2O(1)当纯氧与乙醇汽油物质的量比为3.605时,燃烧后的气体中既无过剩的氧气,也无游离碳,此时形成的火焰为中性焰。
                      如果所有气体均为理想气体时,1mol乙醇汽油完全燃烧需要11.415mol的氧气,根据乙醇汽油火焰中性焰的特点,其中11.415mol的氧气有3.605mol是来自氧气瓶提供纯氧,另外7.81mol的氧气来自空气。按空气中氧气与氮气的体积比为0.21∶0.79,那么7.81mol的氧气会带来29.38mol的氮气,乙醇汽油气体燃烧的温度为T,通过计算得出此时:T=2507.94K,t=2234.94℃。
                      (2)氧化焰的温度计算。
                      假设纯氧与乙醇汽油物质质量比为n(11.415≥n≥3.605),根据反应式可知1mol乙醇汽油和11.415mol氧气完全反应,其中11.415mol氧气中nmol来自氧气瓶,(11.415-n)mol由空气提供,因此带入3.76(11.415-n)molN2。假设乙醇汽油燃烧的火焰温度为T,焓为状态函数,通过计算整理得出当纯氧与乙醇汽油物质量比为3.605~11.415,氧乙醇汽油的火焰温度为2234.94℃~3626.38℃。
                      1.5乙醇的体积浓度为50%时,氧乙醇汽油火焰温度的计算
                      中性焰温度的计算。按照上述计算原理,当乙醇的体积浓度占50%时,利用试根法得T=2598.88K,t=2325.88℃。氧化焰温度的计算:通过计算可得当纯氧与乙醇汽油物质量比为2.225~7.675,氧乙醇汽油的火焰温度为2325.88℃~3762.65℃。
                      因此当乙醇汽油中乙醇的体积浓度不同时计算出来的火焰温度如所示。
                      2三种状态下乙醇汽油火焰长度分析
                      2.1燃烧过程氧气消耗量的分析
                      氧乙醇汽油的燃烧过程与氧乙炔燃烧过程相似,都是由三个区域组成,分别进行三种不同的反应过程。  乙醇汽油的理论燃烧温度
                      2乙醇汽油的燃烧过程
                      从2可以看出,首先是焰心部分进行乙醇汽油分解反应,在内焰部分,碳原子与氧气反应生成CO,这时的氧气分别来自乙醇汽油自身分解和氧气瓶提供的氧气,分别消耗3.655份和2.475份氧气,其中有0.05份和0.25份来自自身分解,3.605份和2.225份氧气由氧气瓶提供,外焰消耗7.81和5.45份氧气。
                      (1)在绝对氧化焰的情况下,外焰氧气完全由纯氧供应。由于没有空气参与,当乙醇汽油中含10%和50%乙醇时,火焰的外焰区域总共有15.62体积和10.9体积生成气体,火焰长度大约为乙炔中性火焰长度的1.8倍和1.2倍。
                      (2)在氧化焰的情况下,外焰氧气由空气和纯氧共同供应。当乙醇汽油中含10%和50%乙醇时,空气分别提供3.655mol和2.475mol的氧气,分别代入13.74mol和9.31mol的N2,这时火焰的外焰区域共有29.36和20.21体积生成气体,与乙醇中性焰时外焰区域气体体积8.64相比大约多了3.4倍和2.3倍。
                      (3)在中性焰的情况下,外焰氧气完全由空气提供,含10%和50%乙醇的乙醇汽油外焰区域由空气分别代入29.38体积和20.50体积的N2,使得外焰区域生气气体体积数为45.0和31.40,大约是乙炔中性焰外焰生成气体体积数8.64的5.2倍和3.6倍。
                      因此,可以得出乙醇汽油在三种不同状态下外焰区域生产气体的体积数,如所示。
                      由可知,乙醇汽油燃烧充分、稳定,抗爆能力强,虽然乙醇汽油的火焰温度比乙炔、汽油温度低,但也能保持在2234.94℃以上,而且金属切割过程中的热量有70%由金属燃烧产生,而预热火焰提供的热量仅占30%。所以可以满足切割预热金属使之达到燃烧点,足以使钢材预热到燃点并维持整个切割打孔过程。而且氧乙醇汽油中性焰的外焰长度大约是氧乙炔中性焰的3.6~5.2倍,可以深入割缝内部进行加热,对氧化熔渣起到了保温作用,保证了熔渣具有足够的温度和流动性,使得熔渣容易去除。因此从理论上看,乙醇汽油作为切割替代燃料能够节约能源,缓解当前石油短缺的能源危机,减少了污染物的排放,是一种节能、环保的新型切割替代燃料。
                      3氧乙醇汽油与氧乙炔切割试验
                      3.1试验设备和实验工艺参数
                      试验中分别用氧乙醇汽油和氧乙炔对12mm的Q235钢材料进行切割,并利用自动切割机的行走机构,将手工射吸式割炬固定在小车式自动切割机上以实现自动切割,通过调节行走速度,实现在最佳状态下的最大切割速度。氧乙醇汽油和氧乙炔火焰切割工艺参数。
                      外焰区域生成气体的体积数
                      3.2切割质量比较
                      氧乙醇汽油火焰温度低于氧乙炔的燃烧温度,所以切割时预热时间要比氧乙炔预热时间长,切割速度慢,但火焰保护性好,切割处的金属不易被氧化,切割后切口表面光滑平整,挂渣非常少且容易清除,棱角完好。切割过程中乙醇汽油的压力基本稳定,火焰能稳定燃烧,不易回火。氧乙炔在切割时容易回火,切割后易切口上缘熔化、挂渣不易清除、后拖量增加等现象。这是由于乙醇火焰内外焰的温差大,热量集中于焰心,热量分布不均匀造成的。是两种切割方法切割面质量参数比较,可以看出,氧乙醇汽油可用于切割金属。
                      4结论
                      (1)通过理论计算,表明了当乙醇体积浓度在10%~50%时,乙醇汽油的理论燃烧温度在2234.94℃以上,氧乙醇汽油在三种状态下火焰长度要比乙炔的长1.2~5.2倍,使得切割后的氧化熔渣更容易清除,而且燃烧充分,节约能源,环境污染小。
                      (2)通过试验可知,与常规的氧乙炔切割方法相比,在切割相同金属的过程中,氧乙醇汽油火焰燃烧更稳定,不易回火,切口表面光滑平整,熔渣易清除。