水焊机原理及商业化应用

1、现代水焊机原理及商业化应用长沙沃克能源成套设备有限公司 可再生能源行业协会审编1、 水焊机原理水焊机又称氢氧发生器、布朗气发生器，在有些行业中称为水焊机，水氧焊机、水氢火焰机，有时也称为氢氧焊机、氢氧焰机、氢氧能源机。事实上都是通过水电解产生氢气和氧气的装置。水焊机是将工频电（交流电）进行整流转换直流电，在电解槽中对碱性水（H2O）进行电化学分解形成氢离子（H+）和氢氧离子(OH-)，其中氢离子移向电极板的阴极面，形成氢气(H2), 氢氧离子移向电极板的阳极面，形成氧气(O2)。在电解槽中形成的氢气和氧气，经冷却装置冷却、安全装置（防回火装置）处理后，通过软管输送至氢氧火焰枪，打开氢氧火焰枪阀

2、门，即可通过打火机点火（或电子点火）点燃，形成氢氧火焰，可用于切割、加热或是焊接作业。根据行业应用的不同，稍加改造，也可以应用于其他行业如重油催化燃烧提高燃烧效率、汽车发动机引擎除积碳等。2、 水焊机产品的特点水焊机是一种只需要水和电就可以按需产生氢气和氧气的设备。氧气是一种助燃的气体，氢气是一种无碳气体。氢氧气体的制造和使用过程中均不会对环境产生影响。通过水焊机产生氢氧能源燃料，与其他燃料相比，具有如下优点：1) 安全环保：ü 氢气分子量为2,比空气轻1/14,因此，氢气泄漏于空气中会自动逃离地面，不会形成聚集。而其他燃油燃气均会聚集地面而构成易燃易爆危险。ü 无味无毒，

3、不会造成人体中毒，燃烧产物仅为水，不污染环境。2)高温高能： 1kg氢气的热值为34000Kcal,是汽油的三倍。氢氧焰温度高达2800度，高于常规液气。3)热能集中： 氢氧焰火焰挺直，热损失小，利用效率高。4)自动再生： 氢能来源于水，燃烧后又还原成水。5)催化特性： 氢气是活性气体催化剂，可以与空气混合方式加入催化燃烧所有固体，液体、气体燃料。加速反应过程，促进完全燃烧，达到提高焰温、节能减排之功效。6)还原特性：各种原料加氢精炼.7)变温特性：可根据加热物体的熔点实现焰温的调节。8)来源广泛：氢气可由水电解制取，水取之不尽，而且每kg水可制备1860升氢氧燃气。9)即产即用：利用先进的自

4、动控制技术，由水焊机按照用户设定的按需供气，不贮存气体。10)应用范围广：适合于一切需要燃气进行火焰加工的场合，特别是火焰切割、火焰焊接、加热等领域。11)节能效果显著：如下表所示。按每千焦热值的成本进行比较。3、 水焊机产品的安全性沃克能源水焊机使用起来是非常安全的。1) 用电安全a. 沃克能源水焊机采用了专用电解电源，内置隔离变压器将交流输入与直流输出进行了物理隔离, 并且输出的直流电是低压的。电源采用独立封闭的外壳，不会有触电风险。b. 所有的控制系统都是12V或是24V低压供电。以上两点保证，即使打开水焊机的外壳，里面人手可见的地方，因为都是低压部分，因此都是可以触摸的，不会触电。c.

5、 机器内置过压、过热、过流、超温、缺水、短路等保护功能，出现故障时自动停止产气。2) 用气安全a. 机器内置双备份的压力检测装置，氢氧气体的产生高于0.2Mpa时，自动停止产气。与气瓶压力相比，水焊机的最大供气压力是气瓶(10Mpa)的2%。这一装置保证用户用多少气产多少气，用不完就停止产气，不贮存多余的气体，从而避免了高压气瓶存在的风险。b. 机器内置泄压装置，即使在压力控制器失效的情况下，当压力超过0.3Mpa时，自动泄压。c. 机器内置防回火装置，氢氧气体输出时经过湿式防回火罐的底部，由于湿式防回火罐中有水，因此，气体是从水中冒出来的。当有回火发生时，水将火封住并自动熄灭。d. 防泄漏保

6、护：沃克能源的水焊机采用一体化成形的防爆电解槽，杜绝了气液泄漏。其次，即使有气体泄漏，由于氢气的密度低，重量轻，因此，氢气不会聚集地面而是向上向外迅速逃逸。4、 水焊机产品系列5.1 微型水焊机系列5.1.1) OH100微型水焊机电源输入220V/110V 功率400W产气量80100升/小时每小时耗水量0.054升/小时重量12kg体积L*W*H480*280*360mm应用范围：焊接、加热5.1.2) OH200微型水焊机电源输入220V/110V 功率800W产气量180200升/小时每小时耗水量0.11升/小时重量31kg体积L*W*H620380420应用范围：焊接、加热5.1.3

7、) OH300微型水焊机电源输入220V/110V 功率1200W产气量280300升/小时每小时耗水量0.17升/小时重量38kg体积L*W*H780380520应用范围：焊接、加热5.1.4) OH400微型水焊机电源输入220V/110V 功率1400W产气量360400升/小时每小时耗水量0.22升/小时重量48kg体积L*W*H950380520应用范围：焊接、加热5.2 中大型水焊机系列5.2.1) OH1500高效水焊机应用：切割、焊接、加热、催化燃烧、除碳1). 电源输入：380伏三相四线输入2).额定容量：6KVA   实际工作功率：34.5KWH3).工

8、作气压：<0.2Mpa4).相对湿度：<90%5).产气量：10001500L/h6).耗水量：<1kg/h7).工作介质：纯净水8).冷却方式：风冷9).绝缘等级：F10).电源防护等极：IP21S11).火焰温度：2800度12).工作方式：连续工作13).体积：L*W*H  1200*800*1200 14).重量：280kg5.2.2) OH3000高效水焊机应用：切割、焊接、加热、催化燃烧、除碳1). 电源输入：380伏三相四线输入2).额定容量：9KVA   实际工作功率：68KWH3).工作气压：<0.2Mpa4).相对湿度：

9、<90%5).产气量：25003000L/h6).耗水量：<2kg/h7).工作介质：纯净水8).冷却方式：风冷9).绝缘等级：F10).电源防护等极：IP21S11).火焰温度：2800度12).工作方式：连续工作13).体积：L*W*H 1300*800*130014).重量：330kg5.2.3) OH5500高效水焊机应用：切割、焊接、加热、催化燃烧、除碳1). 电源输入：380伏三相四线输入2).额定容量：18KVA    工作功率：1416KWH3).工作气压：<0.2Mpa4).相对湿度：<90%5).产气量：45005000

10、L/h6).耗水量：<3kg/h7).工作介质：纯净水8).冷却方式：风冷9).绝缘等级：F10).电源防护等极：IP21S11).火焰温度：2800度12).工作方式：连续工作13).体积：L*W*H   1500*800*145014).重量：396kg5.2.4) OH7500高效水焊机应用：切割、焊接、加热、催化燃烧、除碳1). 电源输入：380伏三相四线输入2).额定容量：6KVA   实际工作功率：34.5KWH3).工作气压：<0.2Mpa4).相对湿度：<90%5).产气量：10001500L/h6).耗水量：<1

11、kg/h7).工作介质：纯净水8).冷却方式：风冷9).绝缘等级：F10).电源防护等极：IP21S11).火焰温度：2800度12).工作方式：连续工作13).体积：L*W*H  1650*800*1500 14).重量：552kg5、 沃克水焊机产品的特点沃克能源公司水焊机吸收了韩国Best公司、加拿大Eagle-Research研究所、澳大利亚Yull Browns,美国William Rhodes,Bob Boyce等公司水焊机(Oxy-hydrogen Generator)的实用高效的特点，并结合中国特点而研究开发的新一代工业级高效节能型水焊机。沃克能源水焊机产品具有如下特

12、点：1) 电源：采用进口IGBT功率管制作的逆变直流谐振电源，电解效率高、电解电流稳定可调，产气量稳定可调节；可连续二十四小时长期不间断工作。同类厂家采用可控硅整流，电源效率低。2)电解槽：采用大型模具一体化成型，抗爆防泄漏性能非常高、使用寿命长，适合各种复杂工况条件。3)散热系统：结构合理的三维立体散热风道设计，确保散热效果，不需要水循环冷却。4)安全系统：采用多级回旋式水封设计、自动检测及控制安全水位，确保100%防回火可靠，免干式阻火器。5)控制系统：自动水位控制、自动压力控制、异常捕获设置，压力稳定装置。6)水气分离系统：重力回旋水气分离、水汽收集及回流设计，确保气体输出管路中不带水分

13、。7)其他：能源专业博士领队的研究开发队伍、ISO9000质量管理体系、CCC电器强制认证、欧洲CE认证。以下是沃克水焊机与同行其他水焊机厂家的对比表格序号项目厂家沃克能源其他厂家1电源采用IGBT 变频技术，交流电源转为直流电源的转换效率差高。采用可控硅整流技术，交流电源转为直流电源的转换效率差。2电解槽采用一体化成型电解槽，没有气液泄漏的地方。采用串联、拼装方式，每块极板之间都设有一个密封圈，通过密封圈防止气液泄漏。每个电解槽有几十个密封圈，只要有一个密封圈泄漏，电解槽就不能正常使用，因此，电解槽的技术问题。3防回火采用专利技术的湿式防回火装置，并内置了自动泄压、自动恢复装置，不需要手工复

14、位。防回火百分之百可靠，永不失效。采用干式阻火器防止回火，每次回火都要手工复位才能使用。多次回火后，阻火器内的橡胶密封垫损坏会导致防回火失效。4气压稳定性内置压力稳定装置，有智能感应装置检测用户的气量需求，而实现产气量的自动调节，保证产气量等于用户的用气量，从而保证气体输出压力的稳定性，保持火力的稳定。这一特性对于自动化流水线作业，尤其重要。当用户的用气量少于机器的产气量时，会引起机器内部过压保护自动停机，当机器内部压力下降时，又自动开机。在自动停机然后又自动开机的这段时间，气压的波动会导致火焰不稳定从而可能引起产品加工的不一致性。5散热效果独特的风道设计以及较大的散热空间，满足在夏天40度高

15、温时连续24小时作业的需求。机器内部器件安装紧密、散热空间少，在夏天会出现散热不良导致：1)热保护自动停机 2) 气体带水分，降低火焰温度，影响产品质量。6、 水焊机产品的商业化应用6.1 沃克能源水焊机在碳钢切割领域的应用6.1.1 氢氧切割的优点1) 与乙炔、丙烷等燃气比，火力集中、同等能量条件下预热时间短。左图为氢氧焰（直线形状），右图为氧乙炔焰（如灯笼状）2) 与其他燃气切割相比，火焰对工件的热影响区小。左边图是氢氧切割的热影响区（heat affected zone）,右边是乙炔切割的热影响区。3) 与其他燃气切割相比，几乎不挂渣、切割断面垂直性好。左图是氢氧切割效果图，右图是乙炔切

16、割效果图。4) 零污染、无黑烟发生。有利于环保和工人的身体健康。氢氧切割：2H2+O2à 2H2O , 在切割过程中只生成水蒸汽，无任何碳排放。乙炔切割：2C2H2+5O2à4CO2+2H2O 有二氧化碳排放氧-丙烷切割：C3H8+5O2à 3CO2+4H2O有二氧化碳排放其次：氢气是无味无毒的，而乙炔、丙烷等工业燃气含有硫化物、铅化物等有害物质，工人吸入常会引发呼吸道疾病。5) 节能效果显著a) 采用氢氧切割机，利用水电解产生氢气和氧气，不再需要燃气瓶，可以省去燃气瓶的租赁、搬运、贮存的费用。b)氢氧切割由于自产部分低压氧气，可以节省预热氧，只需要少量高压氧即可

17、。氢氧切割与氧乙炔切割相比，节省50%左右, 与氧丙烷切割相比，节省30%左右。6.1.2 沃克氢氧切割机选型指南1) 选型所需要的数据向我公司咨询选型方案时，我公司需要贵公司提供如下数据：项目枪数切割最大厚度是否需要打孔每天工作时长1手工切割2直线切割3仿形切割4数控切割2)沃克水焊机切割技术参数项目型号OH1500OH3000OH5500OH75001单机最大切割厚度/单机最佳切割厚度(注1)30/15100/50150/80250/1202单机打孔最大厚度1050801003一机双枪(注2)不支持不支持双枪，切割30双枪切割504一机多枪(注2)不支持不支持不支持三枪切割30mm最大支持

18、4枪切割20mm注1:单机最大切割厚度是在不打孔情况下，能够切割的最大厚度，但不保证切割品质及速度。单机最佳切割厚度是指在不打孔的情况下，小于或等于这个厚度时，切割品质有保证，切割速度也能接受。注2:一机双枪或一机多枪时，只支持同时切割、同时停止的方式，不支持某些割枪刚开始不用，然后在其他枪工作时，又突然开火启动的方式。注3:本文所述切割厚度的单位均为mm. 注4:氢氧切割一般用于切割碳钢，用于切割含镍铬较高的合金钢或不锈钢时，不能使用普通切割工具，只能采用氧矛枪进行切割。6.1.3 沃克氢氧切割的应用范围沃克能源氢氧切割机可广泛应用于机械制造业、造船厂、钢结构加工厂的碳钢切割以及炼钢厂的连铸

19、坯切割。可与手工切割枪、半自动切割机、仿形切割机、数控切割机进行配套取代传统的燃气。沃克能源水焊机切割机切割现场图6.2 沃克能源水焊机在焊接领域中的应用6.2.1氢氧焊接与其他燃气焊接的对比氢氧焊接技术源于二十世纪五十年代，最早始于首饰加工行业，经过不断的发展完善，现巳慢慢普及到其他各个行业中。氢氧焊接机是以水为能源，通过电解产生氢气和氧气，以氢气为燃料，以氧气助燃，产生高温高能的氢氧焰，代替乙炔、丙烷等工业燃气进行焊接作业。氢氧焊接与其他焊接技术相比，具有如下优点：ü 操作方便：设备自动产氢氧燃气，不再需要瓶装燃气（如乙炔、丙烷、液化汽）和氧气瓶。开机即可产气，停机停止产气。气压

20、高时（如产气量用不完）则设备自动关机，气压不够时，自动开机。设备可由用户调节产气量大小。ü 焊接快：由于氢氧火焰可达2800度，可以在1秒钟左右迅速将焊点位置加热至熔点完成焊接。ü 焊接精确度高：由于氢氧火焰集中，可以实现精密器件的焊接。ü 焊点光滑美观：由于氢氧火焰燃烧时不产生碳化物，无黑斑污点产生，免除清洗、免抛光的二次处理。ü 环保：氢氧燃料来源于水，燃烧后生成看不见的水汽，不对环境产生任何污染。ü 安全：即产即用，按需低压供气，不用不产。(详见5.3 使用水焊机安全吗？)ü 节能：与其他燃气相比，节省成本30%以上，并且省去氧

21、气费用，合计节省成本40%以上。以灯饰焊接为例，每支焊枪每小时用气量为0.5立方、电价为0.8元/度计算，每支焊枪耗电量为0.5*4.5=2.25度电, 2.25*0.8=1.8元/小时。而每支焊枪每小时需要丙烷气（碳三气）费用为2.5元/小时，氧气费用0.5元/小时，合计需3元/小时。节省率为(3-1.8)/3=40%.6.2.2 氢氧焊接的应用序号项目图例1金银首饰焊接、熔铸。2电机漆包线焊接或漆包线与引出线焊接3热电偶及铂电阻引线焊接4乐器焊接5空调铜管焊接6其他汽车排气管焊接鱼钩焊接蓄电池铅板焊接灯饰五金焊接6.3、沃克能源水焊机在加热、熔封领域中的应用沃克能源水焊机在金属与非金属加热

22、、玻璃管熔封、安瓿瓶熔封、水针剂拉丝封口、有机玻璃火焰抛光、模具修补、义齿焊接、工件淬火、坩锅加热熔炼金属、太阳能晶片加工、IC封装、实验室焊接教学等领域的应用也非常广泛。序号项目图例1有机玻璃火焰抛光2安瓿瓶熔封口3石英玻璃管封口4制药厂水针剂拉丝封口5其他模具修补、义齿焊接、工件淬火、坩锅加热熔炼金属、太阳能晶片加工、IC封装、实验室焊接教学6.4、沃克能源水焊机在催化燃烧领域中的应用6.4.1 沃克能源水焊机在工业锅炉节能领域的应用众所周知，锅炉采用的燃料多为煤、重油、柴油等，这些燃料是大分子碳氢化合物，难于充分燃烧。为了充分燃烧，必须鼓入大量的空气，但是过多的空气加入，又会降低炉膛的温

23、度，因为空气要被加热，要从排风口排出。另一方面，空气中氧气的含量仅为21%, 氮气的含量为79%，大量空气的加入，同时也会增加氮氧化物（也是废气）的排放。如此可见，空气过少、燃料无法完全燃烧，热值不能充分利用，空气过多，排气热损失急剧增大，热值也不能充分利用。所以，采用空气助燃的锅炉，是难以达到理想的燃烧状态的，一般燃烧效率仅为60%左右。 水燃料水焊机产生的氢氧混合气（也称布朗气）能催化燃烧各种固体、液体、气体，这已被科学家所证明。其原理如下：1. 氢氧混合气中含有充分的氧气，1立方氧气就可以取代5立方空气，可以减少大量的排气热损失以及80%的氮化物的排放。2. 任何碳氢化合物的燃烧都首先转

24、换成CO,然后再转换二氧化碳。即 CnHm à CO + 热 à CO2+热。实验证明：CO转换成CO2的过程，必须有O和OH原子团的参与才能完全燃烧，如果没有这两种原子，纯氧气分子与CO的反应过程将是缓慢进行的。O+COàCO2, OH+COà H+CO23. CO向CO2转化所需的OH 及O原子团，正是氢氧混合气产生的，2H2+O2à H2O+OH+H，H+O2à O +OH。4. 综上1,2,3所述，水燃料水焊机产生的氢氧混合气加入到煤或重油或柴油中，可以加速燃烧的反应过程，促进完全燃烧。5. 由于OH+COà

25、;H +CO2 ，H+O2àO+OH可知，氢氧混合气一旦加入，就不断会产生H原子，H原子继续与O2反应，生成CO向CO2转化所需的O和OH原子团， 这说明只要在初始状态通入氢氧混合气，即使停止一段时间供应氢氧混合气，也能起动催化燃烧的作用。6. 通入少量氢氧混合气，即可达到20的节能效果。测试数据：将布朗气（氢氧混合气）通过特定的方式引入传统的燃烧器中，即构成布朗燃烧器。在下列的测试中，我们采用OH5500水焊机（内置回火保护系统）一台、DeltaPLC DVP20EX构成的燃烧器自动控制系统一套。其主要技术指标为：热输出功率/kW ：500电源 三相：380V电源功率/kW：16布

26、朗气输出/m ·h：5布朗气工作压力/Mpa： 0.1主要由 PLC 构成的控制系统在线监测火焰及烟气，经过处理反馈到控制端，实现自动点火、自动调整补风和布朗气供给、熄火保护等功能。测试结果如下：1） CO排放CO 含量常用来评价燃烧性能，排烟中其含量高则燃烧不完全，反之亦然。CO 的氧化反应（燃烧）一般认为是所谓“复杂链锁反应”，成立的条件是必须有O、H和OH 等原子或原子团组成的活化中心参与反应，它们对CO的氧化反应起了触媒作用图2、图3 是燃烧器检测平台尾气中CO 排放和二燃室温度的在线检测结果。T1 、T2 是二燃室内不同位置的，两个热电偶测试温度值。分别是CO排放开A,A,

27、B,B 分别是CO排放开始降低点、降为零点、开始回升点、升至平稳点对应的二燃室的温度值。 表1 中T值是尾气中CO排放发生变化时二燃室平均温度值。尾气中 CO 排放与二燃室的平均温度具有明显的相关性，当布朗气打开时，二燃室的平均温度下降了123。布朗气使 CO 氧化反应速度加快，表现出显著的催化燃烧效果, 验证了布朗气及其燃烧中间产物的触媒作用。2） NOx 排放氮氧化物是指 NO 和 NO2 等的统称，通常用 NOx来表示，按生成机理可分为温度型、燃料型和快速温度型三种类型。由表2知，当布朗气打开时，尾气中的NOx 浓度均有一定程度的提高，其原因在于布朗气使燃烧器的火焰传播速度加快，火焰高温

28、区面积增大，属于温度型氮氧化物增加。3) 空气过剩系数燃烧器为保证燃烧充分，必须有充足的补风量，即采用较大的过剩空气系数；但增大过剩空气系数，将使燃烧后烟气量及排烟热损失增加，影响燃烧效率。实际工程应用中，在保证燃烧完全的条件下，尽可能采用较低的过剩空气系数，一般控制在1.21.3。不同工况下，在燃烧排放相近并达标的条件下，布朗气复合燃料燃烧器的过剩空气系数1.01（表2），已经优于气体燃料燃烧器的理想水平，十分接近过剩空气系数的理想值1。极小的空气过剩系数大大减少了炉内过剩空气的加热热损失，且大幅度减少了烟气的排放量。临界工况开布朗气，待燃烧稳定、排放达标，氧气含量由35降低为0.2 0.4

29、，从侧面反映了极低的过剩空气系数下的稳定燃烧。4） 燃料经济性在当前国际油价居于阶段性高位、燃油价格居高不下情况下，利用布朗气燃烧技术提高燃烧器、焚烧炉的能源利用效率，是一种非常有效的节能模式。在 MT-15-2 型控气式热裂解焚烧炉上的应用实验验证了布朗燃烧器的节能效果。正常工况下，二燃室采用Olympia 50kg 燃烧器助燃，只有A或B单炉燃烧才能保证尾气排放达标。采用相同油耗的布朗燃烧器，保证尾气排放达标条件下，可以将 A、B 两炉同时进行燃烧处理（A、B炉的点火时间相差约1h）。焚烧炉二燃室油耗降低一半且工作效率提高一倍，经济效益显著。5）结 论（1）布朗气的加入量<5m3 /

30、h，与燃烧器的补风量相比微乎其微，但其催化燃烧效果显著；（2）布朗气对炉壁有吸附作用，其滞后效果明显，因此可间歇式通入布朗气，其效果和连续通入并无明显差异；（3）CO排放量降低，但随着燃烧温度的增高和火焰高温区面积的增大，温度型氮氧化物含量有所增加；（4）在相同排放水平条件下，可以采用更低的过剩空气系数以提高焚烧效率。6.4.2沃克能源水焊机在垃圾焚烧领域的应用沃克能源水焊机产生的氢氧混合气（又称布朗气）催化燃烧具有二恶英抑制作用。（1）常规含碳燃料不完全燃烧可能产生五氯酚，在炉膛尾部形成二恶英，引入布朗气使碳黑和烟气排放同步降低，减少了五氯酚生成带来的二恶英排放和碳黑颗粒吸附的二恶英。（2）由电解水产生的布朗气带有一定的碱性水溶液，碱的氧化性气氛已有前人验证对二恶英有抑制作用。（3）二恶英的加氢热解效果优于化学热解，在350加热1小时有99的脱氯效果。固相二恶英的浓度是生成反应、解析反应和分解反应共同作用的结果，而加氢环境使得垃圾焚烧过程中二恶英的解析反应和分解反应占主导，具抑制二恶英生成效果。二恶英的光解实验也得出同样的结论，即溶剂