提高天然氣切割性能的實(shí)驗(yàn)研究

袁勝芳，汪潔勝，2，顏事龍，黃文堯

（1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001，2.舟山劃時(shí)代科技?xì)怏w發(fā)展有限公司，浙江 舟山 316021）

提高天然氣切割性能的實(shí)驗(yàn)研究

袁勝芳1，汪潔勝1，2，顏事龍1，黃文堯1

（1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001，2.舟山劃時(shí)代科技?xì)怏w發(fā)展有限公司，浙江 舟山 316021）

為提高天然氣切割性能，采用松節(jié)油和異丙醇混合，加入二茂鐵溶解制得一種增效劑，將天然氣與增效劑預(yù)混得到的高效天然氣對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)熱時(shí)間和切割速度的測(cè)試，結(jié)果表明，加入增效劑后天然氣的預(yù)熱時(shí)間短，切割速度明顯提高，并優(yōu)于氧-乙炔的性能。

天然氣；增效劑；金屬切割；性能

DO I：10.3969/j.issn.1671-4733.2010.02.19

一 引言

目前，在我國(guó)的工業(yè)火焰切割領(lǐng)域其切割方法主要采用氧-乙炔氣進(jìn)行切割。但是，乙炔在生產(chǎn)和使用過(guò)程中污染大、能耗高、安全性差。國(guó)內(nèi)外正在尋求其他的燃?xì)鈦?lái)替代乙炔氣［1］。常用的燃?xì)庵饕斜?、丙烯、丁烷、甲烷、液化石油氣等，?duì)于這些烴類(lèi)燃?xì)?，其爆炸極限都較乙炔范圍窄，因而操作安全性較高。但另一方面，這些燃?xì)獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣容^慢，火焰溫度也較乙炔低，在實(shí)際使用過(guò)程中，和乙炔氣相比，在性能和操作方式上會(huì)有一定的差異。

用天然氣作燃?xì)馇懈罱饘?，工件不易燒塌，切口光滑平整，掛渣少、易清除，切割時(shí)，與乙炔相比，預(yù)熱時(shí)間稍長(zhǎng)，但切割速度與乙炔相當(dāng)。此外，天然氣成本低無(wú)污染，使用方便安全可靠。因此，在金屬切割中，已越來(lái)越廣泛地使用天然氣。但是，與乙炔相比，天然氣的火焰溫度較低，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔桓撸纳苹鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?，是天然氣能夠全面替代乙炔燃?xì)獾年P(guān)鍵［2］。

二 實(shí)驗(yàn)部分

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響火焰正常傳播速度包括燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響、增效劑的影響、混合可燃物初始溫度的影響、火焰溫度的影響等［3］。為了使氧-天然氣火焰可用于焊接，主要是提高其火焰溫度，改善火焰的傳播速度，同時(shí)應(yīng)避免因氧的過(guò)量而導(dǎo)致工件及填充材料的過(guò)度氧化，影響焊接質(zhì)量。二茂鐵類(lèi)衍生物由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)是良好的燃速催化劑，因此選擇其作為主催化劑。從有關(guān)文獻(xiàn)可以知道，一些含氧有機(jī)物可以作為氧-天然氣火焰的燃燒活化劑，并可提高火焰的傳播速度。本研究在添加含氧有機(jī)物以促進(jìn)火焰的燃燒方面，主要使用醇。

配方是：天然氣為主燃?xì)?；二茂鐵為燃速催化劑；異丙醇為燃燒活化劑；松節(jié)油為溶劑。同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)節(jié)各組分的含量，以對(duì)鋼板的預(yù)熱時(shí)間及切割速度進(jìn)行配方優(yōu)劣的評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)

為了分析增效劑的最佳配比，通過(guò)大量試驗(yàn)，本文確定了二茂鐵、異丙醇及松節(jié)油三種原料的加入量，采用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，其位級(jí)因素和實(shí)驗(yàn)方案，見(jiàn)表1和表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)位級(jí)因素表

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

2 增效劑的配置

按表2實(shí)驗(yàn)方案，先將松節(jié)油與異丙醇兩種預(yù)先混合攪拌均勻后，加入二茂鐵溶解，靜置24h，過(guò)濾，得到的澄清溶液即是天然氣增效劑。

（二）實(shí)驗(yàn)方法

1 增效劑的加入方式

為使天然氣與增效劑的有效混合，本文設(shè)計(jì)一種增效劑添加裝置，如圖1所示。首先將增效劑灌入裝置A中，然后將天然氣從裝置底部吹入與裝置內(nèi)的增效劑混合，經(jīng)過(guò)裝置B過(guò)濾，然后輸出并與氧氣混合燃燒。實(shí)測(cè)增效劑混入天然氣的量為0.2～0.4％。

圖1 增效劑添加器

該裝置包括兩耐壓容器A和B，耐壓容器A上設(shè)有進(jìn)料口2和進(jìn)氣閥1，同時(shí)在耐壓容器A和耐壓容器B之間設(shè)有導(dǎo)氣管，在耐壓容器B上也設(shè)有進(jìn)料口和出氣閥，在耐壓容器A和B的底部設(shè)有底座。進(jìn)氣閥、進(jìn)料口及導(dǎo)通管位于耐壓容器頂部。其中，耐壓容器A內(nèi)裝增效劑，耐壓容器B主要起過(guò)濾作用，內(nèi)空置。

2 預(yù)熱時(shí)間及切割速度

氣割是利用氣體火焰將被切割的金屬預(yù)熱到燃點(diǎn)，使其在純氧氣流中劇烈燃燒，形成熔渣并放出大量的熱，在高壓氧的吹力下，將熔渣吹掉，所放出的熱量又進(jìn)一步預(yù)熱下層金屬使其達(dá)到燃點(diǎn)。金屬的氣割過(guò)程是預(yù)熱-燃燒-吹渣的連續(xù)過(guò)程；其實(shí)質(zhì)是金屬在純氧中燃燒的過(guò)程，而不是金屬的熔化過(guò)程。所以在氧氣純度、割咀、壓力、工況一定的前提下決定氣割的速度是燃?xì)庠谘鯕饫锩娴幕鹧鏈囟?，反映在切割上為?duì)金屬表面的預(yù)熱快慢。采用G01-100型氧-乙炔割炬如圖2所示、G01-100型氧-天然氣割嘴，測(cè)定加入增效劑后天然氣對(duì)厚度為25mm鋼板的預(yù)熱時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表3。同時(shí)對(duì)加入增效劑后天然氣進(jìn)行切割速度測(cè)定，并與氧-純天然氣和氧-乙炔進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。與氧-純天然氣相比，加入增效劑后的天然氣預(yù)熱時(shí)間明顯縮短，當(dāng)加入4＃增效劑時(shí)預(yù)熱時(shí)間與乙炔預(yù)熱時(shí)間相同；加入增效劑后天然氣的切割速度也明顯高于純天然氣，同時(shí)也優(yōu)于乙炔的切割速度。切割質(zhì)量?jī)?yōu)于氧-乙炔焰，主要是切口光滑平整，掛渣少而且容易清除［5］。

圖2 天然氣割炬

表3 25mm厚鋼板預(yù)熱時(shí)間對(duì)比表

三 結(jié)果與討論

理論上，乙炔完全燃燒可用下述化學(xué)反應(yīng)方程式表示：

但實(shí)際上燃燒是分兩個(gè)階段進(jìn)行的，一次反應(yīng)發(fā)生在火焰的內(nèi)區(qū)（焰心）內(nèi)，用下述化學(xué)反應(yīng)方程式表示：

這一反應(yīng)放出的熱量和形成的高溫是由于乙炔的分解，以及分解出的碳局部氧化而產(chǎn)生的。

當(dāng)焊炬噴嘴中噴出的氣體的比例如上述反應(yīng)方程式所示的那樣為1∶1時(shí)，反應(yīng)形成典型的極為明亮的藍(lán)色焰心，這種相當(dāng)小的火焰產(chǎn)生出焊接鋼板時(shí)所需的燃燒強(qiáng)度，此火焰稱(chēng)作中性焰。其中性焰溫度為3 000℃左右。

表4 切割速度對(duì)比表

在火焰外層，一次反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳及氫和周?chē)髿庵械难跞紵?，形成二氧化碳和水蒸氣，即發(fā)生二次反應(yīng)，其方程式如下所示：

雖然外區(qū)燃燒產(chǎn)生的熱量大于焰心產(chǎn)生的熱量，但由于其橫截面積大，所以，外焰的燃燒強(qiáng)度和溫度均較低。

天然氣的完全燃燒可用下述化學(xué)反應(yīng)方程式表示：

理論耗氧量為2∶1。

其一次反應(yīng)為：

中性焰溫度大約在2 600℃。

氧-天然氣焰的二次反應(yīng)如下：

因此，對(duì)于氧-天然氣焰來(lái)說(shuō)，由于其一次反應(yīng)的熱值及中性焰溫度都較低，因而，對(duì)于焊接，特別是焊接較厚的工件時(shí)，氧-天然氣火焰是有一定缺陷的。我們的試驗(yàn)通過(guò)在丙烯燃?xì)庵屑尤朐鲂┑姆椒?，?lái)增加其燃燒總熱值，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋M(jìn)而達(dá)到提高火焰溫度的目的。

二茂鐵作為燃速催化劑，是因?yàn)槎F具有2個(gè)環(huán)戊二烯Π鍵結(jié)合的層狀結(jié)構(gòu)，Π鍵結(jié)合的對(duì)稱(chēng)分子有芳環(huán)的性質(zhì)，具有很高辛烷值及抗爆性，它在400℃以上時(shí)即可分解產(chǎn)生游離鐵，這種游離鐵很容易與空氣中的氧作用，生成α-三氧化二鐵［6］。α-三氧化二鐵再與未燃燒的工作混合氣中產(chǎn)生的過(guò)氧化物作用，生成化學(xué)性質(zhì)不活潑的有機(jī)氧化物和氧化鐵，而氧化鐵又能與空氣中的氧生成α-三氧化二鐵，使其再產(chǎn)生消除過(guò)氧化物的作用。上述過(guò)程，用化學(xué)反應(yīng)式表示如下：

二茂鐵在燃燒時(shí)，首先分解為游離鐵和環(huán)戊二烯基：

·［Fe］在燃燒室內(nèi)與氧作用生成α-Fe2O3：

α-Fe2O3起催化燃燒過(guò)程作用，使燃燒趨于完全，因此二茂鐵在生產(chǎn)和使用過(guò)程中是安全的。同時(shí)它還能促進(jìn)CO轉(zhuǎn)化CO2，也能提高燃燒效率。

采用松節(jié)油作溶劑，由于松節(jié)油易揮發(fā)，當(dāng)其進(jìn)入火焰時(shí)，不需要消耗熱量來(lái)蒸發(fā)，不會(huì)導(dǎo)致火焰溫度降低，同時(shí)它們?cè)诨鹧嬷幸材苋紵⑨尫懦龃罅繜崮?，將它們引入低溫火焰，將有助于提高火焰溫度?/p>

使用異丙醇噴入火焰，可以改變火焰的組成和特性。將異丙醇引入烴火焰，它不僅可作為附加能源，提高火焰溫度，而且更重要的是改變了火焰的組成和反應(yīng)特性，由于異丙醇的C/O為3大于1，屬于還原性溶劑，能提高火焰的燃燒溫度。

四 結(jié)論

一是與純天然氣相比較，加入不同增效劑以后的天然氣其鋼板預(yù)熱時(shí)間及切割速度均有明顯的提高。

二是當(dāng)增效劑的配比為二茂鐵：異丙醇：松節(jié)油=4∶25∶70時(shí)，其預(yù)熱時(shí)間最短，切割速度明顯大于乙炔。

三是通過(guò)預(yù)熱時(shí)間的比較，可以說(shuō)明加入增效劑后氧—天然氣的火焰溫度得到明顯的提高，并改善了鋼板的切口質(zhì)量，節(jié)約燃?xì)獾氖褂昧俊?/p>

四是加入增效劑后的天然氣，可用于不同厚度鋼板的切割。

［1］徐建昌，耿建明，王樂(lè)夫.丙烯基工業(yè)切割氣性能研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997，27（9）： 95-99.

［2］張文，陳凡.天然氣代替乙炔氣進(jìn)行火焰切割［J］.特鋼技術(shù)，1997，（3）：60-63.

［3］姚爭(zhēng)葵，劉樹(shù)林，劉永剛.一種用于提高天然氣火焰溫度的助燃添加劑：中國(guó)，CN1923983A［P］.2007-03-07.

［4］郝秉雨.一種使天然氣燃燒溫度提高的增效劑及其裝置：中國(guó)，CN1940034A［P］.2007-04-04.

［5］齊曉東.四種燃?xì)獾幕咎匦约盎鹧婕庸ば阅軐?duì)比試驗(yàn)［J］.焊接，1992，（6）：13-17.

［6］龐承新.添加二茂鐵提高柴油燃燒熱值的研究［J］.廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2006，23（1）：39.

Experimental Study on Improving the Cutting Performance of Natural Gas

YUAN Sheng-fang1，Wang Jie-sheng1，2，YAN Shi-long1，HUANGWen-yao1
（1.Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui232001 2.Zhoushan Huashidai Gas Co.L td，Zhou-shan Zhejiang316021）

In order to improve the natural gas cutting performance，by turpentine mixed with isopropyl and adding ferrocene dissolved，a natural gas synergistwas developed.The highly efficient natural gaswas obtained by natural gas premixing with the synergist.After testing the preheating t ime and cutting speed of the highly efficient natural gas，the results showed that after joining the synergist，the war m-up time was shortened，and the cutting speed was improved，and the perfor mance was better than oxygen-acetylene.

natural gas；synergistic agent；metal cutting；performance

TG482+.3

B

1671-4733（2010）02-0062-04

2010-05-07

袁勝芳（1986-）女，四川綿竹人，在讀碩士，研究方向?yàn)楸破鞑募皯?yīng)用，電話：13956444383。