CN103160348B - 一种轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂及其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃气催化剂领域，尤其涉及一种轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂及其制备方法及应用。催化增效剂配方由以下重量份原料组成：销酸铈3—6份，二茂铁0．3—0．6份，乙醇30—50份，丙酮？10—20份，石油醚15—25份；经过添加剂的制备、原料混合和过滤的步骤制得。催化增效剂安全环保、稳定，制备方法及应用简单；加入稀土催化增效剂后的轻质烷烃燃料燃烧火焰温度高、燃烧速度快，降低了成本；应用领域广阔。对母气为天然气、煤层气、净化后的沼气(生物质燃气)、丙烷气、液化石油气等轻质烷烃等的纯度要求不高，添加比例少。
Description
技术领域
本发明属于燃气催化剂领域，尤其涉及一种轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂及其制备方法及应用。
背景技术
燃气催化剂是一种用来催化、助燃燃气的化学物质。燃气催化剂通过微量添加于天然气、煤层气、净化后的沼气(生物质燃气)、丙烷气、液化石油气、煤层气等轻质烷烃气体混合发生络合反映，从而改变燃气的燃烧方式、燃烧频率、燃烧速度、波长等实现能量转换，并大幅度提高燃气燃烧时的火焰温度，达到增温、增效的目的。。
催化作用与燃烧技术的结合已有很长的历史,但现代催化燃烧技术是近几十年来对环保与节能的要求日益迫切的形势下应运而生的一门新兴技术。20世纪50～60年代,汽车尾气净化技术和有机废气催化焚烧技术的发展为研究共进料情况下燃气催化氧化积累了大量实验依据和数学模型。20世纪90年代初期,各国政府对空气质量法规中排放标准的进一步紧缩,更为高温催化燃烧技术的研究提供了新的动力。从20世纪70年代中期开始,被催化燃烧技术所带来的经济效益和环境效益所吸引,各大企业和科研部门针对该技术的应用和基础理论展开了全球性的研究竞赛。特别是在20世纪初,新兴的石油化学工业以及精细化学工业的蓬勃发展,推动了催化作用基础理论的研究,大大地深化了对催化剂和催化的本质的认识。催化燃烧技术不仅在消除污染,环境保护方面显示出独特的优势,而且在能源利用的节省方面也甚为有效。
催化燃烧与非催化燃烧相比，具有高效、节能、环保等优点，已经在燃气轮机、焊割等方面得到了应用，发展前景广阔。
目前烷烃类燃气添加剂虽然添加剂的组成成分及增温效果各不相同，但对于烷烃类（如丙烷、丙烯、液化石油气等）燃气的增温效果是有一定作用的。目前国内从事于燃气催化的企业已有数十家，大多是由中小型企业开发的一些助燃添加剂，对于高纯度丙烷、石油液化气有一定的助燃效果，但是对于天然气、二甲醚等效果不明显。各地生产厂家加入的添加剂由于产地、配方不同，内在质量不一，难以达到预期目的，添加后效果多不明显，其火焰温度不高达不到切割工艺要求、切割预热时间长、耗氧量大、切割范围不广、不能喷涂、不能焊接、难以替代乙炔气。而且产品中含苯、及其他具有腐蚀性的化学物质长期使用对人体有害。对管道、容器、橡胶、塑料衬垫产生腐蚀和溶蚀老化。
而且添加剂本身都具有很强的刺激性、氧化性、腐蚀性、固体颗粒结晶等，长时间注入到液化气钢瓶内会对钢瓶本身造成伤害，导致安全隐患。
开发出催化效率高、机械强度和热稳定性好且价格低廉的燃气催化剂是迫在眉睫的事。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种安全环保、稳定的轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂，及其生产简单的制备方法及应用；加入稀土催化增效剂后的轻质烷烃燃料燃烧火焰温度高、燃烧速度快，降低了成本；应用领域广阔。
解决技术问题的一种轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂，其特征在于：配方由以下重量份原料组成：销酸铈3—6份，二茂铁0．3—0．6份，乙醇30—50份，丙酮10—20份，石油醚15—25份。
优选方案可为：配方由以下重量份原料组成：销酸铈3.5—5份，二茂铁0．4—0．5份，乙醇35—46份，丙酮13—16份，石油醚18—22份。
进一步的优选方案：配方由以下重量份原料组成：销酸铈4.5份，二茂铁0．45份，乙醇42份，丙酮15份，石油醚20份。
轻质烷烃燃料气催化增效剂以新型稀土催化剂为主体、辅以防爆剂、抗震剂等主要原材料,并以适量溶剂配制而成。本发明中石油醚为抗爆剂，二茂铁为抗震剂，丙酮和乙醇为溶剂。
一种制备轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂的方法，其特征在于：有以上步骤：
步骤一：添加剂的制备：首先将丙酮和二茂铁加入配制桶用搅拌棒慢慢搅拌，使其二茂铁完全溶解后；
步骤二：然后分别加入乙醇和石油醚搅拌10-15分钟混合均匀后，最后加入销酸铈搅拌完全溶解后；
步骤三：再经400-500目的过滤品过滤后便配制成了添加剂，可供配制天然气金属切割气使。
本发明中，一种轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂的应用，其特征在于：将配制好的催化增效剂80-100克注入轻质烷烃燃料气钢瓶，然后冲装10-12立方米管道轻质烷烃燃料气于钢瓶内，二者即会自然混合、气化，即配制成了轻质烷烃燃料气金属切割气。
本发明中轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂为液态，是将轻质烷烃燃料气类的民用或工业燃气，如:天然气、净化后的沼气(生物质燃气)、丙烷气、液化石油气、煤层气等轻质烷烃，通过微量添加催化增效剂来改变燃气的燃烧方式、燃烧频率、燃烧速度、波长等，实现能量转换，并大幅度提高燃气燃烧时的火焰温度，达到增温、增效的目的。同时，通过催化活性中心的选择反应与调控，实现有效抑制燃气燃烧过程中硫、磷、一氧化碳等有毒有害气体的产生及排放，达到增效节能、减排降污、保护环境的目的；且生产简单，应用起来方便。
在本发明中釆用稀土类材料作催化增效剂主体，辅以抗爆、抗阻聚等辅助材料，通过复合、负载的方法加工而成；通过差热扫描（DSC）、热重（TG）分析，研究其热分解峰温特性和规律，为相关成分的筛选及复合方法提供理论指导；通过气相色谱分析检测催化燃烧前后尾气的成分及含量，考察比较优化工艺后催化增效剂的性能。从而对配方中的组分和用量进行了大量的工作：
稀土催化增效剂的选择:稀土催化增效剂粒子由于其粒径尺寸小（通常属微米尺度），表面的键态和电子态与颗粒内部特性差异大，表面原配位不等导致表面的活性位置增加，使其具备了作为优良催化剂的基本条件。稀土燃气催化增效剂中小尺寸粒子的催化活性和选择性大大高于传统的催化剂，稀土燃气催化增效剂与轻质烷烃燃料气构成的新型高能淸洁能源，可大大提升轻质烷烃类可燃气的使用价值，节能环保，并将为拓展其更加广泛的新的应用领域提供可能。
原辅材料的选择催化剂的选择:过渡元素中的稀土金属盐，釆用复合催化模式。溶剂:以溶解稀土金属盐。抗爆抗震剂的选择:相溶性和助燃性。
还有配比及工艺路线的确定，生产设备与控制，催化增效剂与燃气混配时的配比控制和催化增效剂与燃气混配设备的确定与自控。
本发明中的轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂具体效果如下：
1、燃烧时火焰温度达3360℃以上；添加本增效剂后切割速度6s～8s，切透30mm碳钢结构钢板。
2、达到气液不分层，燃烧火焰温度高、渗透力強、预热时间短、切割速度快、切割缝隙窄(2～3mm)、切割表面光滑平整(无明显锯齿印)，不挂渣，切割模具时减少打磨时间；
3、割嘴寿命长于乙炔割嘴3倍(乙炔割嘴易积碳，易因回火打炮而损坏)。4、不危害操作人员身体健康，燃烧时不产生磷化物、硫化物和一氧化碳等有毒有害气体，不产生黑烟、不污染环境，不会产生面部“乙炔斑”；5、使用安全性明显提高，使燃气不易集积形成爆炸极限浓度，生物质高能燃气爆炸极限浓度为5～15％，优于乙炔气燃气爆炸极限浓度的5～75％。本发明中的轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂性状稳定、安全环保、与轻质烷烃燃料气的混合性能良好，混合后容易气化，燃烧增效显著，成本较低，生产简单，适用领域广阔。对母气为天然气、煤层气、净化后的沼气(生物质燃气)、丙烷气、液化石油气等轻质烷烃等的纯度要求不高，添加比例少。并且闪点高，不易燃，不易挥发，稳定性好，利于长途运输和储藏保管。
具体实施方式
本发明中轻质烷烃燃料气催化增效剂以新型稀土催化剂为主体、辅以防爆剂、抗震剂等主要原材料,并以适量溶剂配制而成。配方由以下重量份原料组成：销酸铈3—6份，二茂铁0．3—0．6份，乙醇30—50份，丙酮10—20份，石油醚15—25份。石油醚为抗爆剂，二茂铁为抗震剂，丙酮和乙醇为溶剂。
优选方案可为：配方由以下重量份原料组成：销酸铈3.5—5份，二茂铁0．4—0．5份，乙醇35—46份，丙酮13—16份，石油醚18—22份。
进一步的优选方案：配方由以下重量份原料组成：销酸铈4.5份，二茂铁0．45份，乙醇42份，丙酮15份，石油醚20份。
稀土燃气催化剂采用稀土等复合液体催化剂和高新化学材料经特殊的方法合成的全新的一种燃气能量添加剂。当稀土燃气催化剂与烷烃类燃气发生催化反应后可形成稀土气体络合物，从而提升燃气的燃烧热效率及改变燃气燃烧时火焰的温度、波长和频率等特性，使之成为可代替乙炔的新型节能、环保焊割气。
一种制备轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂的方法，有以上步骤：
步骤一：添加剂的制备：首先将丙酮和二茂铁加入配制桶用搅拌棒慢慢搅拌，使其二茂铁完全溶解；
步骤二：然后分别加入乙醇和石油醚搅拌10-15分钟混合均匀，最后加入销酸铈搅拌完全溶解后；
步骤三：再经400-500目的过滤品过滤后便配制成了添加剂，可供配制天然气金属切割气使。
我国、我省的天然气、煤层气、沼气(生物质燃气)等轻质烷烃类可燃气资源较为丰富，但大都用作一般生活用燃气或城市公共交通燃气，虽然改善了城镇的空气环境，但毕竟热效能利用率还不高，资源损失很大。该新型高能淸洁能源及产业应用的研发，可大大提升这些轻质烷烃类可燃气的使用价值，节能环保，还为拓展其更加广泛的新的应用领域提供了可行性。
实施例1
首先将15份丙酮和0．45份二茂铁加入配制桶用搅拌棒慢慢搅拌，使其二茂铁完全溶解；然后分别加入42份乙醇和20份石油醚搅拌10-15分钟混合均匀，最后加入4.5份销酸铈搅拌完全溶解后；再经400-500目的过滤品过滤后便配制成了添加剂，可供配制天然气金属切割气使。
将配制好的催化剂80克注入天然气钢瓶，然后冲装10立方米管道天然气于钢瓶内，二者即会自然混合、气化，即配制成了天然气金属切割气。
轻质烷烃燃料气中天然气(CH4)是目前切割用燃气中价格最为低廉的一种燃气,由于其燃烧速度慢,火焰温度低,切割预热时间相应增长，难以应用，纯天然气热值较低，运用到火焰切割中预热时间长，切割速度慢，不仅耗费燃气，而且耗费氧气，达不到质量要求，降低工作效率，提高了切割成本，因此纯天然气不适合用于切割，需加添加剂提高火焰温度。催化剂在推进替代型燃气中发挥了重要的作用。
天然气可为家用天然气，加入轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂后就可用于截割金属。一般天然气燃烧温度能达到1000多度，添加催化剂后在天然气氧气中燃烧温度能够达到3400度。把廉价的天然气用于工业金属切割行业，大大降低了成本，解决了现在切割金属用的丙烷气或乙炔气，生产成本高，不环保的问题。
实施例2
首先将10份丙酮和0．3份二茂铁加入配制桶用搅拌棒慢慢搅拌，使其二茂铁完全溶解；然后分别加入30份乙醇和15份石油醚搅拌10-15分钟混合均匀后，最后加入3.5份销酸铈搅拌完全溶解；再经400-500目的过滤品过滤后便配制成了添加剂，可供配制天然气金属切割气使。
将配制好的催化增效剂100克注入轻质烷烃燃料气钢瓶，然后冲装12立方米管道轻质烷烃燃料气于钢瓶内，二者即会自然混合、气化，即配制成了轻质烷烃燃料气金属切割气。
实施例3
首先将20份丙酮和0．6份二茂铁加入配制桶用搅拌棒慢慢搅拌，使其二茂铁完全溶解；然后分别加入50份乙醇和25份石油醚搅拌10-15分钟混合均匀后，最后加入6份销酸铈搅拌完全溶解；再经400-500目的过滤品过滤后便配制成了添加剂，可供配制天然气金属切割气使。
将配制好的催化增效剂80克注入轻质烷烃燃料气钢瓶，然后冲装10立方米管道轻质烷烃燃料气于钢瓶内，二者即会自然混合、气化，即配制成了轻质烷烃燃料气金属切割气。
实施例4
首先将13份丙酮和0．4份二茂铁加入配制桶用搅拌棒慢慢搅拌，使其二茂铁完全溶解；然后分别加入35份乙醇和18份石油醚搅拌10-15分钟混合均匀，最后加入3.5份销酸铈搅拌完全溶解后；再经400-500目的过滤品过滤后便配制成了添加剂，可供配制煤层气金属切割气使。
将配制好的催化增效剂90克注入煤层气钢瓶，然后冲装11立方米管道煤层气于钢瓶内，二者即会自然混合、气化，即配制成了煤层气金属切割气。
实施例5
首先将16份丙酮和0．5份二茂铁加入配制桶用搅拌棒慢慢搅拌，使其二茂铁完全溶解；然后分别加入46份乙醇和22份石油醚搅拌10-15分钟混合均匀，最后加入5份销酸铈搅拌完全溶解后；再经400-500目的过滤品过滤后便配制成了添加剂，可供配制丙烷气金属切割气使。
将配制好的催化增效剂80克注入丙烷气钢瓶，然后冲装10立方米管道丙烷气于钢瓶内，二者即会自然混合、气化，即配制成了丙烷气金属切割气。
实施例6
首先将14份丙酮和0．35份二茂铁加入配制桶用搅拌棒慢慢搅拌，使其二茂铁完全溶解；然后分别加入38份乙醇和19份石油醚搅拌10-15分钟混合均匀，最后加入4份销酸铈搅拌完全溶解后；再经400-500目的过滤品过滤后便配制成了添加剂，可供配制液化石油气金属切割气使。
将配制好的催化增效剂80克注入液化石油气钢瓶，然后冲装10立方米管道液化石油气于钢瓶内，二者即会自然混合、气化，即配制成了液化石油气金属切割气。
实施例7
首先将12份丙酮和0．55份二茂铁加入配制桶用搅拌棒慢慢搅拌，使其二茂铁完全溶解；然后分别加入45份乙醇和21份石油醚搅拌10-15分钟混合均匀，最后加入5.5份销酸铈搅拌完全溶解后；再经400-500目的过滤品过滤后便配制成了添加剂，可供配制天然气金属切割气使。
将配制好的催化增效剂80克注入轻质烷烃燃料气钢瓶，然后冲装10立方米管道轻质烷烃燃料气于钢瓶内，二者即会自然混合、气化，即配制成了轻质烷烃燃料气金属切割气。
催化燃烧是一个复杂的物理和化学过程,其燃烧机理包括表面反应动力学、气相反应动力学和质量、动量和能量的输运过程。首先燃料在催化剂表面能够进行完全的氧化反应。在催化燃烧反应过程中，反应物在催化剂表面形成低能量的表面自由基，生成振动激发态产物，并以红外辐射方式释放出能量；催化剂与天然气分子结合后（以离子结合方式出现或者是最大限度的互相溶解），从而改变了燃气的性质，在燃烧状态下改变燃气燃烧中火焰的波长、燃烧频率、燃烧速度等，实现了二次完全燃烧，在反应完全进行的同时，通过催化剂的选择性来有效地抑制生成有毒有害物质的副反应发生，基本上不产生或很少产生NOx、CO和HC等污染物，达到了高温催化燃烧的目的。
本发明中的轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂是以催化助燃、活化聚能抗爆、形成气体络合物等方法提高了烷烃类燃气在氧气中的火焰温度、燃烧速度、促进燃气完全燃烧，消除了未燃烧完的CO、TCH和未分解的NOX，达到降低碳排放、节能降耗、清洁安全、环保增效目的，并扩展了燃气的用途的。
性能指标
表一
打孔、顸热时间数据比较表
表二
注：40mm的冷钢板垂直打孔
从表中可以看出，比丙烷燃气提高工效150﹪。
切割同样数量工件使用燃气及耗氧量比较：
表三
从表中可以看出比丙烷燃气减少耗量气量近40﹪。
同等耗氧量、同等工作量的几种气体用气量比较：
表四
注：在40mm冷钢板工作
表上可得知比丙烷燃气减少用气量35﹪。
本发明中的催化剂与-CH分子很好的结合，添加到天然气、煤层气、二甲醚、丙烷气、石油液化气、沼气(生物质燃气)等燃气中作为工业切割气或轻质烷烃类燃料气的新型增效剂，可大幅度提高燃气热效能，使大多数热能得到强化释放出更多的能量，同时提高了燃气的燃烧速度，抑制燃烧火焰向外辐射，火焰更加集中。经测定，最高火焰温度可达到3360℃以上，工况效果优良。因而能够很好地替代乙炔，减少碳排放、有害气体及有毒废渣，节省能源增加效益。
Claims (3)
1.一种轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂，其特征在于：配方由以下重量份原料组成：硝酸铈3—6份，二茂铁0．3—0．6份，乙醇30—50份，丙酮10—20份，石油醚15—25份；由以下步骤制得：步骤一：添加剂的制备：首先将丙酮和二茂铁加入配制桶用搅拌棒慢慢搅拌，使其二茂铁完全溶解后；
步骤二：然后分别加入乙醇和石油醚搅拌10-15分钟混合均匀后，最后加入硝酸铈搅拌完全溶解后；
步骤三：再经400-500目的过滤品过滤后便配制成了添加剂，可供配制天然气金属切割气使；
将配制好的催化增效剂80-100克注入轻质烷烃燃料气钢瓶，然后冲装10-12立方米管道轻质烷烃燃料气于钢瓶内，二者即会自然混合、气化，即配制成了轻质烷烃燃料气金属切割气；添加本增效剂后切割速度6s～8s，切透30mm碳钢结构钢板。
2.根据权利要求1中所述的一种轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂，其特征在于：配方由以下重量份原料组成：硝酸铈3.5—5份，二茂铁0．4—0．5份，乙醇35—46份，丙酮13—16份，石油醚18—22份。
3.根据权利要求2中所述的一种轻质烷烃燃料气稀土催化增效剂，其特征在于：配方由以下重量份原料组成：硝酸铈4.5份，二茂铁0．45份，乙醇42份，丙酮15份，石油醚20份。
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