CN103361145B

CN103361145B - 一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃

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Publication number: CN103361145B
Application number: CN201210090995.6A
Authority: CN
Inventors: 陈波
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Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: CN103361145A

Abstract

本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，提出以降低基料烃燃点、促进燃速、增能聚能强化氧化之复合能效添加剂。通过添加到基料烃来改善优化其在实际使用中存在的一些不足之处，可解决基料烃在热切割、加工、焊接时，不易点火，耗氧量高，火焰燃速慢，火焰温度较低和火焰热量较分散的缺陷。通过实际测试，其基本达到甚至在一些性能方面还优越于乙炔气。在切割质量方面，切割后不易挂渣，即使有挂渣也较易清除，切割面光洁度较好，使用时不易回火、灭火，无黑烟，安全性能好等优点。

Description

一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃

技术领域

本发明涉及一种强化烃，特别是涉及用于金属热切割、加工、焊接的工业强化烃燃料气。

背景技术

目前，在工业领域，用于金属切割加工主要是以热切割加工为主。利用化学反应能、电解和光能的切割法在切割时都伴有热过程，一般统称为热切割。现在工业上应用的热切割法主要是氧-火焰切割、等离子弧切割和激光切割三种热切割方法。而这三种热切割方法，又以氧-火焰切割方法作业范围最广，使用效率最高，经济效益最好。所以，一直以来在工业切割加工方面得到普遍使用。

氧-火焰气割中常用的燃气有乙炔、石油气(丙烷、丙烯及丙烷和丁烷等混合气)及各种混合燃气。

乙炔通常利用电石与水起反应而制取的。电石是制取乙炔的原料，它的化学名称为碳化钙(CaC2，相对分子质量为64.10)。工业上制备电石采用石灰石作原料，与焦炭和煤等在高温电弧炉中熔炼的方法。炼制1吨电石需耗电3300KW·h、焦炭600kg、煤500kg、碳精棒50kg，能源消耗量很大，生产成本较高。

电石与水发生反应，并产生乙炔气。它是一种无色的碳氢化合物。其相对分子质量为26.036，也称为电石气。在标准状态下，乙炔的密度为1.17kg/m3，在温度20℃时，压力为101.324kpa，密度为1.09kj/m3，比空气轻，总热值为55MJ/m3。在割炬混合室中乙炔与氧比例达到1∶1.1时就形成中性火焰。火焰温度为3100℃。当混合比1∶1.2，即氧化焰时，火焰的最高温度约3300℃。因此，乙炔是一种发热量大、燃烧速度(即火焰传播速度)快，火焰温度高的燃气，故是气割中应用较多的一种气体。

乙炔属不饱和烃，非常不稳定。纯乙炔当其压力和温度达到一定值时会自行爆炸。据此，现行的乙炔发生器，罐装溶解乙炔的标准规定，制取存储乙炔的压力应低于0.15MPa。乙炔与空气或氧的混合气体也易发生爆炸。与空气的混合气体，乙炔含量在2.5％-80.0％(体积分数)范围内，遇火星或其温度达到燃点(乙炔与空气混合气的燃点为305℃)就会爆炸。含乙炔7％-13％的空气-乙炔混合气和乙炔30％-40％的氧-乙炔混合气最易爆炸。而体积比为1∶1的乙炔-氧混合气的爆炸压力会超过35MPa，爆炸波的传播速度可达3000m/s，破坏极大。因此，乙炔是气割燃气中最具危险性的易爆气体，安全性较差，由此可知，在使用乙炔时必须严格安全管理，以免造成事故。所以，在使用乙炔作气割燃气时，为了安全起见应当安装防回火装置。

石油气是石油加工过程中的产品或副产品。气割中使用石油气有单质气体，如丙烷。丙烯；也有炼油的副产品——多组分混合气，通常为丙烷、丁烷、戊烷和丁烯等化合物。而目前丙烷是被用作热切割、加工领域中，来替代乙炔最具有代表性的一种烃。

丙烷(C3H8)相对分子质量为44.094，沸点-42.1℃，燃烧热(kJ/mol)：2217.8，引燃温度(℃)：450，总热值为(气态)104.4MJ/m3，总热值比乙炔高。但每克分子的燃烧热低于乙炔，燃烧速度较乙炔慢，所以，丙烷的火焰温度反而比乙炔的燃烧温度低，且火焰热量较分散。一个体积丙烷完全燃烧的理论耗氧量为5个体积，当丙烷火焰在氧气中燃烧时，实际耗氧量3.5个体积形成中性火焰，火焰的温度为2520℃，比乙炔要多耗50％以上的氧气，。而氧化焰的最高温度只有约2700℃。

丙烷主要作为燃气使用，是比较丰富价廉易得的碳氢化合物。国家科委从80年代就推广利用丙烷替代乙炔作金属切割加工燃气。因丙烷与氧燃烧产生的火焰温度较低，预热、切割、加工效率不够理想，客户反映较差，所以，推广利用一直不是很好。

近些年，国内外在以丙烷或以丙烷为主的碳氢混合气里加入少量添加剂，来改进提高火焰温度方面，起到的作用有限，也不是很理想。目前乙炔使用量仍然占据一定的市场份额。

通过实际使用、调研、了解，发现以丙烷或新型燃气存在以下主要问题。在以20mm-150mm碳素钢切割加工为例，起步预热时比乙炔慢4-20秒，穿孔时比乙炔多耗用1-3倍时间，切割速度只要稍微加快或操作工手拿割炬稍微不够稳，就会出现断割现象，导致工作中断，又要重新预热，而乙炔就不存在这种现象。在点火方面，丙烷或新型燃气不容易点火，特别是在有风的环境时点火更不容易，这样即浪费了时间，又浪费了燃气。在焊接方面，因火焰温度低，导致焊接处不密实，气孔较多，不够牢固，质量达不到要求。有些以碳三碳四为原料的新型燃气在使用后气瓶易出现较多残液存留，特别是当气温低于10摄氏度时情况更严重，而且，气体压力低，大量用气时气压跟不上等缺陷。所以，这些燃气在用于市场推广时会有较大难度。

当然丙烷、新型燃气也有它的一些优点，在切割加工后挂渣少，切割面光洁度较高，使用时不易回火、灭火、黑烟少。在价格方面也较便宜，但是，在使用切割作业效率方面不高，使价格优势得到了抵消。虽然丙烷、新型燃气有不少优点，但是，这些优点并不是决定选择使用一种燃气的重要指标。上面所述燃气不足之处，其主要原因就是燃气与氧混合燃烧火焰温度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，以解决丙烷或烃或现有技术中存在的上述缺陷，本发明可通过使用加有能够降低丙烷或烃的燃点、促进燃速、增能聚能强化氧化之复合能效添加剂。即可有效解决丙烷或烃在火焰切割、加工、焊接时，不易点火，耗氧量高，火焰燃速慢，火焰温度较低和火焰热量较分散的缺陷。本发明经过实际使用，其基本达到甚至在某些性能方面还优越于乙炔气。

本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，由基料烃和复合能效添加剂组成，其特征在于，在基料烃中添加复合能效添加剂能够明显提高、优化其焰温和性能，复合能效添加剂在基料烃中添加的重量比为0.05％-4.5％，其中，

基料烃组份是：C_1-4、H_2-10(碳原子是1至4、氢原子是2至10)的烃的一种或组合物，还可以是四碳至十二碳复杂烃类的混合物在；

另外，本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的基料烃，在实施时，一般优选丙烷和/或丙烯和/或乙烯和/或甲烷作为本发明的基料烃，其纯度要求≥95％。

本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂组成由：重量比为5％-14％的二硫化碳、12％-21％的硝酸乙酯或亚硝酸乙酯、0.01-0.5％的环戊二烯基铁或烷基磺酸钡、36％-49％的醚化合物、6％-17％的含氮化合物和3％-12％的脂环族化合物，其纯度要求≥99％。

其中醚化合物是指：1，4-环氧丁烷、环氧乙烷和二乙醚。含氮化合物是指：乙胺、二乙胺、三乙胺、三硝基甲烷、一甲胺、二甲胺和三甲胺。脂环族化合物是指：环戊烯、环戊二烯和环己烯。

复合能效添加剂中的醚化合物中的各化合物重量比为1，4-环氧丁烷11％-14％、环氧乙烷13％-19％、二乙醚12％-18％。

复合能效添加剂中的实施优选脂环族化合物是：环戊二烯。含氮化合物是三乙胺和三硝基甲烷，其重量比为三乙胺4％-11％、三硝基甲烷2％-6％。

其中，三乙胺和/或三硝基甲烷还可以用乙胺和/或二乙胺和/或一甲胺和/或二甲胺和/或三甲胺来替代。环戊二烯还可以用环戊烯和/或环己烯来替代。经过测试表明，同样可以达到本发明的目的。

本发明的目的之一是，降低丙烷或烃的燃点，提高燃速，降低耗氧量。因此，沸点在100℃左右的二硫化碳、酯化合物就具有这些功能特性，当该化合物添加到基料烃里，可有效改变丙烷或烃在这方面存在的缺陷。

本发明的另一个目的之一是，提高丙烷或烃的焰温和火焰分散等问题，根据这一问题，本发明选用具有低沸点、高热能量、助燃强化氧化特性的含氮酯环族化合物来改变这一缺陷。

在本发明中，硫酯类化合物起到降低基料烃的燃点、促进燃速、降低耗氧量；氮酯环醚族类化合物起到增能聚能强化氧化作用；有机金属起到助燃、消烟等作用。在这几类化合物协同作用下，基料烃燃点降低、耗氧量减少、燃速加快、燃烧充分密实、黑烟降低，使单位时间里每克分子的燃烧热值供给增多，基料烃焰温较低的缺陷就会得到很好的解决。这样烃焰温就会达到热切割加工时的理想温度，从而真正能够实现金属热加工作业时的效益和性价比。

一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂与基料烃组成的混合物，互溶性良好，有着较低沸点的基料烃丙烷与复合能效添加剂进行互溶，低沸点的基料烃丙烷会有效降低复合能效添加剂的高沸点问题，使二者重新形成一种较低的新的共沸混合物，经过实施检验，使用后基本无残液存留缺陷。

与纯氧气混合燃烧的乙炔气的中性火焰温度在3100℃左右，氧化焰温度在3500℃左右。根据本发明的实际使用效果与乙炔气对比来看，本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃的中性火焰至氧化焰之间的焰温大约在3100℃-3500℃之间。所以，在本发明里，具有明显特征在于，在基料烃里加入本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂具有明显提高、优化其焰温和性能。

不发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，用于金属热切割、加工、焊接时，预热、穿孔、切割速度基本达到甚至在一些性能方面还要优越于乙炔气。在点火方面，较易点火，在有风的环境点火时受到的影响相对丙烷来说要小很多。在焊接方面，焊接坚固牢靠，基本能够达到乙炔焊接质量要求。在切割质量方面，切割不易挂渣，即使有挂渣也较易清除，切割面光洁度较好。使用时不易回火、灭火，无黑烟，安全性能好等优点。

本发明在使用操作方面与现有气割气焊设备基本通用，无需安装防回火设备。在运输方面，可远距离运输，运输距离不受限制，运送1吨要相当于运送4-5吨乙炔气的切割加工工作量，明显降低了运输成本。比单质丙烷或丙烷混合气或新型燃气，在使用效率上要提高1-3倍，可降低使用成本50％以上。

本发明可进行工业化生产，生产工艺简便，生产无水电等能源消耗，无三废排放。

制备本发明时，准备总长度在1045mm，内直径在250mm，筒体设计壁厚在2.1-2.6mm，公称容积在40L的焊接钢质强化烃气罐，强化烃气罐制造符合GB17673-1999标准要求。同时准备筒体设计壁厚在0.8-2.1mm，公称容积在350L的碳素钢复合能效添加剂容器。

先将本发明制备复合能效添加剂的各化合物，按重量比的剂量依次加入复合能效添加剂容器，然后采用一般方法均匀混合，即制得为本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂。

制备一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃时，先取计划重量比的本发明中的复合能效添加剂，加入到钢制强化烃气罐内，然后，用烃泵将基料烃加入气罐，经过自然混合，即制得为一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃。

具体实施方式

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂时，准备筒体设计壁厚在0.8-2.1mm，公称容积在350L的碳素钢容器。先将容器清理洁净，然后取计划重量比的复合能效添加剂各化合物，依次加入，采用一般方法均匀混合，即制得可以加入基料烃形成一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃的复合能效添加剂。

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃时，其容器，要求总长度在1045mm，内直径在250mm，筒体设计壁厚在2.1-2.6mm，公称容积在40L的钢质焊接气罐，气罐制造符合GB17673-1999标准要求。先将气罐清理洁净备用。制备时，根据基料烃计划重量比，取0.05％-4.5％的复合能效添加剂加入钢制强化烃气罐，然后，用烃泵将基料烃加入，经过自然混合，即制得为一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，本发明实施优选丙烷或丙烯或乙烯或甲烷为基料烃。

实施例一

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂时：取重量比为0.02％环戊二烯基铁0.02kg，6％三硝基甲烷6kg，18％二乙醚18kg，11％三乙胺11kg，14％二硫化碳14kg，12％硝酸乙酯12kg，14％1，4-环氧丁烷14kg，13％环氧乙烷13kg，11.98％环戊二烯11.98kg。将上述各化合物依次加入容器搅拌混合均匀，即制得可以加入基料烃形成一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂。

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃时：取0.07％的复合能效添加剂4.2克，将复合能效添加剂加入气罐，然后，用烃泵将基料丙烷6000g加入气罐，经过自然混合，即制得为一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃。经过测试得出，其引燃温度为(℃)：375，燃烧热为(kJ/mol)：3127，总热值为(MJ/m3)：154，蒸汽压(20℃时)为0.86MPa，火焰燃烧速度为(实际中性焰时m/s)：2.3，耗氧量为[中性焰、理论质(m3/m3)]：2.3，沸点为(℃)：-41。

实施例二

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂时，本实施例与实施例一不同之处在于，各组分的重量比为：0.3％烷基磺酸钡0.3kg，5％三硝基甲烷5kg，16％二乙醚16kg，10％三乙胺10kg，12％二硫化碳12kg，17％亚硝酸乙酯17kg，13％1，4-环氧丁烷13kg，16％环氧乙烷16kg，10.7％环戊二烯10.7kg。将上述各化合物依次加入容器搅拌混合均匀，即制得可以加入基料烃形成一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂。

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃时：取0.6％的复合能效添加剂36克，将复合能效添加剂加入气罐，然后，用烃泵将基料丙烷6000g加入气罐，经过自然混合，即制得为一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃。经测试得出，其引燃温度为(℃)：375，燃烧热为(kJ/mol)：3125，总热值为(MJ/m3)：154，蒸汽压(20℃时)为0.86MPa，火焰燃烧速度为(实际中性焰时m/s)：2.5，耗氧量为[中性焰、理论质(m3/m3)]：2.3，沸点为(℃)：-41。

实施例三

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂时，本实施例与实施例三不同之处在于，各组分的重量比为：取0.5％环戊二烯基铁0.5kg，4％三硝基甲烷4kg，15％二乙醚15kg，9％三乙胺9kg，11％二硫化碳11kg，19％硝酸乙酯19kg，12.5％1，4-环氧丁烷12.5kg，17％环氧乙烷17kg，12％环戊二烯12kg。将上述各化合物依次加入容器搅拌混合均匀，即制得可以加入基料烃形成一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂。

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃时：取1.8％的复合能效添加剂108克，将复合能效添加剂加入气罐，然后，用烃泵将基料丙烷6000g加入气罐，经过自然混合，即制得为一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃。经过测试得出，其引燃温度为(℃)：370，燃烧热为(kJ/mol)：3250，总热值为(MJ/m3)：150，蒸汽压(20℃时)为0.86MPa，火焰燃烧速度为(实际中性焰时m/s)：2.0，耗氧量为[中性焰、理论质(m3/m3)]：2.2，沸点为(℃)：-41。

实施例四

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂时，本实施例与以上实施例不同之处在于，各组分的重量比为：取0.1％环戊二烯基铁0.1kg，6％三硝基甲烷6kg，12％二乙醚12kg，4％三乙胺4kg，13.9％二硫化碳13.9kg，20％硝酸乙酯20kg，14％1，4-环氧丁烷14kg，18％环氧乙烷18kg，12％环戊二烯12kg。将上述各化合物依次加入容器搅拌混合均匀，即制得为可以加入基料烃形成一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂。

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃时：取2.6％的复合能效添加剂156克，将复合能效添加剂加入气罐，然后，用烃泵将基料丙烷6000g加入气罐，经过自然混合，即制得为一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃。经过测试得出，其引燃温度为(℃)：360，燃烧热为(kJ/mol)：3305，总热值为(MJ/m3)：160，蒸汽压(20℃时)为0.86MPa，火焰燃烧速度为(实际中性焰时m/s)：2.6，耗氧量为[中性焰、理论质(m3/m3)]：2.0，沸点为(℃)：-41。

实施例五

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂时，本实施例与以上实施例不同之处在于，各组分的重量比为：取0.06％环戊二烯基铁0.06kg，6％三硝基甲烷6kg，17％二乙醚17kg，8.94％三乙胺8.94kg，12％二硫化碳12kg，20％亚硝酸乙酯20kg，13％1，4-环氧丁烷13kg，19％环氧乙烷19kg，4％环戊二烯4kg。将上述各化合物依次加入容器搅拌混合均匀，即制得可以加入基料烃形成一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂。

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃时：取3.2％的复合能效添加剂192克，将复合能效添加剂加入气罐，然后，用烃泵将基料丙烷6000g加入气罐，经过自然混合，即制得为一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃。经测试得出，其引燃温度为(℃)：360，燃烧热为(kJ/mol)：3450，总热值为(MJ/m3)：176，蒸汽压(20℃时)为0.86MPa，火焰燃烧速度为(实际中性焰时m/s)：2.0，耗氧量为[中性焰、理论质(m3/m3)]：2.0，沸点为(℃)：-41。

实施例六

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂时，本实施例与实施例五不同之处在于，各组分的重量比为：取0.2％烷基磺酸钡0.2kg，4％三硝基甲烷4kg，15％二乙醚15kg，11％三乙胺11kg，8.8％二硫化碳8.8kg，18％硝酸乙酯18kg，14％1，4-环氧丁烷14kg，19％环氧乙烷19kg，10％环戊二烯10kg。将上述各化合物依次加入容器搅拌混合均匀，即制得可以加入基料烃形成一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃中的复合能效添加剂。

制备本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃时：取4.3％的复合能效添加剂258克，将复合能效添加剂加入气罐，然后，用烃泵将基料丙烷6000g加入气罐，经过自然混合，即制得为一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃。经过测试得出，其引燃温度为(℃)：365，燃烧热为(kJ/mol)：3250，总热值为(MJ/m3)：158，蒸汽压(20℃时)为0.86MPa，火焰燃烧速度为(实际中性焰时m/s)：2.3，耗氧量为[中性焰、理论质(m3/m3)]：2.2，沸点为(℃)：-41。

本发明的保护范围并不局限于上述实施例，其中，在上述实施例中，三乙胺和/或三硝基甲烷可以用乙胺和/或二乙胺和/或一甲胺和/或二甲胺和/或三甲胺来替代；环戊二烯还可以用环戊烯和/或环己烯来替代，各组分相互混合后，再以重量比为0.05％-4.5％添加到基料烃中，经过测试表明，这样的组合物也能够达到本发明的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃的目的，因此，含有这样组份的复合能效添加剂也属于本发明所保护的范围。

Claims

1.一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，由基料烃和复合能效添加剂组成，其特征在于，在基料烃中添加复合能效添加剂，可明显提高、优化其焰温和性能，复合能效添加剂在基料烃中添加的重量比为0.05％-4.5％，其中，

(a)基料烃组份是由：碳原子数为1至4、氢原子数为2至10的烃的一种或组合物或是四碳至十二碳复杂烃类的混合物组成，其组份含量总和为100％，组分按重量百分比；

(b)复合能效添加剂组份是由：重量比为0.01-0.5％的有机金属化合物、5％-14％的二硫化碳、12％-21％的硝酸乙酯或亚硝酸乙酯、36％-51％的醚化合物、6％-17％的含氮化合物和3％-12％的脂环族化合物组成，各组分含量总和为100％，有机金属化合物是指环戊二烯基铁或烷基磺酸钡，醚化合物是1，4-环氧丁烷、环氧乙烷和二乙醚，含氮化合物选自乙胺、二乙胺、三乙胺、三硝基甲烷、一甲胺、二甲胺和三甲胺，脂环族化合物选自环戊烯、环戊二烯和环己烯；

其中，醚化合物中的各化合物重量比为1，4-环氧丁烷11％-14％、环氧乙烷13％-19％、二乙醚12％-18％。

2.根据权利要求1所述的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，其特征在于，该基料烃是丙烷和/或甲烷和/或乙烯和/或丙烯。

3.根据权利要求1所述的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，其特征在于，其中含氮化合物是三乙胺和三硝基甲烷，其重量比为三乙胺4％-11％、三硝基甲烷2％-6％。

4.根据权利要求3所述的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，其特征在于，其中，三乙胺和/或三硝基甲烷还可以用乙胺和/或二乙胺和/或一甲胺和/或二甲胺和/或三甲胺来替代。

5.根据权利要求1所述的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，其特征在于，其中，脂环族化合物是环戊二烯。

6.根据权利要求1所述的一种输入炬器与氧混合燃烧的强化烃，其特征在于，所述脂环族化合物是环戊烯和/或环己烯。