CN1236025C - 以天然气为主要原料的一种安全环保工业焊割气 - Google Patents
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Abstract
本发明是以天然气为主要原料配制的一种安全环保工业焊割气，可以代替乙炔切割、焊接金属。主要方法是在天然气中添加自由基引发剂，用于提高天然气火焰温度达到乙炔——氧焰中性火焰温度(3150℃左右)，自由基引发剂主要是有机醇及其配合物。因为乙炔易爆，有毒安全系数低，电石能耗大，又污染环境，而乙炔需要量又很大，我国每年耗量达100万吨，因此用本发明取代乙炔有重大的经济效益和社会效益，是燃气工业的一大突破。
Description
技术领域：本发明是一种可以代替乙炔切割、焊接金属的新型焊割气体，具有安全、无污染、成本低的特点。
背景技术：在金属切割的火焰加工作业中，乙炔作为一种传统的气源，具有火焰温度高，热加工效果显著等优点，广泛应用于金属的切割、焊接、变形矫正等领域。但乙炔亦有明显的缺点，即乙炔的安全性差，能耗大，价格高，产生环境污染等等。故三十年来，世界各国都在研究乙炔代用气，其中最有成效的，要算本发明人的发明专利<用于提高液化石油气(LPG)火焰温度的共沸引发剂>，申请号01139551.6，在该发明中，发明人将共沸引发剂加入到石油液化气中，使液化气在由液相变为气相时与添加剂共沸，并对石油液化气自由基燃烧有引发作用，从而提高石油液化气的燃烧温度达3200℃-3400℃，代替乙炔用于金属切割、焊接，完全克服了乙炔本身固有的缺点。
本发明的目的，是将共沸引发剂加入到天然气中，用天然气代替乙炔气用于金属焊割，这不仅有石油液化气焊割的优点，同时成本比石油液化气焊割金属更便宜，对共沸引发剂的配比更为宽松。
发明内容：现有提高火焰温度的先进技术，是基于自由基理论。因为燃烧过程是自由基连锁反应，乙炔(C2H2)和石油液化气(主要成份是丙烷、丙烯、丁烷、丁烯)它们的燃烧热，乙炔1254.6KJ/mol，石油液化气＞2000KJ/mol，石油液化气燃烧热大于乙炔的燃烧热，而乙炔——氧焰温度高达3070℃-3500℃，而石油液化气——氧焰温度低在2500℃左右，究其原因是乙炔产生自由基快，石油液化气气体产生自由基慢，因此尽管石油液化气的燃烧热大于乙炔，而其燃烧温度却低于乙炔。说明它们燃烧动力学过程快慢不一样，造成了火焰温度的高低。而添加剂的作用是在石油液化气的燃烧火焰中提供有机自由基，因而引发了加速燃烧动力学过程，从而提高火焰温度，这一构思在本发明人的发明专利<用于提高液化石油气(LPG)火焰温度的共沸引发剂>申请号01139551.6中获得很大成功，当然，由于石油液化气在钢瓶中是液体状态，而且还是一个混合液体，由液体变成气体，还存在一个相变问题，因此引入的引发剂，还必须能与石油液化气产生共沸。根据上面分析，我们来看天然气，天然气组份以烷烃为主，其中主要成份是甲烷，从发热量看，天然气95743KJ/m3，乙炔54714KJ/m3，天然气的发热量大于乙炔，而天然气——氧焰燃烧温度1900-2100℃，乙炔——氧焰温度3070℃-3500℃，天然气燃烧温度低于乙炔，说明乙炔产生自由基快，天然气产生自由基慢，如果在天然气中提供合适的有机自由基，从理论上讲，应当会大大提高天然气——氧焰的温度，甚至能够超过乙炔——氧焰温度。
Smook、Hecker、Wilfiams研究甲烷火焰时，发现甲烷火焰燃烧的高速反应其起始阶段为：
继后才是氧化反应：
反应说明甲烷反应链需要起始的OH自由基的引发，所以加入自由基引发剂应是一些含醇有机化合物。
用丙烷实验证明，在丙烷氧化焰中加入1％甲醇或1％的乙醇或1％的异丙醇或1％的高碳醇(C4-C9的一元醇)气体都能提高丙烷——氧焰的焊接温度，如表1(实验数据引至申请号01139551.6专利申请)
表1.在丙烷——氧焰中加入各种醇对40mm冷钢板打孔预热时间的影响
| 40mm冷钢板打孔预热时间(秒) | |
| 丙烷——氧焰 | 38～45 |
| 添加1％甲醇 | 33 |
| 添加1％乙醇 | 34～35 |
| 添加1％异丙醇 | 37 |
| 添加高碳醇 | 38 |
由于协同效应的影响，在丙烷氧化焰中加入多组分的醇，优于加单一化合物的醇，如表2，(实验数据引至申请号01139551.6专利申请)。
表2.在丙烷——氧焰中加入多组分醇对40mm冷钢板打孔预热时间的影响(与乙炔——氧焰比较)
| 40mm冷钢板打孔预热时间(秒) | |
| 70％甲醇+25％二甲苯+5％高碳醇 | 23～25 |
| 70％甲醇+20％丁酮+5％乙醇+5％高碳醇 | 21～23 |
| 乙炔——氧焰 | 25～30 |
发明者认为，天然气(主要成份甲烷)，与石油液化气(主要成份丙烷)，化学性质极为相似，而且天然气本身也含有丙烷的成份，因此将这些自由基引发剂添加到天然气中，必然也会起到提高天然气焊、割金属温度的作用，这一构想在实验中得到了证明，在天然气中加入0.5-1％的多组分醇的混合物，其效果如表3、表4。
表3.在天然气中加入多组分醇对40mm冷钢板打孔预热时间的影响(与乙炔——氧焰比较)
| 40mm冷钢板打孔预热时间(秒) | |
| 乙炔——氧焰 | 25～30 |
| 70％甲醇+25％二甲苯+5％高碳醇 | ＜25 |
| 70％甲醇+20％丁酮+5％乙醇+5％高碳醇 | ＜25 |
表4.在天然气中加入0.5-1％多组分醇对火焰温度的影响
| 火焰温度 | |
| 纯天然气——氧焰 | 1900～2100℃ |
| 添加70％甲醇+25％二甲苯+5％高碳醇 | 3000～3100℃ |
| 添加70％甲醇+20％丁酮+5％乙醇+5％高碳醇 | 3200～3400℃ |
| 乙炔——氧焰温度 | 3070～3500℃ |
表中的高碳醇是指含C4-C9的一元醇。
本发明将添加了多组分醇的天然气称为纳斯气，从上面实验数据证明纳斯气完全可代替乙炔成为优秀的焊割气，由于天然气是纯气态，因此加入的自由基物质仅作为一种引发剂，不需要像加入石油液化气中的自由基引发剂那样，必须考虑共沸点问题，因而在自由基引发剂的配比上不像石油液化气那样考虑沸点，而且多组分醇引发剂的相对配比也不是要求十分严格，这里我们称添加剂为“自由基引发剂”不叫“共沸引发剂”。
大多数醇在常温下都是液体，因此配入天然气之前需要加热成气体，为使气化后的自由基引发剂不改冷凝回到液体，还必须采用气相混合器来使天然气和自由基引发剂(气相)充分混合，并不断的流动，灌瓶使用即可。
本发明工艺流程图如说明书附图。
纯天然气经质量流量计计量输入计算机集散控制系统，计算机集散控制系统根据天然气的量计算自由基引发剂加入量，指挥自由基引发剂泵按计算量泵入加热器，经加热器加热气化后的自由基引发剂 输入气相均匀混合器，使天然气和自由基引发剂(气相)充分混合并不致使自由基引发剂凝成液体，然后经柱式计量泵等温等压输出灌瓶即可。
综上所述，本发明是以天然气为主要原料，在天然气中加入自由基引发剂，用于提高天然气火焰温度，自由基引发剂主要是有机醇以及有机醇、丁酮和二甲苯的配合物，有机醇包括甲醇、乙醇、异丙醇、高碳醇、自由基引发剂加入量是天然气质量的0.5-1％，加入的方法是将自由基引发剂加热成气体引入，并采用气相混合器来使天然气和自由基引发剂(气相)充分混合，不使自由基引发剂凝成液体。研究证明自由基引发剂的协同效果比单一效果好，所以本发明优选了两个配方：(质量百分比)70％甲醇+25％二甲苯+5％高碳醇；70％甲醇+20％丁酮+5％乙醇+5％高碳醇。
其中以第二个配方为最佳，即质量百分比为：
70％甲醇+20％丁酮+5％乙醇+5％高碳醇。
本发明加入到天然气中生产的“纳斯气”就是以此配方按质量比0.5-1％的比例加入的。
为了准确控制天然气的质量和自由基引发剂的质量，达到准确配制，本发明采用液体质量流量计计算天然气质量，用步进电机驱动的液体柱式计量泵计量自由基引发剂并用计算机控制。
实施例：纯天然气质量流量计取60立方米于气相均匀混合器中，并将数据输入计算机，计算机集散系统根据天然气的量计算自由基引发剂(70％甲醇+20％丁酮+5％乙醇+5％高碳醇)1kg，指挥自由基引发剂泵按计算量泵入加热器，加热器用蒸气加热，使自由基引发剂气化后泵入气相均匀混合器与纯天然气充分均匀混合，然后经柱式计量泵罐瓶得纳斯气。
2002年12月公司开发部由发明人黄国雄带队一行四人首先在贵州赤天化采赤天化天然气样进行配制。2003年元月将配制的气体用高压密封罐运往上海华东理工大学进行试验，效果很好，达到乙炔中性火焰温度(3150℃左右)。
2003年4月，公司又一次到兰州，将兰州天然气与自由基引发剂(70％甲醇+20％丁酮+5％乙醇+5％高碳醇)配制，自由基引发剂配入量(质量比)0.5-1％，经兰州军区机械部(修造厂)试用，得到了同样好的效果。
由于天然气密度小，比空气轻，即使少量泄漏也不易积累。因此可以在造船业，拆船业等密封舱中使用。
效果和重要意义：实验证明，在天然气中加入0.5-1％的多组分醇后，火焰温度能达到乙炔——氧焰温度，因而完全可代替乙炔——氧焰用于金属焊割。在天然气中加入多组分的醇后的气体，发明人称为“纳斯气”，用“纳斯气”代替乙炔用于焊割是非常必要的，因为乙炔易爆，安全系数低，乙炔有毒，电石生产过程中能耗大，又污染环境，使得乙炔气在生产、储存、运输、使用、环保方面都存在诸多缺陷和隐患。所以许多国家都在研制新的更安全、环保和节能的工业燃气以取代乙炔用于焊割，本发明人发明专利申请号(01139551.6)，在石油液化气中加入多组分的醇，得到的“火鸟王”气，即是其中之一，但是石油液化气中，除丙烷外，还有丙烯、丁烷、丁烯等气体，冬季压力偏低，影响使用，因此在“西气东输”的源头，我国西部贵州、四川等地，利用天然气来代替乙炔，对开发西部有重要意义。
综上所述，将天然气与自由基引发剂配制，应用于工业领域，其经济效益和社会效益，远远超过乙炔气和石油液化气，前景看好，是我国工业领域工业燃气的一大突破。
Claims (4)
1.一种工业焊割气，其特征是以天然气为主要原料，在天然气中加入自由基引发剂，用于提高天然气火焰温度，自由基引发剂为有机醇或有机醇与丁酮的配合物或有机醇与二甲苯的配合物，有机醇是指甲醇和C4-C9高碳醇的配合物或甲醇、乙醇和C4-C9高碳醇三者的配合物，自由基引发剂加入量是天然气质量的0.5-1％倍，加入的方法是将自由基引发剂加热成气体引入，并采用气相均匀混合器来使天然气和自由基引发剂气体充分混合，不使自由基引发剂凝成液体。
2.根据权利要求1所述的一种工业焊割气，其特征是自由基引发剂的有机醇与二甲苯配合的质量百分比配方是：70％甲醇+25％二甲苯+5％C4-C9的高碳醇。
3.根据权利要求1所述的一种工业焊割气，其特征是自由基引发剂的有机醇与丁酮配合的质量百分比配方是：70％甲醇+20％丁酮+5％乙醇+5％C4-C9的高碳醇。
4.根据权利要求2或3所述的一种工业焊割气，其特征是为了准确控制天然气的质量和自由基引发剂的质量，采用液体质量流量计计量天然气质量，用步进电机驱动的液体柱式计量泵计量自由基引发剂并用计算机控制。
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