CN1421513A - 用于提高液化石油气(lpg)火焰温度的共沸引发剂 - Google Patents

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本发明涉及一种既要对自由基燃烧有引发作用，又要在液化气相变时能均匀逸出，而使火焰温度稳定的共沸引发剂。发明人分析了乙炔代用气的现状和石油液化气与乙炔的主要差异，是液化石油气火焰温度低，预热速度慢。因此，发明人从火焰燃烧的自由基引发理论出发，发明了既要对自由基燃烧有引发作用，又要在液化气相变时能均匀逸出，而使火焰温度稳定的共沸引发剂。该共沸引发剂将液化石油气的火焰温度提高到3200－3400℃，使添加有该共沸引发剂的液化石油气在金属焊割等领域的使用性能超过乙炔，成为新一代的乙炔代用气。该共沸引发剂主要由甲醇、丁酮、乙醇、高碳醇等按比例配置而成。

Description

用于提高液化石油气(LPG)火焰温度的共沸引发剂
本发明涉及一种既要对自由基燃烧有引发作用，又要在液化气相变时能均匀逸出，而使火焰温度稳定的共沸引发剂。该共沸引发剂将液化石油气的火焰温度提高到3200-3400℃，可使液化石油气在金属焊割等领域的使用性能超过乙炔，成为新一代的乙炔代用气。
一、前言
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，被工业界广泛应用于金属的切割、焊接、变形矫正等领域。但是乙炔亦有明显的缺点，即乙炔安全性差，耗能大，价格高，产生环境污染等等。故近三十年来，世界各国都在研究乙炔代用气。其发展方向分为二类：
(1)混合燃气类，通常是乙炔、丙炔、丁二烯、乙烯等和其他烃类的混合物。
(2)石油烃类，主要是丙烷、丙烯、丁烷、丁烯。也曾有过汽油切割、天然气
   切割等。
石油烃类代用气有很多优点：安全性好、价格便宜、切割面质量好。但是最根本的缺点就是火焰温度低、预热慢，特别是打孔预热时间约为乙炔的1.5-2倍。因而适用面较窄，不能完全取代乙炔。由此可见，提高石油烃类的燃烧温度，缩短预热时间是一个有重大意义的课题。
二、打孔预热过程的理论分析
所谓打孔预热时间是指从高温火焰接触钢板开始，并使钢板表面从室温提高到1350℃(钢与氧可发生反应的温度)为止的这一段时间。
所以从本质上来说，他是与热量传递过程密切相关的，预热速率越快，打孔预热时间越短，其原理如图。
对于冷钢板表面受热单元A来说，QA，QB是入方。QC是出方。其中：QA—热辐射传热速率(火焰1与钢板2之间)
                     QA＝σ0φ1-2A1εn(T1 4-T2 4)式中：σ0—斯蒂芬玻尔曼常数
  φ1-2—角系数
  εn—与两物体特征有关的系统黑度
从方式中可以看出辐射热传速率与火焰温度四次方减去钢板温度四次方差成正比。也就是说主要取决于火焰温度。
QB—撞击射流换热速率
   QB＝αA(T1-T2)
式中：α—对流给热系数
      A—换热表面积
由于射流的湍流强度可高达30％，远大于一般管流，因此对传热影响显著，所有影响湍流强度的因素，如喷嘴的长度，上游流动状态等均将影响热传。增加喷嘴的长度可以提高湍流强度，但在工程上受到距离限制。此时，可在喷嘴上游设置金属网格或在喷嘴与表面之间放置钻有大量小孔的平板作为强化器，提高湍流强度以增加传热。
从以上论述中可以表明，撞击射流换热既与温度差有关系(即与火焰温度有关)，又与割嘴的结构有关。
Qc—热传导速率 Q c = T 0 - T σ σ / λA
上式表明了传递过程的基本规律。热传递速率＝热过程推动力/热过程阻力式中(T0-Tσ)—钢板两侧温度差
σ/λA—导热热阻其中：σ—为板厚
λ—导热系数
A—面积
从上式可以看出，一块被打孔的钢板确定以后，σ、λ、A都是定数。极端最大的T0为钢材熔化温度1350℃，最小的T0为室温。
因此传热的速率变化规律是较恒定的。
根据以上用热传递原理对冷钢板打孔预热时间进行分析之后，可以看出打孔预热时间的长短与火焰温度，割嘴的结构，使用方法有关系。
但当使用同样的割嘴和同样的使用方法时，只仅与代用气体的火焰温度有关。
三、提高火焰温度的实验设计
1、从热力学的角度探索提高火焰温度的可能性(理论燃烧温度的计算)，热力学解决了反应的限度，动力学可以改变反应的速度。因此我们首先从热力学角度进行考察。
我们计算了乙炔、丙烷、丁烷、丙烯等的理论燃烧温度，如下表：
名称   每摩尔燃烧热QKJ/mol   每摩尔燃烧产物需热KJ/mol     理论燃烧温度℃ 在氧焰中实际最高温度℃
  5500℃   6000℃
  乙炔     1254.6     989.57     ＞6000   3070-3500℃
  丙烷     2035   2012.9     2238.8     ～5500℃   2100-2600℃
  丁烷     2642     2594     2884.5     约5583℃     ～2600℃
  丙烯     1921.8     1743     1937     ～6000℃     2867℃
  丁烯     2529     2324     2583     ～2600℃     ～2600℃
  乙烯     1318.9   1162.9     1291.4     ＞6000℃     3000℃
由此可见，在现有的割炬中，热量的利用效率很低。完全有可能提高实际的火焰温度。
2、自由基引发现象
A.G.Gaydon & H.G.Wolfhard《火焰学》一书，讨论了燃烧速度，燃烧温度与自由基浓度之间的关系。认为燃烧速度不仅与H原子的浓度有关，而且也与其他自由基的浓度有关。
发明人意识到，在没有催化剂参加的烃类液相氧化过程中，因需积累一定量的自由基，才能引发链反应，故在反应开始时有一段诱导期，然后在氧化反应的过程中可以得到醇、醛、酮、酸和酸酐等一系列含氧化合物。对于火焰燃烧的高速反应来说Smoot、Hecker、Williams研究甲烷火焰时，同样发现，其重要的起始阶段为：
                            
和                          
继后的两反应为
                            
和                          
然后在后阶段还发生包含有CHO、HO2和CO的进一步反应。应该注意到这类反应链需要有起始的OH自由基引发。
发明人设计一种实验：
即以含丙烷为(96％)的气体作为基础，添加不同的物质作为引发剂，添加量为1％。然后用G01-100型割炬，2#割嘴，对40mm冷钢板进行打孔预热试验。
通过大量的实验之后发现：
(1)含氧化合物对丙烷一氧焰有引发作用。
(2)其引发作用的强弱与含氧化合物中的含氧量有关。
例如：
    40mm冷板打孔预热时间(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
    高碳醇     38
(3)含氧化物之间有协同效应，即合适的多组分配合优于单一化合物。例如：
    40mm冷板打孔预热时间(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
3、火焰温度的稳定性问题
由于丙烷(液化气)或丙烯在钢瓶中是以液态存在。使用时要经过瓶内气化，减压后输入到割炬中使用。A、如果引发剂沸点太高，例如100℃，则气化后的带出量太少，效果不好。B、如果引发剂与丙烷，丙烯低共沸，则一开始引发剂都气化逸出，火焰温度很高，接下去还是液化气，火焰温度很低。C、因此要求引发剂能与其他物质共沸，其低共沸点在丙烷沸点一丁烷沸点之间。这样才能使整个钢瓶内丙烷(液化气)的火焰温度提高并稳定在同一水平上。
这是过去许多研究者所配的引发剂不能工业化使用的原因之一。作者提出的共沸引发剂的概念：就是既要对自由基燃烧反应有引发作用于，又要能与其他物质形成低共沸点，介于丙烷与丁烷的沸点之间。
这才是实际有效的引发剂，称为共沸引发剂。
4、火焰温度的测量：
根据以上的实验原理，作者开发了一种新型乙炔替代气简称“火鸟王”金属焊割气。这是以石油液化气为基础，加入共沸引发剂，合理调配而成的。
作者采用库尔鲍姆[Kwrbaum]、弗里[Fery]法测定了火焰温度结果如下表：
    火焰温度实测结果
    丙烷-氧焰     2600℃
    丙烯-氧焰     2800-2900℃
    液化气-氧焰     2100-2600℃
    液化气加1％共沸引发剂     ＞3200℃
    加膜测量     ≤3500℃
因此将“火鸟王”气的火焰温度定为3200～3400℃。
四、实验结果与讨论
1、从10mm钢板到200mm钢板的打孔预热试验，在国内不同工厂中实测数据，见下表：
钢板厚度          打孔预热时间(秒) 试验地点
    乙炔     “火鸟王”气
    10mm   9.8(氧性焰)     8-10     靖江搪瓷厂
12mm(船用钢板)   13-15(中性焰)     ＜10     厦门船厂
    36mm   14(氧性焰)     12.2     安东机锻厂
    40mm   25-27(中性焰)     9-15   哈尔滨锅炉厂
    60mm   30(中性焰)     14   哈尔滨锅炉厂
    100mm   60(中性焰)     8-16   石家庄阀门一厂
    200mm   120(中性焰)     10-15   上海重型机器厂
由于“火鸟王”气，打孔预热时将火焰高温点贴近钢材表面，引起局部熔化，其机理与
乙炔不同，因此钢材厚度影响不大。
2、切割速度气体耗量：乙炔、火鸟王气、丙烯、丙烷四种燃气采用数控切割方法，对δ＝30mm厚板切割时，四种燃气、氧的实测消耗量数据见下表：
燃气名称 割嘴号 切割速度(mm/min)   燃气耗量(L/h)   预热氧耗量(L/h)   切割氧耗量(L/h)
    乙炔   GO2-2#   430～455     470     540   1880～2020
  “火鸟王”   NS-2#   532～560     270     1030   1880～2020
    丙烯   JP-2#   400～490     360     1370   1880～2020
    丙烷   PGO-2#   400～490     650     2470   1880～2020
将上表中数据取平均值，并换算为每小时为基准
    燃气名称   切割速度(m/h)   燃气耗量(m3/h)   总氧耗量(m3/h)
    乙炔     26.6     0.47     2.5
  “火鸟王”     32.8     0.27     3.0
    丙烯     26.7     0.36     3.3
    丙烷     26.7     0.65     4.4
四种燃气按照切割工作量相同时(1000米)来比较燃气耗量与氧气耗量：当切割30mm厚板，1000米时燃气耗量与氧气耗量的比较
  燃气名称 工作时间(h) 燃气总耗量m3   燃气密度(kg/m3) 燃气总重量(kg) 氧气总耗量(m3)
    乙炔     37.6     17.67     1.091     19.3     94
  “火鸟王”     30.5     8.24     1.925     15.86     91.5
    丙烯     37.5     13.5     1.780     24.0     123.75
    丙烷     37.5     24.38     1.867     45.5     165
从表中数据可以看出：当完成同样工作量时(30mm厚板，切割1000米)
        乙炔需要19.3公斤，耗氧量94米3
       “火鸟王”气需要15.68公斤，耗氧量91.5米3
         丙烯需要24.0公斤，耗氧量123.75米3
         丙烷需要45.5公斤，耗氧量165米3我们将上述数据转换成相对于1吨乙炔的工作量时其他气体需要多少吨：
        乙炔1吨时，耗氧量4870米3
       “火鸟王”气只需0.82吨，耗氧量4722米3
        丙烯需1.24吨，耗氧量6417米3，比乙炔多耗量1547米3
        丙烷需2.34号，耗氧量8558米3，比乙炔多耗氧3688米3。3、连续轧钢机热钢切割：江阴兴澄钢铁有限公司三炼分厂2#连铸机
A、钢坯规格：140×140×2800(mm)，钢种20MnSi，拉速1.8m/分。
B、原来采用丙烷切割，每吨钢消耗丙烷0.31kg。
C、改用“火鸟王”气切割后：75kg“火鸟王”气切割钢坯1510根，按每根400kg计算，共切割604吨钢，每吨钢消耗“火鸟王”气为0.124kg(即相同工作量时，1吨“火鸟王”气相当2.5吨丙烷)。4、铸钢浇冒口切割：
在上海大隆机器厂铸钢分厂，切割921凹模，材质ZG310-570，尺寸直径760mm，高800毫米。
    乙炔     火鸟王气
    燃气压力     0.06MPa     0.09MPa
    氧气压力     1.9MPa     1.7MPa
    切割时间     33分钟     25分钟
    乙炔耗量     5kg     3.54kg
    耗氧量     24M3     28.2M3
从表中数据可以看出，“火鸟王”气切割速度比乙炔快，耗气量少。耗氧量较多是切割氧口径较乙炔割嘴略大引起的。但整体经济效益上十分合算，因为“火鸟王”气的价格为乙炔的一半左右。
从以上实验结果中可以表明，通过火焰动力学研究，从自由基引发理论开发成功的“火鸟王”气在代替乙炔用于切割方面是成功的。

Claims (3)

1.一种共沸引发剂，用于提高液化石油气(LPG)火焰温度。其特征是：使液化气的火焰温度提高1000℃，达到3200-3400℃。由甲醇、丁酮、乙醇、高碳醇等按比例配置而成。
2.根据权利要求1所述的共沸引发剂，其特征是：既要对自由基燃烧有引发作用，又要在液化气相变时能均匀逸出，而使火焰温度稳定的共沸引发剂。
3.根据权利要求1所述的共沸引发剂，其特征是：既要对自由基燃烧有引发作用，又要能与其他物质形成低共沸点，介于丙烷与丁烷的沸点之间的共沸引发剂。
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CN113372969A (zh) * 2021-07-10 2021-09-10 上海酷奥制冷设备有限公司 一种环保型燃烧气

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