CN1923983A - 一种用于提高天然气火焰温度的助燃添加剂 - Google Patents

Abstract

在工业燃气领域中，天然气的沸点较低(－157℃)，不受环境温度的影响，不存在气化问题，但热值较低，在氧气中的火焰温度仅为2538℃，完全不能满足金属切割的需要。本发明涉及一种与天然气混合后能够迅速提高天然气火焰温度的助燃添加剂。该助燃添加剂能将天然气在氧气中的火焰温度提高到3000℃以上，可使天然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。该助燃添加剂的基本构成为甲醇、对甲基异丙苯、N，N，1－三甲基－1－苯基硼胺、1－甲基－4－丙基环己醇、二甲苯、乙二醇异丙醚、苯甲醚、甲基正丁基醚、叔丁基过氧化氢。与天然气的混合重量比为1％。

Description

一种用于提高天然气火焰温度的助燃添加剂

本发明涉及一种与天然气混合后能够迅速提高天然气火焰温度的助燃添加剂。该助燃添加剂能将天然气在氧气中的火焰温度提高到3000℃以上，可使天然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。

随着国家西气东输工程的完成，天然气在更多的城市中得到应用。在工业燃气领域中，天然气的沸点较低(-157℃)，不受环境温度的影响，不存在气化问题，但热值较低，在氧气中的火焰温度仅为2538℃，完全不能满足金属切割的需要。

因此，设计有效的助燃添加剂来提高天然气火焰温度，使得添加剂与天然气合理混配，同步汽化，且不堵塞和腐蚀管道及阀门，运用于工业切割中能迅速提高天然气的火焰温度，达到甚至超过乙炔的预热打孔时间、切割速度和切割质量，是一个有重大意义的课题。

二、关于少量添加剂提高火焰温度的理论分析

1、火焰的燃烧特性

着火极限，着火温度和燃烧速度是火焰的燃烧特性，常统称为火焰三要素。火焰的三要素取决于可燃混合气体的性质和组成，初始压力和温度，燃烧器皿的结构和器壁的性质等众多因素。

在实际使用中，火焰的燃烧速度是三要素中最重要的因素，它直接影响着火焰的安全使用和稳定的燃烧。

火焰的燃烧速度与气体成分、最初温度、湿度和气流速度有关。要使火焰稳定而安全地燃烧，应使燃烧速度等于或小于气流速度在火焰前沿上垂直分量，用数学方程式可表示为S＜V，在实际工作中，当气流速度V燃烧速度S时，火焰前沿的法线与燃烧器轴线的夹角增大，火焰将被吹灭；当V＜S时，S指向燃烧器内，火焰向燃烧器内传播，产生“回火”爆炸。气流速度取决于供气压力、燃烧器的结构和形状，对于常用缝式燃烧器，在给足的供气压力下，气流速度则取决于燃烧器的开口面积，缝宽而长，则气流速度小，反之则大。

火焰温度是火焰的主要特征之一，它对火焰中化合物的形成和离解以及待测元素原子化都起着重要作用。在火焰中，一方面可燃混合气根据其燃烧反应产生大量热能，另一方面，由于火焰中化合物的解离，以及为了将火焰中存在的平衡混合物提高到火焰温度要求消耗热量，还有火焰气体燃烧时产生的体积膨胀，也要消耗部分能量，这两方面的热能平衡决定了火焰温度。当火焰处于热平衡状态时，温度就可以用来表征火焰的真实能量。由于上述原因，在常压下，化学火焰的最高温度仅为3000℃左右。

2、有机溶剂能够影响火焰温度

当吸喷试液进入火焰时，火焰要消耗大量的热量来蒸发、分解试液溶剂，以及将分解产物提高到火焰温度，从而导致火焰温度的下降。如果溶剂是水，对于低温火焰，由于火焰分解水量小，这种降温效应不明显，但对于高温火焰来说，由于分解水量大，这种降温效应则十分显著，如果采用烙醇等有机溶剂作溶剂，因为它们在火焰中也能燃烧并释放出大量热能，将它们引入低温火焰，将有助于提高火焰温度，但对于高温火焰，它们则不能明显地提高火焰温度，仍以降温效应为主，所以为了保证火焰原子化的效果，在实际工作中应注意选择合适的样品溶剂和进液量的多少。

原子吸收光谱法所用的火焰一般都是在大气中直接燃烧的。从外界扩散至火焰中的气体发生解离也会影响到火焰温度。

所有反应都是强烈的吸热反应，解离时要消耗燃烧反应所产生的热量，降低火焰温度。对于原子吸收光谱分析而言，只有基态原子对原子吸收分析才是有效的。这就要求火焰必须具有足够的温度，以保证试样充分蒸发和待测元素化合物解离为自由原子。从这个意义上来说火焰温度应该越高越好，但是火焰温度提高后，火焰发射强度增大，多普勒效应增强，吸收线变宽、气体膨胀因素增大，从而使之相中自由原子浓度减少，导致测定的灵敏度降低。

此外，对于那些电离电位较低的元素，如Na、K、Rb和Cs，火焰温度高导致它们在火焰中产生严重电离，基态原子浓度降低。因此，在实际工作中，应根据试样性质和被测元素的物理特性来完成温度选择。

3、有机溶剂能够改变火焰组成

火焰的组成决定了火焰的氧化还原特性，并直接影响到待测元素化合物的分解及难解离化合物的形成，进而影响到原子化效率和自由原子火焰区中的有效寿命。

使用有机溶剂喷入火焰，可以改变火焰的组成和特性。对于氢火焰，有机溶剂的引入只影响火焰温度，原因是氢火焰燃烧产物是水，而水火是不相容的。不过，若将有机溶剂引入烃火焰，它不仅可作为附加热源，提高火焰温度，而且更重要的是改变了火焰的组成和反应特性，根据有机溶剂内C/O比的不同，可将溶剂分为三类，C/O比大于1的是还原性溶剂，这类溶剂如C₆H₆、C₂H₅OH等，它们可以提高高火焰的C/O比，C/O比等于1的是中性溶剂如CH₃OH，它的引入不会改变火焰中的C/O比，C/O比小于1的是氧化性溶剂，如HCOOH、H₂O等，它们引入将降低火焰的C/O比。

4、添加剂是影响火焰正常传播速度的主要因素之一

影响火焰正常传播速度包括：过量空气系数的影响；燃料化学结构的影响；添加剂的影响；混合可燃物初始温度T0的影响；火焰温度的影响；压力的影响；惰性物质含量的影响；热扩散系数和比热的影响。

由燃烧所必须具备的几个基本条件可以得知，灭火就是破坏燃烧条件使燃烧反应终止的过程。其基本原理归纳为以下四个方面：冷却、窒息、隔离和化学抑制(使用灭火剂与链式反应的中间体自由基反应，从而使燃烧的链式反应中断使燃烧不能持续进行)。常用的干粉灭火剂、卤代烷灭火剂的主要灭火机理就是化学抑制作用。例如卤代烷灭火剂其灭火机理是卤代烷接触高温表面或火焰时，分解产生的活性自由基，通过溴和氟等卤素氢化物的负化学催化作用和化学净化作用，大量扑捉、消耗燃烧链式反应中产生的自由基，破坏和抑制燃烧的链式反应，而迅速将火焰扑灭；是靠化学抑制作用灭火。

在天然气中增加添加剂的主要目的是提高着火温度，缓和过早着火和爆震的趋势，提高可燃物初始温度，大大促进化学反应速度，因而提高天然气的热值。而提高火焰温度的原理即采用与灭火相反的方式，提高自由基浓度，加快火焰燃烧的反应。

三、少量添加剂提高天然气火焰温度的途径

对于管道供气，可以在燃气管道中通过计量泵以及汽化混合器，定量按比例加注添加剂，添加剂随着气流在管道中的运动与燃气形成混合气。混合的效果取决于添加剂的组分、比例以及挥发性能。

四、提高天然气火焰温度的添加剂以及添加比例的实验设计

1、目前金属切割气添加剂还没有国家标准以及行业标准，但是国家环境保护总局在环境产品技术要求以及环境标志产品认证技术要求中对金属焊割气进行了有关规定(HBC 13-2002)：

1)金属焊割气添加剂中苯含量≤5g/kg、甲苯及二甲苯的总含量≤200g/kg。

2)金属焊割气在氧气中燃烧时的火焰温度须在3000℃以上。

3)金属焊割气的热值不小于90MJ/m3。

4)金属焊割气对贮存容器的腐蚀性级别不大于I级。

5)当周围环境温度及钢瓶温度在0℃，钢瓶剩余压力为0.01Mpa时，钢瓶内的剩余物质应小于总充装量的3％。(由于天然气运用在工作平台燃烧上一般采用管道输送，所以本条与天然气不适用)

2、我们在添加剂的配方选择上，必须考虑合适的添加比例以及运用于市场的经济性；既要做到该添加剂对于燃烧的有效性(即：混合气燃烧温度在3000℃以上)；又要做到添加剂不能有对人体健康有过量危险的成分；同时添加剂必须与天然气完成同步汽化，且不堵塞和腐蚀管道及阀门；添加剂在天然气中的溶解性、饱和度不能因为环境温度的变化而存在巨大差异，否则会引起季节变化导致混合气的火焰温度不稳定。

3、经过长达五年的研究，借助于中科院地球化学研究所的实验室以及东方电机股份有限公司的天然气切割试验基地，发明人以天然气作为母气，添加不同的物质作为助燃催化剂，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。

添加组分(总含量1％，重量比)	40mm冷板打孔预热时间(秒)
		70％甲醇，25％二甲苯，5％高碳醇	23-25
60％甲醇，10％苯甲醚，5％乙醇，5％高碳醇，20％二甲苯	21-23
		40％甲醇，20％对甲基异丙苯，5％N，N，1-三甲基-1-苯基硼胺5％1-甲基-4-丙基环己醇 5％二甲苯5％乙二醇异丙醚，10％苯甲醚，5％甲基正丁基醚，5％叔丁基过氧化氢	9-13
乙炔—氧焰	25-30

通过全自动液气混合装置，分别多次调节添加剂的比例(重量比)为0.4％、0.6％、0.8％、1％、1.5％、3％对同等板材的70毫米及40毫米的冷钢板垂直预热打孔的时间平均值别为(连预热带打穿的时间)：

添加剂添加量(重量比)	70mm冷板预热打穿时间(秒)	40mm冷板预热打穿时间(秒)
			0.4％	31	22
6％	26	18
			8％	21	15
1％	17	9.8
			1.5％	16.8	9.5
3％	17	9.5

从经济性的角度，我们最终确定用1％的混合比例。

五、实验结果与讨论

发明人将该添加剂与天然气混合后，生成的混合气体定名为“先锋II号”金属切割气，2004年5月1日至7日，在东方电机厂下料中心(四川德阳)进行了试验运行。经过对于不同厚度的钢板进行多次试验，试验数据如下：

切割对比试验记录(一)

试验项目	数控机割对比(哈尔滨产)		试验地点		东方电机厂下料中心
						钢板厚度		30mm	试验日期		2004/5/5
试验气体名称		先锋II号		天然气
						割嘴规格		6号(同一个)
操作者		东方电机厂专职操作人员(同一人)
						切割速度(mm/分)		390		270
氧气作业压力(MPa)		1.3MPa		1.3MPa
						氧气流量(M3/h)		8.53		8.6
天然气作业压力(MPa)		0.22MPa		0.22MPa
						天然气流量(M3/h)		0.90		0.89
切割面质量		光洁，不易挂渣，满足工艺要求		满足工艺要求
						试验结论		先锋II号气体比较天然气可以提高切割速度44％，相应可以节约30％的气体消耗量，同时满足钢材切割面的质量要求。

切割对比试验记录(二)

试验项目	数控机割对比(日本产)		试验地点		东方电机厂下料中心
						钢板厚度		120mm	试验日期		2004/5/2
试验气体名称		先锋II号		天然气
						割嘴规格		相同
操作者		东方电机厂专职操作人员(同一人)
						切割速度(mm/分)		280-290		180-200
氧气作业压力(MPa)		1.1MPa		1.1MPa
						天然气作业压力(MPa)		0.2MPa		0.2MPa
切割面质量		光洁，不易挂渣，满足工艺要求		满足工艺要求
						试验结论		先锋II号气体比较天然气可以提高切割速度45％以上，相应可以节约31％以上的气体消耗量，同时满足钢材切割面的质量要求。

加工坡口对比试验记录(三)

试验项目	加工坡口			试验地点			东方电机厂下料中心
										钢板厚度(mm)		70		试验日期			2004/5/3
切割长度(mm)		300	坡口斜度		50°			坡口长度	45mm
										试验气体名称		先锋II号				天然气
割嘴规格		6号(同一个)
										爬机型号		CG 1-30P(上海剑石牌)
操作者		东方电机厂杨荣祥
										切割时间		1’42”				3’53”
切割速度(mm/分)		176				77
										氧气作业压力(MPa)		0.9				0.9
燃气作业压力(MPa)		0.2				0.2
										切割面质量		光洁，不易挂渣，满足工艺要求				满足工艺要求
试验结论		先锋II号气体比较天然气加工坡口可以提高切割速度128％，相应可以节约56％以上的气体消耗量，同时满足钢材坡口切割面的质量要求。

从以上实验结果中可以表明，将发明人研制的天然气添加剂按恒定比例与天然气进行充分混合从而提高天然气的火焰温度，满足天然气在金属焊割等领域需求的理论和实践是成功的。

Claims (3)

1.一种助燃添加剂，用于提高天然气火焰温度。其特征是：使天然气火焰温度达到3000℃以上，从而代替乙炔，满足金属切割气对火焰温度的要求。主要是由甲醇、对甲基异丙苯、N，N，1-三甲基-1-苯基硼胺、1-甲基-4-丙基环己醇、二甲苯、乙二醇异丙醚、苯甲醚、甲基正丁基醚、叔丁基过氧化氢等配方按比例配置而成。

2.根据权利要求1所述的助燃添加剂，其特征是：使天然气火焰温度达到3000℃以上，运用于金属切割领域，从而代替乙炔，满足金属切割气对火焰温度的要求。

3.根据权利要求1所述的助燃添加剂，其特征是：由甲醇、对甲基异丙苯、N，N，1-三甲基-1-苯基硼胺、1-甲基-4-丙基环己醇、二甲苯、乙二醇异丙醚、苯甲醚、甲基正丁基醚、叔丁基过氧化氢等配方按比例配置而成。