提高天然气切割性能的实验研究

袁胜芳，汪洁胜，2，颜事龙，黄文尧

（1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001，2.舟山划时代科技气体发展有限公司，浙江 舟山 316021）

提高天然气切割性能的实验研究

袁胜芳1，汪洁胜1，2，颜事龙1，黄文尧1

（1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001，2.舟山划时代科技气体发展有限公司，浙江 舟山 316021）

为提高天然气切割性能，采用松节油和异丙醇混合，加入二茂铁溶解制得一种增效剂，将天然气与增效剂预混得到的高效天然气对钢板进行预热时间和切割速度的测试，结果表明，加入增效剂后天然气的预热时间短，切割速度明显提高，并优于氧-乙炔的性能。

天然气；增效剂；金属切割；性能

DO I：10.3969/j.issn.1671-4733.2010.02.19

一 引言

目前，在我国的工业火焰切割领域其切割方法主要采用氧-乙炔气进行切割。但是，乙炔在生产和使用过程中污染大、能耗高、安全性差。国内外正在寻求其他的燃气来替代乙炔气［1］。常用的燃气主要有丙烷、丙烯、丁烷、甲烷、液化石油气等，对于这些烃类燃气，其爆炸极限都较乙炔范围窄，因而操作安全性较高。但另一方面，这些燃气的火焰传播速度较慢，火焰温度也较乙炔低，在实际使用过程中，和乙炔气相比，在性能和操作方式上会有一定的差异。

用天然气作燃气切割金属，工件不易烧塌，切口光滑平整，挂渣少、易清除，切割时，与乙炔相比，预热时间稍长，但切割速度与乙炔相当。此外，天然气成本低无污染，使用方便安全可靠。因此，在金属切割中，已越来越广泛地使用天然气。但是，与乙炔相比，天然气的火焰温度较低，火焰传播速度不高，改善火焰传播速度，是天然气能够全面替代乙炔燃气的关键［2］。

二 实验部分

（一）实验设计

影响火焰正常传播速度包括燃料化学结构的影响、增效剂的影响、混合可燃物初始温度的影响、火焰温度的影响等［3］。为了使氧-天然气火焰可用于焊接，主要是提高其火焰温度，改善火焰的传播速度，同时应避免因氧的过量而导致工件及填充材料的过度氧化，影响焊接质量。二茂铁类衍生物由于其特殊的分子结构是良好的燃速催化剂，因此选择其作为主催化剂。从有关文献可以知道，一些含氧有机物可以作为氧-天然气火焰的燃烧活化剂，并可提高火焰的传播速度。本研究在添加含氧有机物以促进火焰的燃烧方面，主要使用醇。

配方是：天然气为主燃气；二茂铁为燃速催化剂；异丙醇为燃烧活化剂；松节油为溶剂。同时根据实际情况，调节各组分的含量，以对钢板的预热时间及切割速度进行配方优劣的评价。

1 实验配方设计

为了分析增效剂的最佳配比，通过大量试验，本文确定了二茂铁、异丙醇及松节油三种原料的加入量，采用正交实验法设计实验，其位级因素和实验方案，见表1和表2。

表1 正交实验设计位级因素表

表2 正交实验设计实验方案

2 增效剂的配置

按表2实验方案，先将松节油与异丙醇两种预先混合搅拌均匀后，加入二茂铁溶解，静置24h，过滤，得到的澄清溶液即是天然气增效剂。

（二）实验方法

1 增效剂的加入方式

为使天然气与增效剂的有效混合，本文设计一种增效剂添加装置，如图1所示。首先将增效剂灌入装置A中，然后将天然气从装置底部吹入与装置内的增效剂混合，经过装置B过滤，然后输出并与氧气混合燃烧。实测增效剂混入天然气的量为0.2～0.4％。

图1 增效剂添加器

该装置包括两耐压容器A和B，耐压容器A上设有进料口2和进气阀1，同时在耐压容器A和耐压容器B之间设有导气管，在耐压容器B上也设有进料口和出气阀，在耐压容器A和B的底部设有底座。进气阀、进料口及导通管位于耐压容器顶部。其中，耐压容器A内装增效剂，耐压容器B主要起过滤作用，内空置。

2 预热时间及切割速度

气割是利用气体火焰将被切割的金属预热到燃点，使其在纯氧气流中剧烈燃烧，形成熔渣并放出大量的热，在高压氧的吹力下，将熔渣吹掉，所放出的热量又进一步预热下层金属使其达到燃点。金属的气割过程是预热-燃烧-吹渣的连续过程；其实质是金属在纯氧中燃烧的过程，而不是金属的熔化过程。所以在氧气纯度、割咀、压力、工况一定的前提下决定气割的速度是燃气在氧气里面的火焰温度，反映在切割上为对金属表面的预热快慢。采用G01-100型氧-乙炔割炬如图2所示、G01-100型氧-天然气割嘴，测定加入增效剂后天然气对厚度为25mm钢板的预热时间，结果见表3。同时对加入增效剂后天然气进行切割速度测定，并与氧-纯天然气和氧-乙炔进行对比，结果见表4。与氧-纯天然气相比，加入增效剂后的天然气预热时间明显缩短，当加入4＃增效剂时预热时间与乙炔预热时间相同；加入增效剂后天然气的切割速度也明显高于纯天然气，同时也优于乙炔的切割速度。切割质量优于氧-乙炔焰，主要是切口光滑平整，挂渣少而且容易清除［5］。

图2 天然气割炬

表3 25mm厚钢板预热时间对比表

三 结果与讨论

理论上，乙炔完全燃烧可用下述化学反应方程式表示：

但实际上燃烧是分两个阶段进行的，一次反应发生在火焰的内区（焰心）内，用下述化学反应方程式表示：

这一反应放出的热量和形成的高温是由于乙炔的分解，以及分解出的碳局部氧化而产生的。

当焊炬喷嘴中喷出的气体的比例如上述反应方程式所示的那样为1∶1时，反应形成典型的极为明亮的蓝色焰心，这种相当小的火焰产生出焊接钢板时所需的燃烧强度，此火焰称作中性焰。其中性焰温度为3 000℃左右。

表4 切割速度对比表

在火焰外层，一次反应产生的一氧化碳及氢和周围大气中的氧燃烧，形成二氧化碳和水蒸气，即发生二次反应，其方程式如下所示：

虽然外区燃烧产生的热量大于焰心产生的热量，但由于其横截面积大，所以，外焰的燃烧强度和温度均较低。

天然气的完全燃烧可用下述化学反应方程式表示：

理论耗氧量为2∶1。

其一次反应为：

中性焰温度大约在2 600℃。

氧-天然气焰的二次反应如下：

因此，对于氧-天然气焰来说，由于其一次反应的热值及中性焰温度都较低，因而，对于焊接，特别是焊接较厚的工件时，氧-天然气火焰是有一定缺陷的。我们的试验通过在丙烯燃气中加入增效剂的方法，来增加其燃烧总热值，提高火焰传播速度，进而达到提高火焰温度的目的。

二茂铁作为燃速催化剂，是因为二茂铁具有2个环戊二烯Π键结合的层状结构，Π键结合的对称分子有芳环的性质，具有很高辛烷值及抗爆性，它在400℃以上时即可分解产生游离铁，这种游离铁很容易与空气中的氧作用，生成α-三氧化二铁［6］。α-三氧化二铁再与未燃烧的工作混合气中产生的过氧化物作用，生成化学性质不活泼的有机氧化物和氧化铁，而氧化铁又能与空气中的氧生成α-三氧化二铁，使其再产生消除过氧化物的作用。上述过程，用化学反应式表示如下：

二茂铁在燃烧时，首先分解为游离铁和环戊二烯基：

·［Fe］在燃烧室内与氧作用生成α-Fe2O3：

α-Fe2O3起催化燃烧过程作用，使燃烧趋于完全，因此二茂铁在生产和使用过程中是安全的。同时它还能促进CO转化CO2，也能提高燃烧效率。

采用松节油作溶剂，由于松节油易挥发，当其进入火焰时，不需要消耗热量来蒸发，不会导致火焰温度降低，同时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。

使用异丙醇喷入火焰，可以改变火焰的组成和特性。将异丙醇引入烃火焰，它不仅可作为附加能源，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，由于异丙醇的C/O为3大于1，属于还原性溶剂，能提高火焰的燃烧温度。

四 结论

一是与纯天然气相比较，加入不同增效剂以后的天然气其钢板预热时间及切割速度均有明显的提高。

二是当增效剂的配比为二茂铁：异丙醇：松节油=4∶25∶70时，其预热时间最短，切割速度明显大于乙炔。

三是通过预热时间的比较，可以说明加入增效剂后氧—天然气的火焰温度得到明显的提高，并改善了钢板的切口质量，节约燃气的使用量。

四是加入增效剂后的天然气，可用于不同厚度钢板的切割。

［1］徐建昌，耿建明，王乐夫.丙烯基工业切割气性能研究［J］.华南理工大学学报（自然科学版），1997，27（9）： 95-99.

［2］张文，陈凡.天然气代替乙炔气进行火焰切割［J］.特钢技术，1997，（3）：60-63.

［3］姚争葵，刘树林，刘永刚.一种用于提高天然气火焰温度的助燃添加剂：中国，CN1923983A［P］.2007-03-07.

［4］郝秉雨.一种使天然气燃烧温度提高的增效剂及其装置：中国，CN1940034A［P］.2007-04-04.

［5］齐晓东.四种燃气的基本特性及火焰加工性能对比试验［J］.焊接，1992，（6）：13-17.

［6］庞承新.添加二茂铁提高柴油燃烧热值的研究［J］.广西师范学院学报（自然科学版）.2006，23（1）：39.

Experimental Study on Improving the Cutting Performance of Natural Gas

YUAN Sheng-fang1，Wang Jie-sheng1，2，YAN Shi-long1，HUANGWen-yao1
（1.Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui232001 2.Zhoushan Huashidai Gas Co.L td，Zhou-shan Zhejiang316021）

In order to improve the natural gas cutting performance，by turpentine mixed with isopropyl and adding ferrocene dissolved，a natural gas synergistwas developed.The highly efficient natural gaswas obtained by natural gas premixing with the synergist.After testing the preheating t ime and cutting speed of the highly efficient natural gas，the results showed that after joining the synergist，the war m-up time was shortened，and the cutting speed was improved，and the perfor mance was better than oxygen-acetylene.

natural gas；synergistic agent；metal cutting；performance

TG482+.3

B

1671-4733（2010）02-0062-04

2010-05-07

袁胜芳（1986-）女，四川绵竹人，在读硕士，研究方向为爆破器材及应用，电话：13956444383。