提高天然氣切割性能的實驗研究

袁勝芳，汪潔勝，2，顏事龍，黃文堯

（1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001，2.舟山劃時代科技氣體發展有限公司，浙江 舟山 316021）

提高天然氣切割性能的實驗研究

袁勝芳1，汪潔勝1，2，顏事龍1，黃文堯1

（1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001，2.舟山劃時代科技氣體發展有限公司，浙江 舟山 316021）

為提高天然氣切割性能，采用松節油和異丙醇混合，加入二茂鐵溶解制得一種增效劑，將天然氣與增效劑預混得到的高效天然氣對鋼板進行預熱時間和切割速度的測試，結果表明，加入增效劑后天然氣的預熱時間短，切割速度明顯提高，并優于氧-乙炔的性能。

天然氣；增效劑；金屬切割；性能

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

一 引言

目前，在我國的工業火焰切割領域其切割方法主要采用氧-乙炔氣進行切割。但是，乙炔在生產和使用過程中污染大、能耗高、安全性差。國內外正在尋求其他的燃氣來替代乙炔氣［1］。常用的燃氣主要有丙烷、丙烯、丁烷、甲烷、液化石油氣等，對于這些烴類燃氣，其爆炸極限都較乙炔范圍窄，因而操作安全性較高。但另一方面，這些燃氣的火焰傳播速度較慢，火焰溫度也較乙炔低，在實際使用過程中，和乙炔氣相比，在性能和操作方式上會有一定的差異。

用天然氣作燃氣切割金屬，工件不易燒塌，切口光滑平整，掛渣少、易清除，切割時，與乙炔相比，預熱時間稍長，但切割速度與乙炔相當。此外，天然氣成本低無污染，使用方便安全可靠。因此，在金屬切割中，已越來越廣泛地使用天然氣。但是，與乙炔相比，天然氣的火焰溫度較低，火焰傳播速度不高，改善火焰傳播速度，是天然氣能夠全面替代乙炔燃氣的關鍵［2］。

二 實驗部分

（一）實驗設計

影響火焰正常傳播速度包括燃料化學結構的影響、增效劑的影響、混合可燃物初始溫度的影響、火焰溫度的影響等［3］。為了使氧-天然氣火焰可用于焊接，主要是提高其火焰溫度，改善火焰的傳播速度，同時應避免因氧的過量而導致工件及填充材料的過度氧化，影響焊接質量。二茂鐵類衍生物由于其特殊的分子結構是良好的燃速催化劑，因此選擇其作為主催化劑。從有關文獻可以知道，一些含氧有機物可以作為氧-天然氣火焰的燃燒活化劑，并可提高火焰的傳播速度。本研究在添加含氧有機物以促進火焰的燃燒方面，主要使用醇。

配方是：天然氣為主燃氣；二茂鐵為燃速催化劑；異丙醇為燃燒活化劑；松節油為溶劑。同時根據實際情況，調節各組分的含量，以對鋼板的預熱時間及切割速度進行配方優劣的評價。

1 實驗配方設計

為了分析增效劑的最佳配比，通過大量試驗，本文確定了二茂鐵、異丙醇及松節油三種原料的加入量，采用正交實驗法設計實驗，其位級因素和實驗方案，見表1和表2。

表1 正交實驗設計位級因素表

表2 正交實驗設計實驗方案

2 增效劑的配置

按表2實驗方案，先將松節油與異丙醇兩種預先混合攪拌均勻后，加入二茂鐵溶解，靜置24h，過濾，得到的澄清溶液即是天然氣增效劑。

（二）實驗方法

1 增效劑的加入方式

為使天然氣與增效劑的有效混合，本文設計一種增效劑添加裝置，如圖1所示。首先將增效劑灌入裝置A中，然后將天然氣從裝置底部吹入與裝置內的增效劑混合，經過裝置B過濾，然后輸出并與氧氣混合燃燒。實測增效劑混入天然氣的量為0.2～0.4％。

圖1 增效劑添加器

該裝置包括兩耐壓容器A和B，耐壓容器A上設有進料口2和進氣閥1，同時在耐壓容器A和耐壓容器B之間設有導氣管，在耐壓容器B上也設有進料口和出氣閥，在耐壓容器A和B的底部設有底座。進氣閥、進料口及導通管位于耐壓容器頂部。其中，耐壓容器A內裝增效劑，耐壓容器B主要起過濾作用，內空置。

2 預熱時間及切割速度

氣割是利用氣體火焰將被切割的金屬預熱到燃點，使其在純氧氣流中劇烈燃燒，形成熔渣并放出大量的熱，在高壓氧的吹力下，將熔渣吹掉，所放出的熱量又進一步預熱下層金屬使其達到燃點。金屬的氣割過程是預熱-燃燒-吹渣的連續過程；其實質是金屬在純氧中燃燒的過程，而不是金屬的熔化過程。所以在氧氣純度、割咀、壓力、工況一定的前提下決定氣割的速度是燃氣在氧氣里面的火焰溫度，反映在切割上為對金屬表面的預熱快慢。采用G01-100型氧-乙炔割炬如圖2所示、G01-100型氧-天然氣割嘴，測定加入增效劑后天然氣對厚度為25mm鋼板的預熱時間，結果見表3。同時對加入增效劑后天然氣進行切割速度測定，并與氧-純天然氣和氧-乙炔進行對比，結果見表4。與氧-純天然氣相比，加入增效劑后的天然氣預熱時間明顯縮短，當加入4＃增效劑時預熱時間與乙炔預熱時間相同；加入增效劑后天然氣的切割速度也明顯高于純天然氣，同時也優于乙炔的切割速度。切割質量優于氧-乙炔焰，主要是切口光滑平整，掛渣少而且容易清除［5］。

圖2 天然氣割炬

表3 25mm厚鋼板預熱時間對比表

三 結果與討論

理論上，乙炔完全燃燒可用下述化學反應方程式表示：

但實際上燃燒是分兩個階段進行的，一次反應發生在火焰的內區（焰心）內，用下述化學反應方程式表示：

這一反應放出的熱量和形成的高溫是由于乙炔的分解，以及分解出的碳局部氧化而產生的。

當焊炬噴嘴中噴出的氣體的比例如上述反應方程式所示的那樣為1∶1時，反應形成典型的極為明亮的藍色焰心，這種相當小的火焰產生出焊接鋼板時所需的燃燒強度，此火焰稱作中性焰。其中性焰溫度為3 000℃左右。

表4 切割速度對比表

在火焰外層，一次反應產生的一氧化碳及氫和周圍大氣中的氧燃燒，形成二氧化碳和水蒸氣，即發生二次反應，其方程式如下所示：

雖然外區燃燒產生的熱量大于焰心產生的熱量，但由于其橫截面積大，所以，外焰的燃燒強度和溫度均較低。

天然氣的完全燃燒可用下述化學反應方程式表示：

理論耗氧量為2∶1。

其一次反應為：

中性焰溫度大約在2 600℃。

氧-天然氣焰的二次反應如下：

因此，對于氧-天然氣焰來說，由于其一次反應的熱值及中性焰溫度都較低，因而，對于焊接，特別是焊接較厚的工件時，氧-天然氣火焰是有一定缺陷的。我們的試驗通過在丙烯燃氣中加入增效劑的方法，來增加其燃燒總熱值，提高火焰傳播速度，進而達到提高火焰溫度的目的。

二茂鐵作為燃速催化劑，是因為二茂鐵具有2個環戊二烯Π鍵結合的層狀結構，Π鍵結合的對稱分子有芳環的性質，具有很高辛烷值及抗爆性，它在400℃以上時即可分解產生游離鐵，這種游離鐵很容易與空氣中的氧作用，生成α-三氧化二鐵［6］。α-三氧化二鐵再與未燃燒的工作混合氣中產生的過氧化物作用，生成化學性質不活潑的有機氧化物和氧化鐵，而氧化鐵又能與空氣中的氧生成α-三氧化二鐵，使其再產生消除過氧化物的作用。上述過程，用化學反應式表示如下：

二茂鐵在燃燒時，首先分解為游離鐵和環戊二烯基：

·［Fe］在燃燒室內與氧作用生成α-Fe2O3：

α-Fe2O3起催化燃燒過程作用，使燃燒趨于完全，因此二茂鐵在生產和使用過程中是安全的。同時它還能促進CO轉化CO2，也能提高燃燒效率。

采用松節油作溶劑，由于松節油易揮發，當其進入火焰時，不需要消耗熱量來蒸發，不會導致火焰溫度降低，同時它們在火焰中也能燃燒并釋放出大量熱能，將它們引入低溫火焰，將有助于提高火焰溫度。

使用異丙醇噴入火焰，可以改變火焰的組成和特性。將異丙醇引入烴火焰，它不僅可作為附加能源，提高火焰溫度，而且更重要的是改變了火焰的組成和反應特性，由于異丙醇的C/O為3大于1，屬于還原性溶劑，能提高火焰的燃燒溫度。

四 結論

一是與純天然氣相比較，加入不同增效劑以后的天然氣其鋼板預熱時間及切割速度均有明顯的提高。

二是當增效劑的配比為二茂鐵：異丙醇：松節油=4∶25∶70時，其預熱時間最短，切割速度明顯大于乙炔。

三是通過預熱時間的比較，可以說明加入增效劑后氧—天然氣的火焰溫度得到明顯的提高，并改善了鋼板的切口質量，節約燃氣的使用量。

四是加入增效劑后的天然氣，可用于不同厚度鋼板的切割。

［1］徐建昌，耿建明，王樂夫.丙烯基工業切割氣性能研究［J］.華南理工大學學報（自然科學版），1997，27（9）： 95-99.

［2］張文，陳凡.天然氣代替乙炔氣進行火焰切割［J］.特鋼技術，1997，（3）：60-63.

［3］姚爭葵，劉樹林，劉永剛.一種用于提高天然氣火焰溫度的助燃添加劑：中國，CN1923983A［P］.2007-03-07.

［4］郝秉雨.一種使天然氣燃燒溫度提高的增效劑及其裝置：中國，CN1940034A［P］.2007-04-04.

［5］齊曉東.四種燃氣的基本特性及火焰加工性能對比試驗［J］.焊接，1992，（6）：13-17.

［6］龐承新.添加二茂鐵提高柴油燃燒熱值的研究［J］.廣西師范學院學報（自然科學版）.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

袁勝芳（1986-）女，四川綿竹人，在讀碩士，研究方向為爆破器材及應用，電話：13956444383。