專利名稱：一種用于提高天然氣火焰溫度的助燃添加劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種與天然氣混合后能夠迅速提高天然氣火焰溫度的助燃添加劑。該助燃添加劑能將天然氣在氧氣中的火焰溫度提高到3000℃以上，可使天然氣在金屬焊割等領(lǐng)域的使用性能超過乙炔，成為新一代的乙炔代用氣。
一、前言在金屬切割的火焰加工作業(yè)中，乙炔作為一種傳統(tǒng)的氣源，具有火焰溫度高，熱加工效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，被工業(yè)界廣泛應(yīng)用于金屬的切割、焊接、變形矯正等領(lǐng)域。但是乙炔亦有明顯的缺點(diǎn)，即乙炔安全性差，耗能大，價(jià)格高，產(chǎn)生環(huán)境污染等等。
隨著國家西氣東輸工程的完成，天然氣在更多的城市中得到應(yīng)用。在工業(yè)燃?xì)忸I(lǐng)域中，天然氣的沸點(diǎn)較低(-157℃)，不受環(huán)境溫度的影響，不存在氣化問題，但熱值較低，在氧氣中的火焰溫度僅為2538℃，完全不能滿足金屬切割的需要。
因此，設(shè)計(jì)有效的助燃添加劑來提高天然氣火焰溫度，使得添加劑與天然氣合理混配，同步汽化，且不堵塞和腐蝕管道及閥門，運(yùn)用于工業(yè)切割中能迅速提高天然氣的火焰溫度，達(dá)到甚至超過乙炔的預(yù)熱打孔時(shí)間、切割速度和切割質(zhì)量，是一個(gè)有重大意義的課題。
二、關(guān)于少量添加劑提高火焰溫度的理論分析1、火焰的燃燒特性著火極限，著火溫度和燃燒速度是火焰的燃燒特性，常統(tǒng)稱為火焰三要素。火焰的三要素取決于可燃混合氣體的性質(zhì)和組成，初始壓力和溫度，燃燒器皿的結(jié)構(gòu)和器壁的性質(zhì)等眾多因素。
在實(shí)際使用中，火焰的燃燒速度是三要素中最重要的因素，它直接影響著火焰的安全使用和穩(wěn)定的燃燒。
火焰的燃燒速度與氣體成分、最初溫度、濕度和氣流速度有關(guān)。要使火焰穩(wěn)定而安全地燃燒，應(yīng)使燃燒速度等于或小于氣流速度在火焰前沿上垂直分量，用數(shù)學(xué)方程式可表示為S＜V，在實(shí)際工作中，當(dāng)氣流速度V燃燒速度S時(shí)，火焰前沿的法線與燃燒器軸線的夾角增大，火焰將被吹滅；當(dāng)V＜S時(shí)，S指向燃燒器內(nèi)，火焰向燃燒器內(nèi)傳播，產(chǎn)生“回火”爆炸。氣流速度取決于供氣壓力、燃燒器的結(jié)構(gòu)和形狀，對于常用縫式燃燒器，在給足的供氣壓力下，氣流速度則取決于燃燒器的開口面積，縫寬而長，則氣流速度小，反之則大。
火焰溫度是火焰的主要特征之一，它對火焰中化合物的形成和離解以及待測元素原子化都起著重要作用。在火焰中，一方面可燃混合氣根據(jù)其燃燒反應(yīng)產(chǎn)生大量熱能，另一方面，由于火焰中化合物的解離，以及為了將火焰中存在的平衡混合物提高到火焰溫度要求消耗熱量，還有火焰氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生的體積膨脹，也要消耗部分能量，這兩方面的熱能平衡決定了火焰溫度。當(dāng)火焰處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度就可以用來表征火焰的真實(shí)能量。由于上述原因，在常壓下，化學(xué)火焰的最高溫度僅為3000℃左右。
2、有機(jī)溶劑能夠影響火焰溫度當(dāng)吸噴試液進(jìn)入火焰時(shí)，火焰要消耗大量的熱量來蒸發(fā)、分解試液溶劑，以及將分解產(chǎn)物提高到火焰溫度，從而導(dǎo)致火焰溫度的下降。如果溶劑是水，對于低溫火焰，由于火焰分解水量小，這種降溫效應(yīng)不明顯，但對于高溫火焰來說，由于分解水量大，這種降溫效應(yīng)則十分顯著，如果采用烙醇等有機(jī)溶劑作溶劑，因?yàn)樗鼈冊诨鹧嬷幸材苋紵⑨尫懦龃罅繜崮埽瑢⑺鼈円氲蜏鼗鹧?，將有助于提高火焰溫度，但對于高溫火焰，它們則不能明顯地提高火焰溫度，仍以降溫效應(yīng)為主，所以為了保證火焰原子化的效果，在實(shí)際工作中應(yīng)注意選擇合適的樣品溶劑和進(jìn)液量的多少。
原子吸收光譜法所用的火焰一般都是在大氣中直接燃燒的。從外界擴(kuò)散至火焰中的氣體發(fā)生解離也會影響到火焰溫度。
所有反應(yīng)都是強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，解離時(shí)要消耗燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，降低火焰溫度。對于原子吸收光譜分析而言，只有基態(tài)原子對原子吸收分析才是有效的。這就要求火焰必須具有足夠的溫度，以保證試樣充分蒸發(fā)和待測元素化合物解離為自由原子。從這個(gè)意義上來說火焰溫度應(yīng)該越高越好，但是火焰溫度提高后，火焰發(fā)射強(qiáng)度增大，多普勒效應(yīng)增強(qiáng)，吸收線變寬、氣體膨脹因素增大，從而使之相中自由原子濃度減少，導(dǎo)致測定的靈敏度降低。
此外，對于那些電離電位較低的元素，如Na、K、Rb和Cs，火焰溫度高導(dǎo)致它們在火焰中產(chǎn)生嚴(yán)重電離，基態(tài)原子濃度降低。因此，在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)試樣性質(zhì)和被測元素的物理特性來完成溫度選擇。
3、有機(jī)溶劑能夠改變火焰組成火焰的組成決定了火焰的氧化還原特性，并直接影響到待測元素化合物的分解及難解離化合物的形成，進(jìn)而影響到原子化效率和自由原子火焰區(qū)中的有效壽命。
使用有機(jī)溶劑噴入火焰，可以改變火焰的組成和特性。對于氫火焰，有機(jī)溶劑的引入只影響火焰溫度，原因是氫火焰燃燒產(chǎn)物是水，而水火是不相容的。不過，若將有機(jī)溶劑引入烴火焰，它不僅可作為附加熱源，提高火焰溫度，而且更重要的是改變了火焰的組成和反應(yīng)特性，根據(jù)有機(jī)溶劑內(nèi)C/O比的不同，可將溶劑分為三類，C/O比大于1的是還原性溶劑，這類溶劑如C6H6、C2H5OH等，它們可以提高高火焰的C/O比，C/O比等于1的是中性溶劑如CH3OH，它的引入不會改變火焰中的C/O比，C/O比小于1的是氧化性溶劑，如HCOOH、H2O等，它們引入將降低火焰的C/O比。
4、添加劑是影響火焰正常傳播速度的主要因素之一影響火焰正常傳播速度包括過量空氣系數(shù)的影響；燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響；添加劑的影響；混合可燃物初始溫度T0的影響；火焰溫度的影響；壓力的影響；惰性物質(zhì)含量的影響；熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱的影響。
由燃燒所必須具備的幾個(gè)基本條件可以得知，滅火就是破壞燃燒條件使燃燒反應(yīng)終止的過程。其基本原理歸納為以下四個(gè)方面冷卻、窒息、隔離和化學(xué)抑制(使用滅火劑與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的中間體自由基反應(yīng)，從而使燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷使燃燒不能持續(xù)進(jìn)行)。常用的干粉滅火劑、鹵代烷滅火劑的主要滅火機(jī)理就是化學(xué)抑制作用。例如鹵代烷滅火劑其滅火機(jī)理是鹵代烷接觸高溫表面或火焰時(shí)，分解產(chǎn)生的活性自由基，通過溴和氟等鹵素氫化物的負(fù)化學(xué)催化作用和化學(xué)凈化作用，大量撲捉、消耗燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生的自由基，破壞和抑制燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而迅速將火焰撲滅；是靠化學(xué)抑制作用滅火。
在天然氣中增加添加劑的主要目的是提高著火溫度，緩和過早著火和爆震的趨勢，提高可燃物初始溫度，大大促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度，因而提高天然氣的熱值。而提高火焰溫度的原理即采用與滅火相反的方式，提高自由基濃度，加快火焰燃燒的反應(yīng)。
三、少量添加劑提高天然氣火焰溫度的途徑對于管道供氣，可以在燃?xì)夤艿乐型ㄟ^計(jì)量泵以及汽化混合器，定量按比例加注添加劑，添加劑隨著氣流在管道中的運(yùn)動(dòng)與燃?xì)庑纬苫旌蠚?。混合的效果取決于添加劑的組分、比例以及揮發(fā)性能。
四、提高天然氣火焰溫度的添加劑以及添加比例的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1、目前金屬切割氣添加劑還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是國家環(huán)境保護(hù)總局在環(huán)境產(chǎn)品技術(shù)要求以及環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品認(rèn)證技術(shù)要求中對金屬焊割氣進(jìn)行了有關(guān)規(guī)定(HBC 13-2002)1)金屬焊割氣添加劑中苯含量≤5g/kg、甲苯及二甲苯的總含量≤200g/kg。
2)金屬焊割氣在氧氣中燃燒時(shí)的火焰溫度須在3000℃以上。
3)金屬焊割氣的熱值不小于90MJ/m3。
4)金屬焊割氣對貯存容器的腐蝕性級別不大于I級。
5)當(dāng)周圍環(huán)境溫度及鋼瓶溫度在0℃，鋼瓶剩余壓力為0.01Mpa時(shí)，鋼瓶內(nèi)的剩余物質(zhì)應(yīng)小于總充裝量的3％。(由于天然氣運(yùn)用在工作平臺燃燒上一般采用管道輸送，所以本條與天然氣不適用)2、我們在添加劑的配方選擇上，必須考慮合適的添加比例以及運(yùn)用于市場的經(jīng)濟(jì)性；既要做到該添加劑對于燃燒的有效性(即混合氣燃燒溫度在3000℃以上)；又要做到添加劑不能有對人體健康有過量危險(xiǎn)的成分；同時(shí)添加劑必須與天然氣完成同步汽化，且不堵塞和腐蝕管道及閥門；添加劑在天然氣中的溶解性、飽和度不能因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化而存在巨大差異，否則會引起季節(jié)變化導(dǎo)致混合氣的火焰溫度不穩(wěn)定。
3、經(jīng)過長達(dá)五年的研究，借助于中科院地球化學(xué)研究所的實(shí)驗(yàn)室以及東方電機(jī)股份有限公司的天然氣切割試驗(yàn)基地，發(fā)明人以天然氣作為母氣，添加不同的物質(zhì)作為助燃催化劑，添加量為1％。然后用G01-100型割炬，2#割嘴，對40mm冷鋼板進(jìn)行打孔預(yù)熱試驗(yàn)。
通過全自動(dòng)液氣混合裝置，分別多次調(diào)節(jié)添加劑的比例(重量比)為0.4％、0.6％、0.8％、1％、1.5％、3％對同等板材的70毫米及40毫米的冷鋼板垂直預(yù)熱打孔的時(shí)間平均值別為(連預(yù)熱帶打穿的時(shí)間)
從經(jīng)濟(jì)性的角度，我們最終確定用1％的混合比例。
五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論發(fā)明人將該添加劑與天然氣混合后，生成的混合氣體定名為“先鋒II號”金屬切割氣，2004年5月1日至7日，在東方電機(jī)廠下料中心(四川德陽)進(jìn)行了試驗(yàn)運(yùn)行。經(jīng)過對于不同厚度的鋼板進(jìn)行多次試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下切割對比試驗(yàn)記錄(一)
切割對比試驗(yàn)記錄(二)
加工坡口對比試驗(yàn)記錄(三)
從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以表明，將發(fā)明人研制的天然氣添加劑按恒定比例與天然氣進(jìn)行充分混合從而提高天然氣的火焰溫度，滿足天然氣在金屬焊割等領(lǐng)域需求的理論和實(shí)踐是成功的。
權(quán)利要求
1.一種助燃添加劑，用于提高天然氣火焰溫度。其特征是使天然氣火焰溫度達(dá)到3000℃以上，從而代替乙炔，滿足金屬切割氣對火焰溫度的要求。主要是由甲醇、對甲基異丙苯、N，N，1-三甲基-1-苯基硼胺、1-甲基-4-丙基環(huán)己醇、二甲苯、乙二醇異丙醚、苯甲醚、甲基正丁基醚、叔丁基過氧化氫等配方按比例配置而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的助燃添加劑，其特征是使天然氣火焰溫度達(dá)到3000℃以上，運(yùn)用于金屬切割領(lǐng)域，從而代替乙炔，滿足金屬切割氣對火焰溫度的要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的助燃添加劑，其特征是由甲醇、對甲基異丙苯、N，N，1-三甲基-1-苯基硼胺、1-甲基-4-丙基環(huán)己醇、二甲苯、乙二醇異丙醚、苯甲醚、甲基正丁基醚、叔丁基過氧化氫等配方按比例配置而成。
全文摘要
在工業(yè)燃?xì)忸I(lǐng)域中，天然氣的沸點(diǎn)較低(－157℃)，不受環(huán)境溫度的影響，不存在氣化問題，但熱值較低，在氧氣中的火焰溫度僅為2538℃，完全不能滿足金屬切割的需要。本發(fā)明涉及一種與天然氣混合后能夠迅速提高天然氣火焰溫度的助燃添加劑。該助燃添加劑能將天然氣在氧氣中的火焰溫度提高到3000℃以上，可使天然氣在金屬焊割等領(lǐng)域的使用性能超過乙炔，成為新一代的乙炔代用氣。該助燃添加劑的基本構(gòu)成為甲醇、對甲基異丙苯、N，N，1－三甲基－1－苯基硼胺、1－甲基－4－丙基環(huán)己醇、二甲苯、乙二醇異丙醚、苯甲醚、甲基正丁基醚、叔丁基過氧化氫。與天然氣的混合重量比為1％。
文檔編號C10L3/10GK1923983SQ200510099719
公開日2007年3月7日 申請日期2005年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月3日
發(fā)明者姚爭葵, 劉樹林, 劉永剛 申請人:十堰德潤佳業(yè)科技開發(fā)有限公司