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      火焰切割機幾種常用燃料的介紹

      發表時間:2014-07-12 15:53:48

      火焰切割機幾種常用燃料的介紹:
              ————武漢華宇誠數控技術篇:

        乙炔和石油化工中催化裂化的副產品中的丙烷、丁烷及天然氣(甲烷)相比,其燃燒性質的差別主要是由于它們的分子結構不同所致。乙炔分子結構中兩碳原子間含有兩個很易破裂的π鍵(CH ≡CH),化學活性強,燃點低,燃燒速度快,易回火。而烷烴分子結構中只含相對穩定的σ鍵(如丙烷:CH3 - CH2 - CH3),因此,其化學活性,燃燒速度均不如乙炔,回火傾向較小。正是由于這種分子結構的差異,燃燒速度的不同,導致它們的火焰熱量的分布也有所差異。
        乙炔氣因其易燃易爆,安全系數低,生產過程中耗能耗電,污染環境,生產成本偏高,以至在生產、存儲、運輸、使用、環保及價格方面存在諸多缺陷和隱患,發展受到了很大限制,因此許多國家都在研制新的更安全、更節能的工業燃氣,中國國家有關部門在全國乙炔生產會議上明確不再審批新建擴建電石廠、乙炔廠?,F有的廠家面臨轉產的境地。國家早在八五期間,就極力推廣烷烴類燃氣替代乙炔氣,如"丙烷氣"、"丙烯氣"、"天然氣"等等, 以期逐漸取代乙炔氣。
        我國工業燃氣用量中,70%為乙炔氣。以前乙炔氣主要是乙炔發生器中制取,由于造成污染和高度不安全性,各地均已發文不得采用(包括管道式)。目前均采用瓶裝乙炔氣進行工業切割。乙炔化學性質活躍,易爆,極危險。當其與銅、銀等金屬以及空氣、純氧混合,甚至盛裝容器直徑較大時都會引起爆炸。使用乙炔氣在對碳素鋼切割時,易產生切口上緣熔化,掛渣多且不易清除,切面局部硬化等現象,使切割工藝不理想。焊接時需要進行打磨,增加了生產成本。 沿海地區造船廠近年來已經禁止在造船平臺使用乙炔,改用其他新型切割氣,多年來人們一直嘗試采用其他燃料代替乙炔作為切割氣,但由于其他燃料如:天然氣,液化石油氣,丙烷氣,丙烯氣,人工煤氣,二甲醚等燃料在氧氣中燃燒溫度低于2500℃,直接作為切割氣不理想,需要加助燃添加劑對母氣進行催化,裂化,助燃,改變燃氣燃燒方式,從而提升火焰溫度,使之在氧氣中燃燒的火焰溫度達到或超越乙炔的3100℃,實現替代乙炔的目的。
        乙炔在很長一段時間內成為工業切割、焊接、火焰噴圖等工藝不可替代的燃料,乙炔在特種切割中發揮了不可替代的作用,如球墨鑄鐵、鉬鋼、不銹鋼等工件的切割。焊接工藝中乙炔較其它燃氣更具有特殊的優勢,操作簡便,適用性強,火焰噴圖因其具有速度快,質量好等優點收到廣大企業的青睞。
        但隨著生產力的發展和社會的進步,人類越來越注重環保、節能、安全、高效,對乙炔氣暴露出來的弊端和缺陷也有了越來越清晰的認識。上世紀七十年代,在歐美、日本發達國家就已開始逐步淘汰乙炔氣,取而代之的是以丙烷、丙烯、天然氣、汽油、焦爐煤氣、氫氣等為主體的工業燃氣。
        若想達到乙炔的使用效果,必須了解乙炔的理化性質,才能采取相應的技術手段實現烷烴類燃氣的可替代性。
        乙炔分子式為C2H2,構造式為HC ≡ CH。根據雜化軌道理論,乙炔分子中的碳原子以sp 雜化方式參與成鍵,兩個碳原子各以一條sp 雜化軌道互相重疊形成一個碳碳σ鍵,每個碳原子又各以一個sp 軌道分別與一個氫原子的1s 軌道重疊,各形成一個碳氫σ鍵。此外,兩個碳原子還各有兩個相互垂直的未雜化的2p 軌道,其對稱軸彼此平行,相互“肩并肩”重疊形成兩個相互垂直的π鍵,從而構成了碳碳叁鍵。兩個π鍵電子云對稱地分布在碳碳σ鍵周圍,呈圓筒形。
        乙炔分子中π鍵的形成及電子云分布,現代物理方法證明,乙炔分子中所有原子都在一條直線上,碳碳叁鍵的鍵長為0.12 nm,比碳碳雙鍵的鍵長短,這是由于兩個碳原子之間的電子云密度較大,使兩個碳原子較之乙烯更為靠近。但叁鍵的鍵能只有836.8 kJ·mol -1,比三個σ鍵的鍵能和(345.6 kJ·mol -1 × 3)要小,這主要是因為p 軌道是側面重疊,重疊程度較小所致。簡單炔烴的沸點、熔點以及相對密度,一般比碳原子數相同的烷烴和烯烴高一些。這是由于炔烴分子較短小、細長,在液態和固態中,分子可以彼此靠得很近,分子間的范德華作用力很強。由于乙炔的特殊化學性質,在燃燒過程中,熱能釋放效率高、化學反應速度快、化學鍵極易斷裂、火焰燃燒速度快,是丙烷類燃氣的3倍,因此助燃添加劑需要對烷烴類燃氣的分子進行強有力的助分解,達到快速燃燒的目的,實現溫度瞬間的提升。
        丙烷是石油化工工業的副產品,來源豐富,價格低廉,且燃燒對環境無污染,是乙炔可行的替代品。由于丙烷火焰溫度較低,預熱時間相對比乙炔長,這是目前推廣應用中遇到的一大困難。由于丙烷火焰熱量分布分散、溫度較低、由火焰導致金屬熔化的可能性較小,因此割口上沿不易造成塌邊、切口光滑平整、割口下沿掛渣少、易清除。
        丙烯的焰心和外焰都有較高的熱釋放,焰心熱量分布與乙炔相似,外焰熱量比乙炔高。因此,丙烯既具有乙炔火焰的屬性又具有丙烷外焰的高熱含量,火焰溫度比乙炔焰約低,但比丙烷火焰溫度高,是一較好的切割用燃氣。丙烯火焰的切割特點是:火焰溫度較高,切割預熱時間與乙炔相比約有增加,但比丙烷快,由于外焰熱含量高,對于厚大構件切割有利。
        液化石油氣來自煉廠氣、濕性天然氣或油田伴生氣。由天然氣和伴生氣中得到的液化石油氣主要成分是丙烷(為通常俗稱為殘液的主要成分)、丁烷、丁烯和少量戊烷。液化氣成分復雜,燃燒時火焰不集中,熱量不均衡,火焰溫度低,切割預熱時間相應增長,切割速度降低,功效差。
        天然氣是一種多組分的混合氣體,主要成分是烷烴,其中甲烷占絕大多數,另有少量的乙烷、丙烷和丁烷,此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣,以及微量的惰性氣體,如氦和氬等。在標準狀況下,甲烷至丁烷以氣體狀態存在,戊烷以上為液體。
        由于天然氣熱值低,燃燒速度慢,火焰溫度低,切割預熱時間相應增長,消耗燃氣和氧氣量大,綜合成本偏高。切割厚鋼板時要獲得所要求的總熱量燃氣消耗量大。要保持切割速度,厚大構件要求外焰熱量輸出要高,割縫容易加寬,熱影響區大,預熱穿孔時容易反漿或難于穿透,對金屬表面造成影響,需要加添加劑來提高火焰溫度。
        催化燃燒是燃料在催化劑表面進行的完全氧化反應。 在催化燃燒反應過程中,反應物在催化劑表面形成低能量的表面自由基,生成振動激發態產物,并以紅外輻射方式釋放出能量;在反應完全進行的同時,通過催化劑的選擇性來有效地抑制生成有毒有害物質的副反應發生,基本上不產生或很少產生NOx、CO和HC等污染物。
        助燃添加劑與天然氣(液化石油氣)分子結合后,更容易實現分子的裂化,分解,從而改變了燃氣的性質,在燃燒狀態下改變了氣體波長,燃燒頻率,燃燒速度,增強熱能等,實現了二次完全燃燒,降低了有害物質的生成,降低了熱量的散逸,達到了高溫催化燃燒的目的。并且助燃催化劑本身具有很好燃燒化學能,因此催化燃燒是目前應用廣泛的形式之一。

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