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火焰切割機(jī)幾種常用燃料的介紹

發(fā)表時(shí)間:2014-07-12 15:53:48

火焰切割機(jī)幾種常用燃料的介紹:
        ————武漢華宇誠數(shù)控技術(shù)篇:

  乙炔和石油化工中催化裂化的副產(chǎn)品中的丙烷、丁烷及天然氣(甲烷)相比,其燃燒性質(zhì)的差別主要是由于它們的分子結(jié)構(gòu)不同所致。乙炔分子結(jié)構(gòu)中兩碳原子間含有兩個(gè)很易破裂的π鍵(CH ≡CH),化學(xué)活性強(qiáng),燃點(diǎn)低,燃燒速度快,易回火。而烷烴分子結(jié)構(gòu)中只含相對穩(wěn)定的σ鍵(如丙烷:CH3 - CH2 - CH3),因此,其化學(xué)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(jié)構(gòu)的差異,燃燒速度的不同,導(dǎo)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(shù)低,生產(chǎn)過程中耗能耗電,污染環(huán)境,生產(chǎn)成本偏高,以至在生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用、環(huán)保及價(jià)格方面存在諸多缺陷和隱患,發(fā)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(jié)能的工業(yè)燃?xì)?,中國國家有關(guān)部門在全國乙炔生產(chǎn)會(huì)議上明確不再審批新建擴(kuò)建電石廠、乙炔廠?,F(xiàn)有的廠家面臨轉(zhuǎn)產(chǎn)的境地。國家早在八五期間,就極力推廣烷烴類燃?xì)馓娲胰矚猓?quot;丙烷氣"、"丙烯氣"、"天然氣"等等, 以期逐漸取代乙炔氣。
  我國工業(yè)燃?xì)庥昧恐校?0%為乙炔氣。以前乙炔氣主要是乙炔發(fā)生器中制取,由于造成污染和高度不安全性,各地均已發(fā)文不得采用(包括管道式)。目前均采用瓶裝乙炔氣進(jìn)行工業(yè)切割。乙炔化學(xué)性質(zhì)活躍,易爆,極危險(xiǎn)。當(dāng)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(shí)都會(huì)引起爆炸。使用乙炔氣在對碳素鋼切割時(shí),易產(chǎn)生切口上緣熔化,掛渣多且不易清除,切面局部硬化等現(xiàn)象,使切割工藝不理想。焊接時(shí)需要進(jìn)行打磨,增加了生產(chǎn)成本。 沿海地區(qū)造船廠近年來已經(jīng)禁止在造船平臺(tái)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(jìn)行催化,裂化,助燃,改變?nèi)細(xì)馊紵绞?,從而提升火焰溫度,使之在氧氣中燃燒的火焰溫度達(dá)到或超越乙炔的3100℃,實(shí)現(xiàn)替代乙炔的目的。
  乙炔在很長一段時(shí)間內(nèi)成為工業(yè)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(fā)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?xì)飧哂刑厥獾膬?yōu)勢,操作簡便,適用性強(qiáng),火焰噴圖因其具有速度快,質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)收到廣大企業(yè)的青睞。
  但隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,人類越來越注重環(huán)保、節(jié)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(rèn)識(shí)。上世紀(jì)七十年代,在歐美、日本發(fā)達(dá)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?fàn)t煤氣、氫氣等為主體的工業(yè)燃?xì)狻?br />   若想達(dá)到乙炔的使用效果,必須了解乙炔的理化性質(zhì),才能采取相應(yīng)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)烷烴類燃?xì)獾目商娲浴?br />   乙炔分子式為C2H2,構(gòu)造式為HC ≡ CH。根據(jù)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(gè)碳原子各以一條sp 雜化軌道互相重疊形成一個(gè)碳碳σ鍵,每個(gè)碳原子又各以一個(gè)sp 軌道分別與一個(gè)氫原子的1s 軌道重疊,各形成一個(gè)碳?xì)?sigma;鍵。此外,兩個(gè)碳原子還各有兩個(gè)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(gè)相互垂直的π鍵,從而構(gòu)成了碳碳叁鍵。兩個(gè)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(xiàn)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(gè)碳原子之間的電子云密度較大,使兩個(gè)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(gè)σ鍵的鍵能和(345.6 kJ·mol -1 × 3)要小,這主要是因?yàn)閜 軌道是側(cè)面重疊,重疊程度較小所致。簡單炔烴的沸點(diǎn)、熔點(diǎn)以及相對密度,一般比碳原子數(shù)相同的烷烴和烯烴高一些。這是由于炔烴分子較短小、細(xì)長,在液態(tài)和固態(tài)中,分子可以彼此靠得很近,分子間的范德華作用力很強(qiáng)。由于乙炔的特殊化學(xué)性質(zhì),在燃燒過程中,熱能釋放效率高、化學(xué)反應(yīng)速度快、化學(xué)鍵極易斷裂、火焰燃燒速度快,是丙烷類燃?xì)獾?倍,因此助燃添加劑需要對烷烴類燃?xì)獾姆肿舆M(jìn)行強(qiáng)有力的助分解,達(dá)到快速燃燒的目的,實(shí)現(xiàn)溫度瞬間的提升。
  丙烷是石油化工工業(yè)的副產(chǎn)品,來源豐富,價(jià)格低廉,且燃燒對環(huán)境無污染,是乙炔可行的替代品。由于丙烷火焰溫度較低,預(yù)熱時(shí)間相對比乙炔長,這是目前推廣應(yīng)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(dǎo)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?xì)狻1┗鹧娴那懈钐攸c(diǎn)是:火焰溫度較高,切割預(yù)熱時(shí)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(gòu)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(fù)雜,燃燒時(shí)火焰不集中,熱量不均衡,火焰溫度低,切割預(yù)熱時(shí)間相應(yīng)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(shù),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(biāo)準(zhǔn)狀況下,甲烷至丁烷以氣體狀態(tài)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(yù)熱時(shí)間相應(yīng)增長,消耗燃?xì)夂脱鯕饬看?,綜合成本偏高。切割厚鋼板時(shí)要獲得所要求的總熱量燃?xì)庀牧看?。要保持切割速?厚大構(gòu)件要求外焰熱量輸出要高,割縫容易加寬,熱影響區(qū)大,預(yù)熱穿孔時(shí)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(jìn)行的完全氧化反應(yīng)。 在催化燃燒反應(yīng)過程中,反應(yīng)物在催化劑表面形成低能量的表面自由基,生成振動(dòng)激發(fā)態(tài)產(chǎn)物,并以紅外輻射方式釋放出能量;在反應(yīng)完全進(jìn)行的同時(shí),通過催化劑的選擇性來有效地抑制生成有毒有害物質(zhì)的副反應(yīng)發(fā)生,基本上不產(chǎn)生或很少產(chǎn)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(jié)合后,更容易實(shí)現(xiàn)分子的裂化,分解,從而改變了燃?xì)獾男再|(zhì),在燃燒狀態(tài)下改變了氣體波長,燃燒頻率,燃燒速度,增強(qiáng)熱能等,實(shí)現(xiàn)了二次完全燃燒,降低了有害物質(zhì)的生成,降低了熱量的散逸,達(dá)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(xué)能,因此催化燃燒是目前應(yīng)用廣泛的形式之一。

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