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天然气切割气技术


锐锋品牌   
  一、什么是锐锋工业切割气?

近几年天然气作为一种洁净燃料被引入生产中。主要用于供热烘干等,如果把天然气作为工业切割气则存在着燃烧温度偏低、切割锋焰偏短等问题。 

天然气正常燃烧温度是2600℃,天然气经过净化后,形成PNG(管道天然气)LNG(液化天然气)和CNG(压缩天然气)。如果使用天然气替代丙烷气,必须提高温度才能切割各种不同材质、不同厚度的金属。我公司科技人员经过大量反复实验研制出来的一种全称为“锐锋高效节能环保的工业切割气”。这种切割气是应用增效技术,通过向普通天然气里添加增效剂,进而使其转变成适应于高效节能环保的工业切割气。增效剂进入气体后均匀扩散,形成特定的氢氧原子团,在燃烧过程中发生裂变,对燃气有优化重组作用,产生二次燃烧改善燃气的燃烧性能,使燃气得以充分雾化完全燃烧,从而提高热效率,增加火焰温度。增效后天然气火焰温度最高达到3300℃。我们把添加过锐锋增效剂的天然气,命名为锐锋工业切割气

    锐锋工业切割气是通过大量的基础研究,在对天然气增效处理基础上研制的工业切割气,该切割气的应用能解决长期以来使用乙炔作为工业燃气所带来的环保、安全等问题,能彻底根治电石渣、硫化物和磷化物污染源,具有多项乙炔无法比拟的优点:环保、节能、安全、经济、高效、优质等。锐锋工业切割气已成为全功能取代乙炔的优选产品,具有巨大的经济价值和社会效益。

    针对不同燃气成分的物理化学特点,从燃气的燃烧学、燃烧产物的传热学等基本规律入手,通过对流动、火焰传播、燃氧混合等特性的研究确定其合理的匹配关系;通过对燃气燃烧活化能、催化机理与催化剂、助燃机理与助燃剂等的研究确定添加剂包的基本组成与配比。在上述研究基础上,对供气系统的整体工艺流程过程进行研究,确定锐锋工业切割气工业应用的技术途径,确保使用过程的高安全性。

   1、基本原理 
    可用作割工业用气的燃气比较多,为了有针对性地说明问题,在这里只给出甲烷、乙炔、丙烷的相关性能参数见表1。 
从爆炸极限范围、燃烧速度、密度等角度,天然气与丙烷、乙炔相比较,以不易堆积、不易回火、不易爆炸等优点呈现出较好的安全性。同时,其质量热值最高,具备高火焰温度的潜力。

表1 乙炔、天然气、丙烷的基本性能参数


乙炔

天然气

丙烷

分子式

C2H2

CH4

C3H8

分子量

26.01

16.03

44.06

密度(比重,常温常压)kg/m3

1.09

0.73

1.86

净热值

体积热值(MJ/m3

47.15

37.68

85.77

质量热值(MJ/kg)

43.3

51.6

46.1

理论耗氧量

体积(m3/m3

2.5

2

5

质量(kg/kg

3.078

4

3.64

氧气中的燃速(m/s

7.5

3.3

2

空气中的爆炸极限范围(%)

2.5-80

5.3-14.5

2.1-9.5

实测的氧火焰温度)

3 1003 350

1 8502 540

2 832

着火温度点℃

305

645

510

然而,一般来说普通天然气火焰不集中,燃烧的实测氧火焰温度较低(见表1),对金属预热时间长,速度慢,切割效率较低,其在切割领域的应用受到极大的限制,为此需作进一步的分析。 
    根据表1中的参数值可以看出,在消耗相同体积的三类燃气(压强相等)其消耗的氧气是不同的,发出来的热也不相等。从三类燃气的体积热值角度来看,丙烷的体积热值最高;而从质量(重量)热值角度来看,天然气的重量热值最高。火焰温度的实际值并不是仅仅由热值决定的,影响火焰温度的因素很多。其中三类燃气的燃烧速度和着火温度点明显的差别就将直接影响燃烧速度和燃烧效率,也就直接影响燃烧火焰的温度。

三类燃气燃烧的化学反应分别为:

乙炔燃烧的化学反应方程:

丙烷燃烧的化学反应方程:

天然气燃烧的化学反应方程:

三类燃气在消耗相同的重量(1kg为例)时,消耗的氧气重量,燃烧产物中二氧化碳、水的重量都不相同。

参见表2

表2 三类燃气及其反应产物对比

 

乙炔

天然气

丙烷(石油气)

分子量

26

16

44

燃气消耗(kg)

1

1

1

氧消耗(kg)

3.077

4

3.64

生成二氧化碳重量(kg)

3.384

2.75

3

生成水的重量(kg)

0.694

2.25

1.64

燃烧产物总重量

4.077

5.0

4.64

理论上说,重量热值所能将总的燃烧产物加热的温度就是火焰温度,虽然重量热值不同,但每公斤燃气燃烧产物的重量也不相同,从上述两表可以看出,乙炔、天然气、丙烷的净热值分别为43.3、51.6和46.1(MJ/kg)而每公斤燃气燃烧产物总质量分别为4.077、5.0、4.64(kg)。三类燃气燃烧产物的平均比热都远远低于2000J/kg.℃,它们的理论绝热火焰温度都在4000℃以上,差别并不很大。然而其实际火焰温度却有较大差别参见表1天然气和丙烷的实际火焰温度较低,很大程度反映了其各自燃烧的有效化学释热能力。影响火焰温度的因素比较多,包括燃烧产物与环境的热交换、燃烧效率等。燃烧产物与环境的热交换主要是通过对流换热和辐射换热进行的,有效减少这种热交换的主要方法,第一尽可能降低火焰的辐射强度;第二使火焰范围变小,通过减小火焰与环境空气的接触面积来降低对流换热量。影响燃气燃烧效率的因素包括燃气的掺混性能、活化能、点火温度、氧-燃气混合比等等。通过改善天然气的氧火焰温度,实现天然气在切割领域的高效应用,就必须对天然气有关性能通过物理和化学方法进行改善增效。

2、供气系统简介 
    锐锋工业切割气的基础气源为天然气,天然气的供应形式主要有管道天然气PNG、压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)三种,与此相适应,锐锋工业切割气可通过建立气源系统、调压系统、混合改性等为使用方提供稳定可靠的工业切割气,供气方式参加见下图所示。

3、实验对比 
多年来以20mm厚A3钢板实验工件为实验对象,对锐锋工业切割气气多批次产品进行了应用对比实验,获得了表3和表4所示的实验结果。
表3 三类燃气实验对比结果

项目/气种

锐锋工业切割气

CH4纯天然气

C3H8纯丙烷

切割时间 S

55

69

60

切割速度 mm/min

436

345

362

切割时间 min

15

15

15

切割长度 m

6.54

5.2

6

燃烧耗燃气量g

65

188

182.4

单位长度耗燃气量g/m

9.5

36.2

30.4

燃烧耗氧气量g

1000

1250

1082

单位长度耗氧气量g/m

153

240

180.3

表4 四类燃气实验分析数据对比

项目

锐锋工业切割气

天然气

丙烷

乙炔燃气

火焰温度℃

3300

2540

2520

3150

预热时间s

5-6

8-10

13

11

切割速度mm/min

436

345

362

371

燃气耗量g/m

9.5

36.2

30.4

16.4

气种/锐锋燃气耗量比

1

3.81

3.2

1.72

耗氧量g/m

153

240

180.3

147

气种耗氧量/锐锋耗氧量比

1

1.56

1.18

0.97

a、切割效率

    切割速度及效率的大小关键取决于切割火焰的温度和切割氧达到割缝时的纯度及动量。锐锋增效天然气在切割过程中具有较高的火焰温度,以及较高的切割氧纯度和动量保持能力,因而提高了其切割速度。结合合理的工艺措施,其切割效率能明显超过乙炔切割效率。在相同工件实验中,从单位切割长度的燃气消耗率、氧气消耗率、以及切割时间三方面对切割效率进行分析,进而获得对比效果都说明其极高的效率。 
B、切口质量 
    切割过程是预热火焰将切割钢材表面预热到燃点,然后通以高压氧气流,使达到燃点的金属在氧气流中激烈地燃烧,并借以高压气流的吹力,把燃烧生成的产物吹掉,形成割缝,因而切割的实质是金属在氧气中燃烧,而不是金属的熔化。用乙炔切割时,由于乙炔燃烧速度快很难避免切口上金属的过烧而产生的金属氧化物熔渣的挂渣现象,造成这种现象的原因是在切割过程中,切口金属表面层会出现增碳现象,与切口金属过烧所形成的金属氧化物或金属化合物的共同作用,在切口表面温度冷却速度极快的情况下生成了大量组织为马氏体的硬质熔渣,通常用碳弧气刨和打磨等方法才得以清除,加大了工作量和成本。 
    锐锋燃气为增效天然气,在纯氧中的燃烧速度相对较慢,虽然火焰温度较高,但通过对切割工艺的摸索能够防止割嘴的过热烧损,避免切口金属的高温过烧现象,能够避免切断面上缘的烧塌现象,更能避免对割工件材质性能的影响,提高切口质量。 
    公司在全国各使用单位进行了锐锋增效天然气与液化石油气(丙烷)的应用对比,对比内容包括:带坡口切割;厚钢板矫正;厚钢板切割;钢板加热速度对比测试等项目。通过切割对比试验可以看出,在切割工作量相等的条件下,液化石油气的燃气消耗量和氧气消耗量分别是锐锋增效天然气的2.675倍和1.78倍,锐锋增效天然气可以节省约20%工时。在烤板对比试验中,在相同工件、相同时间内,液化石油气的单位变形耗气率、耗氧率是锐锋增效天然气的2.392倍、2.15倍。

c、安全性分析
    天然气主要成分为甲烷,是可燃气体,必须按可燃气体的相关安全措施进行操作,但与乙炔或丙烷气体相比,有着显著的安全性。 
    乙炔的化学性质活泼,自燃点和在空气中的着火温度均很低。且纯乙炔能够自身分解爆炸。其分解爆炸性能取决于乙炔的压力和温度,压力越大,爆炸温度越低,同时与乙炔中的杂质、容器的尺寸有关,因此在运输过程中不得剧烈振动或撞击,且不能过高的压力。 
    乙炔与空气的混合爆炸极限范围极宽,露天作业时要防止日晒,以免发生乙炔爆炸的危险。甲烷的化学性质不如乙炔活泼,对压力、温度、冲击等的敏感性比乙炔低得多,天然气与空气混合时具有爆炸危险的混合比值体积分数范围较乙炔小得多,与氧气混合的爆炸体积分数极限范围也比乙炔小。 
    乙炔在使用时,当乙炔—氧气混合气体的喷射速度和混合气体的燃烧速度之间比例操作不当,即当喷射速度小于燃烧速度,喷射速度缓慢,而燃烧速度太快时,便造成火焰倒向割炬和胶管而产生回火现象,处理不当时会发生乙炔爆炸现象。乙炔在割焊时,若割嘴过热会使混合气体受热膨胀,压力增高,部分混合气体能在割嘴内自燃。天然气由于其燃烧速度、火焰传播速度比较低,而对其喷射速度要求比较高,就不可能发生这种回火现象。 
    天然气与液化石油气(主要成分丙烷)相比,丙烷比重较大,如有漏气或燃烧不完全,易积于低洼处、密闭或半密闭场所,遇火会爆炸或燃烧成灾;丙烷对人体有麻醉作用,吸入一定量的丙烷的人员会出现中毒症状。故应严防漏气或采取相应的通风措施。而天然气其相对密度比较低,在出现泄漏或燃烧不充分时,不会出现沉积现象,天然气对人体没有明显的毒性。总之,天然气与丙烷相比也具有相对好的安全性。

d、成本与环保分析 
    目前我国的工业燃气还在大量使用的是乙炔,乙炔是工业生产燃气,每生产一吨乙炔需耗电10800度,需要3吨焦碳和3吨水,同时产生3.3吨污染渣,乙炔气中1518mg/m3的H2S和1213mg/m3的PH3,乙炔燃气污染重、耗能高。
    天然气是天然矿产燃气,能耗低,经过处理后不含任何有毒物质。与其它工业用燃气相比,由于其氢含量高,燃烧产物的二氧化碳排放量最低。
    而与液化石油气的对比试验得到的结果可以看出,在切割相同工件时,消耗1Kg的锐锋增效天然气,现有气将消耗约2.675Kg。年消耗液化石油气500吨,改用锐锋增效天然气则仅需要187吨,节省能源折合原煤约902吨。
丙烷和甲烷的燃烧化学方程式分别为
丙烷燃烧的化学反应方程:
天然气燃烧的化学反应方程:
它们在化学恰当比燃烧条件下,消耗相同燃气重量(以1kg为例)时,消耗的氧气重量,燃烧产物中二氧化碳、水的重量都不相同参见表6。
消耗1Kg天然气放出2.75Kg二氧化碳,而1Kg丙烷放出3Kg二氧化碳,就是说在消耗同样质量的两类燃气,丙烷的二氧化碳排放大约是天然气的1.09倍,考虑天然气的节气率,丙烷耗气是天然气的2.675倍时,二氧化碳排放将是2.91倍。年消耗丙烷500吨时二氧化碳排放1500吨,改用天然气(甲烷)二氧化碳排放仅为515吨左右。减少二氧化碳排放985吨。
表5 两类燃气及其反应产物对比

 

天然气

丙烷

分子量

16

44

燃气消耗(kg)

1

1

氧消耗(kg)

4

3.64

成二氧化碳重量(kg)

2.75

3

生成水的重量(kg)

2.25

1.64

燃烧产物总重量

5.0

4.64

    锐锋天然气增效剂
    锐锋天然气增效剂是本公司的品牌产品,是一种橘黄色、无毒、无腐蚀性的化合物,具有助燃、阻聚、催化、裂化等特殊功效,增效剂按0.3-0.5% 比例的数量加进基础气源中,可显著改善天然气的燃烧特性,提高火焰温度700℃左右。当天然气增效剂通过我公司生产的专用设备添加进入天然气以后,能充分和天然 气相互混合溶解,激活气体介质产生更多的热量,加快燃烧速度促使其热值充分释放。添加过增效剂的天然气火焰温度最高达到3300℃,可用于对金属的切割和 焊接以及窑炉、玻璃陶瓷、食品等行业的烘烤加热。目前在河北、河南、山东、新疆、辽宁、黑龙江、浙江、江苏以及北京周边地区已经有一部分造船拆船、钢铁冶金、机械制造、钢结构等企业在使用。


二、选择锐锋工业切割气的原因?

锐锋工业切割气以其优越的特点决定了在工业生产中替代丙烷气、乙炔气,是最好的工业切割气。具体如下:

1、切割质量

   锐锋天然气切割气预热时间短,矫形速度快,切割表面光滑,不用清渣割缝小,而且压力稳定,气流平稳,保证了切割金属的质量。

2、节能效果

   锐锋天然气切割气与丙烷气的切割功效比为11.3-1.5。即1m³锐锋天然气切割气在同等切割条件下功效可以抵1.3-1.5公斤丙烷气,我公司对用户承诺节省购气费用10-30%左右。

   锐锋天然气切割气与乙炔气的切割功效比为1:1。即1m³锐锋天然气切割气在同等切割条件下功效抵1公斤乙炔气,我公司对用户承诺节能在50%左右。

3、减排效果

   丙烷气燃烧每公斤排放二氧化碳3.1公斤,天然气燃烧每公斤排放二氧化碳2.3公斤。锐锋天然气切割气比丙烷气减少二氧化碳排放25%左右。

4、安全系数

   锐锋天然气切割气与空气的比重为0.7:1,丙烷气与空气的比重为1.3:1,如有泄漏,天然气飘向天空不会在地面堆积,不易造成安全隐患,而且天然气的爆炸极限与丙烷气对比安全系数更高。


三、三种气体切割使用效果对比

1、三种气体的成本、温度、二氧化碳、耗氧量对比情况

                      


2、三种气体切割消耗对比表

           

四、锐锋工业切割气的三种经营模式

  第一种、锐锋工业切割气瓶组供气模式

         

    瓶组供气模式适用于用气量较小的企业。这种模式是将瓶组运到加气站加气,天然气(CNG)通过CNG气剂混合设备,将气剂混合后的天然气均匀的装在每个瓶组中,运送到用户生产车间。(采用LNG用杜瓦瓶供气,经气化、加剂后可使用)。

  第二种、锐锋工业切割气橇车供气模式

            

    大客户模式。采用槽车直接供气,加热减压计量,气剂混合储存,分车间供气的方式。(如采用LNG供气,将CNG加热减压计量设备替换成LNG气化设备即可)。

  第三种、锐锋工业切割气管道供气模式

                   

    首先确定从调压站输出的天然气压力在2公斤左右,然后天然气通过锐锋气剂混合设备进行减压,并使天然气增效剂按照设定的比例添加到天然气中,混合成天然气工业切割气,进入到用户生产车间。  

       


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