催化烷烃类燃气替代乙炔用于火焰焊割

乙炔和石油化工中催化裂化的副产品中的丙烷、丁烷及天然气(甲烷)相比,其燃烧性质的差别主要是由于它们的分子结构不同所致。乙炔分子结构中两碳原子间含有两个很易破裂的π键(CH ≡CH),化学活性强,燃点低,燃烧速度快,易回火。而烷烃分子结构中只含相对稳定的σ键(如丙烷:CH₃ - CH₂ - CH₃),因此,其化学活性,燃烧速度均不如乙炔,回火倾向较小。正是由于这种分子结构的差异,燃烧速度的不同,导致它们的火焰热量的分布也有所差异。

乙炔气因其易燃易爆，安全系数低，生产过程中耗能耗电，污染环境，生产成本偏高，以至在生产、存储、运输、使用、环保及价格方面存在诸多缺陷和隐患，发展受到了很大限制，因此许多国家都在研制新的更安全、更节能的工业燃气，中国国家有关部门在全国乙炔生产会议上明确不再审批新建扩建电石厂、乙炔厂。现有的厂家面临转产的境地。国家早在八五期间，就极力推广烷烃类燃气替代乙炔气，如"丙烷气"、"丙烯气"、"天然气"等等， 以期逐渐取代乙炔气。

我国工业燃气用量中，70%为乙炔气。以前乙炔气主要是乙炔发生器中制取，由于造成污染和高度不安全性，各地均已发文不得采用（包括管道式）。目前均采用瓶装乙炔气进行工业切割。乙炔化学性质活跃，易爆，极危险。当其与铜、银等金属以及空气、纯氧混合，甚至盛装容器直径较大时都会引起爆炸。使用乙炔气在对碳素钢切割时，易产生切口上缘熔化，挂渣多且不易清除，切面局部硬化等现象，使切割工艺不理想。焊接时需要进行打磨，增加了生产成本。 沿海地区造船厂近年来已经禁止在造船平台使用乙炔，改用其他新型切割气，多年来人们一直尝试采用其他燃料代替乙炔作为切割气，但由于其他燃料如：天然气，液化石油气，丙烷气，丙烯气，人工煤气，二甲醚等燃料在氧气中燃烧温度低于2500℃，直接作为切割气不理想，需要加助燃添加剂对母气进行催化，裂化，助燃，改变燃气燃烧方式，从而提升火焰温度，使之在氧气中燃烧的火焰温度达到或超越乙炔的3100℃，实现替代乙炔的目的。

乙炔在很长一段时间内成为工业切割、焊接、火焰喷图等工艺不可替代的燃料，乙炔在特种切割中发挥了不可替代的作用，如球墨铸铁、钼钢、不锈钢等工件的切割。焊接工艺中乙炔较其它燃气更具有特殊的优势，操作简便，适用性强，火焰喷图因其具有速度快，质量好等优点收到广大企业的青睐。

但随着生产力的发展和社会的进步，人类越来越注重环保、节能、安全、高效，对乙炔气暴露出来的弊端和缺陷也有了越来越清晰的认识。上世纪七十年代，在欧美、日本发达国家就已开始逐步淘汰乙炔气，取而代之的是以丙烷、丙烯、天然气、汽油、焦炉煤气、氢气等为主体的工业燃气。

若想达到乙炔的使用效果，必须了解乙炔的理化性质，才能采取相应的技术手段实现烷烃类燃气的可替代性。

乙炔分子式为C₂H₂，构造式为HC ≡ CH。根据杂化轨道理论，乙炔分子中的碳原子以sp 杂化方式参与成键，两个碳原子各以一条sp 杂化轨道互相重叠形成一个碳碳σ键，每个碳原子又各以一个sp 轨道分别与一个氢原子的1s 轨道重叠，各形成一个碳氢σ键。此外，两个碳原子还各有两个相互垂直的未杂化的2p 轨道，其对称轴彼此平行，相互“肩并肩”重叠形成两个相互垂直的π键，从而构成了碳碳叁键。两个π键电子云对称地分布在碳碳σ键周围，呈圆筒形。

乙炔分子中π键的形成及电子云分布，现代物理方法证明，乙炔分子中所有原子都在一条直线上，碳碳叁键的键长为0.12 nm，比碳碳双键的键长短，这是由于两个碳原子之间的电子云密度较大，使两个碳原子较之乙烯更为靠近。但叁键的键能只有836.8 kJ·mol -1，比三个σ键的键能和（345.6 kJ·mol -1 × 3）要小，这主要是因为p 轨道是侧面重叠，重叠程度较小所致。简单炔烃的沸点、熔点以及相对密度，一般比碳原子数相同的烷烃和烯烃高一些。这是由于炔烃分子较短小、细长，在液态和固态中，分子可以彼此靠得很近，分子间的范德华作用力很强。由于乙炔的特殊化学性质，在燃烧过程中，热能释放效率高、化学反应速度快、化学键极易断裂、火焰燃烧速度快，是丙烷类燃气的3倍，因此助燃添加剂需要对烷烃类燃气的分子进行强有力的助分解，达到快速燃烧的目的，实现温度瞬间的提升。

丙烷是石油化工工业的副产品,来源丰富,价格低廉,且燃烧对环境无污染,是乙炔可行的替代品。由于丙烷火焰温度较低,预热时间相对比乙炔长,这是目前推广应用中遇到的一大困难。由于丙烷火焰热量分布分散、温度较低、由火焰导致金属熔化的可能性较小,因此割口上沿不易造成塌边、切口光滑平整、割口下沿挂渣少、易清除。

丙烯的焰心和外焰都有较高的热释放,焰心热量分布与乙炔相似,外焰热量比乙炔高。因此,丙烯既具有乙炔火焰的属性又具有丙烷外焰的高热含量,火焰温度比乙炔焰约低,但比丙烷火焰温度高,是一较好的切割用燃气。丙烯火焰的切割特点是:火焰温度较高,切割预热时间与乙炔相比约有增加,但比丙烷快,由于外焰热含量高,对于厚大构件切割有利。

液化石油气来自炼厂气、湿性天然气或油田伴生气。由天然气和伴生气中得到的液化石油气主要成分是丙烷（为通常俗称为残液的主要成分）、丁烷、丁烯和少量戊烷。液化气成分复杂,燃烧时火焰不集中，热量不均衡，火焰温度低,切割预热时间相应增长，切割速度降低，功效差。

天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。

由于天然气热值低，燃烧速度慢,火焰温度低,切割预热时间相应增长，消耗燃气和氧气量大，综合成本偏高。切割厚钢板时要获得所要求的总热量燃气消耗量大。要保持切割速度,厚大构件要求外焰热量输出要高,割缝容易加宽，热影响区大，预热穿孔时容易反浆或难于穿透，对金属表面造成影响，需要加添加剂来提高火焰温度。

催化燃烧是燃料在催化剂表面进行的完全氧化反应。 在催化燃烧反应过程中，反应物在催化剂表面形成低能量的表面自由基，生成振动激发态产物，并以红外辐射方式释放出能量；在反应完全进行的同时，通过催化剂的选择性来有效地抑制生成有毒有害物质的副反应发生，基本上不产生或很少产生NOx、CO和HC等污染物。

助燃添加剂与天然气（液化石油气）分子结合后，更容易实现分子的裂化，分解，从而改变了燃气的性质，在燃烧状态下改变了气体波长，燃烧频率，燃烧速度，增强热能等，实现了二次完全燃烧，降低了有害物质的生成，降低了热量的散逸，达到了高温催化燃烧的目的。并且助燃催化剂本身具有很好燃烧化学能，因此催化燃烧是目前应用广泛的形式之一。

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