023-86669155
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( 1.株洲齒輪有限責任公司，湖南 株洲412000；2.重慶義揚機電設(shè)備有限公司，重慶 400042；3.重慶長江工業(yè)爐公司，重慶 401329 )
摘 要：株洲齒輪有限公司已成功地以凈化后的天然氣代替丙烷氣用于滲碳。這項工程所取得的成果表明,更換滲碳原料氣的設(shè)備改造和調(diào)試工作量小,更換原料氣后產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量提高,生產(chǎn)成本顯著下降。經(jīng)過凈化的城市天然氣在熱處理行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：城市天然氣；凈化；滲碳
Quality and Economic Gain of Carburizng with Purified Natural Gas instead of propylene
MA Xue-wenl1 , Ll Xiao-peng2、3 , Ll zhi-yi2、3
( 1. Zhuzhou Gear Co., Ltd., Zhuzhou 412000，Hunan ；2 . Chongqing Yiyang Electromechanical Equipment co., ltd Chongqing 400042； 3 . Chongqing Changjiang Commercial Furnace Co., Chongqing 401329)
Abstract : Propane gas has been successfully replaced by purified natural gas for carburizing in Zhuzhou Gear Co . , Ltd . The results obtained from this indicate that equipment reformation and process debuging in the replacement of feed gas for carburizing are easy to perform , and that production capability and product quality after the replacement are enhanced and production cost 15 obviously decreased . The application of purified town natural gas to heat treatment will have a vast vistas.
Key Words: town natural gas；purifying；carburizing
上世紀八十年代末,株齒公司引進了一套美國哈克洛夫箱式爐生產(chǎn)線,采用當時比較先進的以丙烷為原料氣制備吸熱式氣氛＋丙烷氣富化的滲碳技術(shù)。采用這種滲碳技術(shù)生產(chǎn)的齒輪,質(zhì)量穩(wěn)定,在當時生產(chǎn)成本也不高。因此,株齒公司隨后引進和自制的所有滲碳設(shè)備也都采用了以丙烷為原料氣的氣體滲碳工藝。相應(yīng)地,株齒公司興建了一個液化丙烷氣站與之配套，建有兩個30 噸的液化丙烷氣儲罐及相應(yīng)的蒸發(fā)氣化裝置和輸送管道。
近年來,全球原油價格快速上漲,液化丙烷氣的價格也隨之從3000多元/噸漲到8000多元/噸（到廠價，丙烷的生產(chǎn)絕大部分由天然氣制造）,公司熱處理生產(chǎn)成本急劇上升,導致產(chǎn)品市場競爭力大大下降。同時,隨著城市經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展,液化丙烷氣站附近的空地全部被開發(fā),修建了大量的民房設(shè)施,安全隱患日益突出。為此迫切需要尋找一種廉價安全的液化丙烷氣的替代物來降低熱處理生產(chǎn)成本，消除安全隱患。
1 方案選擇
2005年6月，“川氣東輸”工程實施到株洲,株齒公司派專人考察了國內(nèi)幾個主要的齒輪專業(yè)生產(chǎn)廠,經(jīng)過較長時間的市場調(diào)研與技術(shù)分析，認為株洲的城市天然氣是國家西氣東輸?shù)囊徊糠?，來源穩(wěn)定，價格低廉,使用方便,不需要單獨建設(shè)儲氣裝置,安全隱患小,不但可以大大節(jié)約生產(chǎn)成本,而且還能提高產(chǎn)品質(zhì)量[1-4]、縮短生產(chǎn)周期、提高企業(yè)競爭力。
利用天然氣進行滲碳，其工藝原理與使用丙烷氣相似。用天然氣和丙烷氣制備吸熱式氣氛的反應(yīng)式如下（用鎳作催化劑，反應(yīng)溫度≥1000℃ ）：
CH4 + 2.38 空氣→CO+2H2+1.88N2 (1)
C3H8+ 7.14 空氣→3C0+4H2+5.56N2 (2)
表1 用不同原料氣制備的吸熱式氣氛理論上的成分（體積分數(shù),% )[6]
Tablel Theoretical composition of endothermic atmospheres produced by different feed gases (Ψ%)[6]
作者簡介:馬學文(1970.4.-)男，湖南洲株人，工程師，1991年畢業(yè)于華南理工大學，獲市級二等科技進步獎一項，發(fā)表論文多篇。聯(lián)系電話:15876120479, 13907336697,E-mail:maxuewen0503@163.com
原料氣 | 吸熱式氣氛 （體積%） | |||||||
CO | CO2 | O2 | H2 | CH4 | N2 | H2O | 露點 | |
天然氣 | 20.9 | 0.3 | 0 | 40.7 | 0.4 | 其余 | 0.6 | 常溫 |
丙烷氣 | 24.0 | 0.3 | 0 | 33.4 | 0.4 | 其余 | 0.6 | |
從表1可知，天然氣和丙烷氣相比，兩種反應(yīng)原理一致，產(chǎn)生的氣氛成分也相差不多，只是通人的空氣比例不同。因此改用天然氣后，設(shè)備改造和工藝調(diào)整的工作量較小，
同時有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期[1～4]。所以，株齒公司決定采用天然氣全面代替液化丙烷氣，用于① 制備吸熱式氣氛的原料氣；② 氣體滲碳的富化氣[1～4]；③ 滲碳設(shè)備的爐門隔離火簾及廢氣排放的點火嘴消耗氣等。
2 設(shè)備改造及調(diào)整
株齒公司熱處理現(xiàn)有的主要滲碳設(shè)備有：一條211 配置的哈克洛夫箱式爐生產(chǎn)線，一條211 配置的愛協(xié)林密封箱式爐生產(chǎn)線，兩臺單推盤連續(xù)爐，一臺帶壓淬的愛協(xié)林雙推盤連續(xù)爐。配套有3臺吸熱式氣氛發(fā)生器，其產(chǎn)氣量為：2臺140m3/h，1臺70m3/h。
要在上述設(shè)備中用天然氣全面代替丙烷氣，事先需要做的工作有：
2.1按照國家及地方有關(guān)安全管理規(guī)定，完成輸氣管線設(shè)計及施工
因為涉及到安全資質(zhì)問題，這一部分工作委托給了新奧燃氣公司進行設(shè)計和施工，株齒只對工作流量進行計算。丙烷氣用量列于表2。
表2 丙烷氣的用量/m3·h-1
Table 2 Propane gas consumptions for different furnaces
使用設(shè)備 | 哈克洛夫箱式爐 | 愛協(xié)林多用爐 | 單推盤連續(xù)爐 | 愛協(xié)林雙推盤連續(xù)爐 | 合計 |
RX 氣 | 2×10 | 2×10 | 2×45 | 1×40 | 170 |
富化氣 | 2×0.5 | 2×0.5 | 2×1.5 | 1×1.6 | 6.6 |
點火嘴 | 2×1.0 | 2×1.0 | 5×1.0 | 3×1.0 | 12 |
火簾 | 2×1.5 | 2×1.5 | 4×1.5 | 1×1.5 | 13.5 |
(1)根據(jù)反應(yīng)式(2)，表2 中制備吸熱式氣氛的丙烷氣消耗量：170÷12.56≈13.5m3/h
表2 各種氣氛消耗量折算為丙烷氣的消耗量約為46m3/h。
(2)如果改用天然氣，根據(jù)反應(yīng)式(1),制備Rx氣的消耗量:170÷4.88≈34.8 m3/h。
考慮到甲烷的碳當量比丙烷低，富化氣消耗可能會達到丙烷氣的3倍，即20m3/h。
點火嘴及火簾的消耗量與丙烷氣相同，合計約80.3m3/h。因此，當時株齒公司向新奧燃氣公司申報的使用量為100m3/h 。
2.2 天然氣凈化
天然氣中除含無機硫H2S外，還含有大量的有機硫、硫醇（如CH3SH，C2H5SH 等）及少量的CH3S、CS2等約26種[3]。若天然氣中硫含量高，則腐蝕設(shè)備、使催化劑中毒，而且污染環(huán)境[1-4]。因此，天然氣要很好地應(yīng)用到熱處理生產(chǎn)中，首要的問題是除硫。對于熱處理來說，天然氣中的含硫量越低越好[6]，含水量越低越好[1-5]。關(guān)于脫硫方法，文獻[3、4]已有較詳細介紹，本文只介紹三種固態(tài)除硫方法。
天然氣脫硫主要采用濕法和干法兩種。濕法脫硫是采用某種溶液或懸浮液，通過化學反應(yīng)或物理吸附，對流量大、含硫高的氣體進行脫硫。在熱處理生產(chǎn)中，因為天然氣用量不大，一般不采用濕法脫硫。
干法脫硫是用固體吸附劑脫硫，*常用的固體吸附劑有氧化鐵和活性炭。
(l)氧化鐵 脫硫：Fe2O3·3H2O→2Fe(OH)3,
2Fe(OH)3+3H2S→Fe2S3+6H20+熱量
再生：2 Fe2S3+6H2O+3O2→4Fe(OH)3+6S
此種脫硫劑需要在濕堿環(huán)境下工作，含水量30%～40%，pH值8～10。主要用于脫除天然氣中的H2S。
（2）活性炭 在優(yōu)質(zhì)活性載體中添加多種助劑經(jīng)特殊處理制成，具有較大的表面積和合適的孔結(jié)構(gòu)，在常溫常壓下對多種有機硫化物有良好的脫除效果，對H2S也有少量的脫除效果。因此，活性炭主要用于脫除天然氣中的有機硫。
(3)采用國家發(fā)明專利技術(shù)制成的凈化劑一步法脫除有機硫、無機硫、水、石油。
2.3 三種脫硫設(shè)備
(l)常規(guī)的固態(tài)脫硫設(shè)備，采用兩步脫硫法；(2)只脫無機硫并脫水的設(shè)備（天然氣汽車加氣站使用）；(3)采用凈化劑的一步法凈化設(shè)備（國家發(fā)明專利）。
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