( 1.株洲齿轮有限责任公司，湖南 株洲412000；2.重庆义扬机电设备有限公司，重庆 400042；3.重庆长江工业炉公司，重庆 401329 )

摘 要：株洲齿轮有限公司已成功地以净化后的天然气代替丙烷气用于渗碳。这项工程所取得的成果表明,更换渗碳原料气的设备改造和调试工作量小,更换原料气后产能和产品质量提高,生产成本显著下降。经过净化的城市天然气在热处理行业具有广阔的应用前景。

关键词：城市天然气；净化；渗碳
Quality and Economic Gain of Carburizng with Purified Natural Gas instead of propylene

MA Xue-wenl¹ , Ll Xiao-peng^2、3 , Ll zhi-yi^2、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

上世纪八十年代末,株齿公司引进了一套美国哈克洛夫箱式炉生产线,采用当时比较先进的以丙烷为原料气制备吸热式气氛＋丙烷气富化的渗碳技术。采用这种渗碳技术生产的齿轮,质量稳定,在当时生产成本也不高。因此,株齿公司随后引进和自制的所有渗碳设备也都采用了以丙烷为原料气的气体渗碳工艺。相应地,株齿公司兴建了一个液化丙烷气站与之配套，建有两个30 吨的液化丙烷气储罐及相应的蒸发气化装置和输送管道。
  近年来,全球原油价格快速上涨,液化丙烷气的价格也随之从3000多元/吨涨到8000多元/吨（到厂价，丙烷的生产绝大部分由天然气制造）,公司热处理生产成本急剧上升,导致产品市场竞争力大大下降。同时,随着城市经济建设的发展,液化丙烷气站附近的空地全部被开发,修建了大量的民房设施,安全隐患日益突出。为此迫切需要寻找一种廉价安全的液化丙烷气的替代物来降低热处理生产成本，消除安全隐患。

1 方案选择

2005年6月，“川气东输”工程实施到株洲,株齿公司派专人考察了国内几个主要的齿轮专业生产厂,经过较长时间的市场调研与技术分析，认为株洲的城市天然气是国家西气东输的一部分，来源稳定，价格低廉,使用方便,不需要单独建设储气装置,安全隐患小,不但可以大大节约生产成本,而且还能提高产品质量^[1-4]、缩短生产周期、提高企业竞争力。

利用天然气进行渗碳，其工艺原理与使用丙烷气相似。用天然气和丙烷气制备吸热式气氛的反应式如下（用镍作催化剂，反应温度≥1000℃ ）：

CH₄ + 2.38 空气→CO+2H₂+1.88N₂   (1)

       C₃H₈+ 7.14 空气→3C0+4H₂+5.56N₂  (2)

表1 用不同原料气制备的吸热式气氛理论上的成分（体积分数,% )^[6]

Tablel Theoretical composition of endothermic atmospheres produced by different feed gases (Ψ%)^[6]

作者简介:马学文(1970.4.-)男，湖南洲株人，工程师，1991年毕业于华南理工大学，获市级二等科技进步奖一项，发表论文多篇。联系电话:15876120479, 13907336697,E-mail:maxuewen0503@163.com

从表1可知，天然气和丙烷气相比，两种反应原理一致，产生的气氛成分也相差不多，只是通人的空气比例不同。因此改用天然气后，设备改造和工艺调整的工作量较小，

同时有利于提高产品质量，缩短生产周期^[1～4]。所以，株齿公司决定采用天然气全面代替液化丙烷气，用于① 制备吸热式气氛的原料气；② 气体渗碳的富化气^[1～4]；③ 渗碳设备的炉门隔离火帘及废气排放的点火嘴消耗气等。

2 设备改造及调整

株齿公司热处理现有的主要渗碳设备有：一条211 配置的哈克洛夫箱式炉生产线，一条211 配置的爱协林密封箱式炉生产线，两台单推盘连续炉，一台带压淬的爱协林双推盘连续炉。配套有3台吸热式气氛发生器，其产气量为：2台140m³/h，1台70m³/h。

要在上述设备中用天然气全面代替丙烷气，事先需要做的工作有：

2.1按照国家及地方有关安全管理规定，完成输气管线设计及施工

因为涉及到安全资质问题，这一部分工作委托给了新奥燃气公司进行设计和施工，株齿只对工作流量进行计算。丙烷气用量列于表2。

表2 丙烷气的用量/m³·h^-1
Table 2 Propane gas consumptions for different furnaces

(1)根据反应式(2)，表2 中制备吸热式气氛的丙烷气消耗量：170÷12.56≈13.5m³/h
   表2 各种气氛消耗量折算为丙烷气的消耗量约为46m^3/h。
   (2)如果改用天然气，根据反应式(1),制备Rx气的消耗量:170÷4.88≈34.8 m³/h。
   考虑到甲烷的碳当量比丙烷低，富化气消耗可能会达到丙烷气的3倍，即20m³/h。
   点火嘴及火帘的消耗量与丙烷气相同，合计约80.3m³/h。因此，当时株齿公司向新奥燃气公司申报的使用量为100m³/h 。
2.2 天然气净化
   天然气中除含无机硫H₂S外，还含有大量的有机硫、硫醇（如CH₃SH，C₂H₅SH 等）及少量的CH₃S、CS₂等约26种^[3]。若天然气中硫含量高，则腐蚀设备、使催化剂中毒，而且污染环境^[1-4]。因此，天然气要很好地应用到热处理生产中，首要的问题是除硫。对于热处理来说，天然气中的含硫量越低越好^[6]，含水量越低越好^[1-5]。关于脱硫方法，文献^[3、4]已有较详细介绍，本文只介绍三种固态除硫方法。

天然气脱硫主要采用湿法和干法两种。湿法脱硫是采用某种溶液或悬浮液，通过化学反应或物理吸附，对流量大、含硫高的气体进行脱硫。在热处理生产中，因为天然气用量不大，一般不采用湿法脱硫。
   干法脱硫是用固体吸附剂脱硫，*常用的固体吸附剂有氧化铁和活性炭。
   (l)氧化铁 脱硫：Fe₂O₃·3H₂O→2Fe(OH)₃,

2Fe(OH)₃+3H₂S→Fe₂S₃+6H₂0+热量

再生：2 Fe₂S₃+6H₂O+3O₂→4Fe(OH)₃+6S

此种脱硫剂需要在湿碱环境下工作，含水量30%～40%，pH值8～10。主要用于脱除天然气中的H₂ S。
  （2）活性炭 在优质活性载体中添加多种助剂经特殊处理制成，具有较大的表面积和合适的孔结构，在常温常压下对多种有机硫化物有良好的脱除效果，对H₂S也有少量的脱除效果。因此，活性炭主要用于脱除天然气中的有机硫。
   (3)采用国家发明专利技术制成的净化剂一步法脱除有机硫、无机硫、水、石油。

2.3 三种脱硫设备

(l)常规的固态脱硫设备，采用两步脱硫法；(2)只脱无机硫并脱水的设备（天然气汽车加气站使用）；(3)采用净化剂的一步法净化设备（国家发明专利）。

2.3.1 两步脱硫法
将氧化铁和活性炭两种脱硫剂按一定的比例分段或混合装载到脱硫塔中,利用氧化铁脱除无机硫,活性炭脱除有

机硫,从而得到符合要求的天然气。其工作流程如图1所示。

图1 二步脱硫法的工作流程
            Fig.1 Operating flow chart of desulphorizing by using two step process 

干燥塔含水量要达到-40℃露点（微量水检测仪检测）并须为两套交换使用或暂停再生（如同汽车的天然气加气站）。

城市天然气与氧气混合后进人增湿塔，在增湿塔内与软水逆流接触。增湿后的天然气进人两组并联的脱硫塔，由上而下经过两层脱硫剂层，进行脱硫反应，将天然气中的H₂S 和大部分有机硫脱除，从而得到符合要求的天然气。

因为氧化铁脱硫剂需要在一定的湿度下工作, 置换反应还需要氧气参与，故在脱硫塔之前设置了必要的增湿补氧设备，而在脱硫之后，需要干燥设备去水。氧化铁脱硫时，对水的含量要求较严，为30％-40%,水分低则活性不足,水分高则使氧化铁呈悬浮状态，都影响脱硫效果。置换时需要的氧气含量也很严格,一般为0.1～0.4(体积分数,%)。因此，采用氧化铁脱硫，不但流程长，控制过程也很复杂，用气量不大时，不适宜采用这种方式。而且氧化铁和活性炭都有一个硫容量的问题，所脱的硫在设备内出不来，会使脱硫效果不断衰减。当脱硫剂的硫容量达到一定程度时，脱硫塔的压降非常大，脱硫指标很低，如果此时外界压力低，一般为0.2MPa以下,使出口压力低于一定值（一般为≤0.04 MPa ),该工艺过程将会停止。而且这种脱硫剂的再生操作很复杂，在一般的生产车间难以完成。因此，这类设备的供应商都是提供一次性的脱硫剂，在使用中脱硫效果不停地衰减，一般2年就整体更换脱硫剂。

脱硫十脱水法的原理同上。

2.3.2 一步净化法

天然气净化后的指标为：有机硫≤3mg/m³,无机硫≤lmg/m³,无石油，水份≤-60℃(露点,采用露点仪检测）。由于此种净化剂的再生操作非常简单,可以在车间定期再生,因此当外界压力很低时（*低可达0.01MPa ),该脱硫法不会出现因压降大而停产的现象。当天然气含硫量出现异常时（如在重庆地区,就已出现两次天然气气矿脱硫设备发生故障,天然气含硫量高达1100 mg/m³的情况）,只要缩短再生周期,不会停产。净化剂使用寿命（指服役能力）10年以上,*长的已经服役了22 年。

因此，株齿公司选择了一步净化法来净化天然气,购买了3台采用属国家发明专利的天然气净化设备,每台净化能力为20m～30m³/h，短时允许使用40m³/h。表3、表4 是天然气净化前后的对比。

表3 净化前株洲市天然气成分（体积分数，% )
Table 3 Composition of unpurified natural gas in the City of ZhuZhou （Ψ%)

表4 2006 年净化后的天然气的总含硫量/mg·m^-3

注：3台净化罐的工作顺序是：2台工作,1台再生备用。每台工作时间为10天左右。再生时间约10小时，由于管路某一时间段天然气含硫太高，我们曾再生了72小时，总算吐清了净化剂中吸的硫……