刘富金1 程志新2
1.江西省核工业地质局二六四大队 江西赣州 341000；
2.东风日产乘用车公司 广东广州 510800
摘要：本文主要介绍我司渗碳工艺原料气丙烷，与热处理炉配建的丙烷站面临安环指摘及使用成本升高课题，考虑将丙烷改用天然气。经同行业调研，取长补短，确定改造方案，即先行监测天然气含硫量，暂不配置天然气脱硫净化装置；经验证，天然气渗碳，热处理品质与丙烷相当，可等效替代。实施后，取消丙烷站，有效规避安环指摘及降低使用成本。
关键词：渗碳、天然气、脱硫、露点
引言
表面热处理常用渗碳工艺原料有：甲醇、丙酮、丙烷、天然气、乙炔、煤油等，每种渗碳介质各有优缺点，适用不同热处理设备和工艺。我司首次导入手动变速箱齿轮热处理生产线时参考设备厂家要求使用丙烷，目的是提高热处理工艺调试效率，降低项目风险。为此在热处理车间外配建专用丙烷站，加热气化及输送管道，依据《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006）设计，2个20m3埋地储罐，最大存储量16吨，通过消防和质监部门验收并取得使用许可证。
15年天津港爆炸事故发生后，危化品管理规范趋严，17年安监审核指摘，要求丙烷站按照石油化工企业标准从严管理，应增加一系列安全自动监控装置，改造金额巨大。
另一方面，CAFC趋严及国内用车习惯变化，手动变速箱市场需求逐渐萎缩，但丙烷站固定支出费用，如压力储罐、压力管道、安全阀、泄漏报警探头等法检项目费用需照常支出；同时安环法规及公司安全管理要求，丙烷站须24小时值守（每班1人），导致单台管理成本上升。若使用天然气作为渗碳介质，管道直输至热处理炉上，无需建站，可有效避免丙烷站面临的安环和管理成本课题。
基于以上三个原因，考虑将渗碳原料气改为天然气，规避安环指摘，降低成本。
1.可行性分析
1.1气体渗碳原理
我司热处理设备为3台RX发生器+8台箱式多用炉，碳氮共渗工艺，RX发生器制备吸热式气氛，不同原料气理论反应式如下：
CH4（天然气）+2.38空气 →CO+2H2+1.88N2
C3H8（丙烷）+7.14空气→3C0+4H2+5.56N2
发生器使用Ni催化剂，反应温度1080℃，反应产气成分理论值如表一：
表一 渗碳气氛的气氛种类和成分[1]
天然气和丙烷相比，制备吸热式气氛反应原理相同，产气成分较接近，额定产气量也能满足要求，仅原料气和空气混合比例发生变化。用作富化气，裂解反应原理和产气成分类似，因此改造方案理论方面可行。
1.2成本分析
我司多用炉采用燃气加热，RX发生器用电加热，天然气管道已铺设至设备端，若将富化气和制备吸热式气氛用的丙烷都改成天然气，可直接从现天然气管道引气。经计算，天然气主管管径DN100，设计Max流量320m3/h，供气压力0.07MPa，进设备后减压至70mbar。单台多用炉加热及点火嘴Max用气量25m3/h，8台炉全开则200 m3/h；多用炉富化气改用天然气，原丙烷用量为0.2m3/h，预测天然气用量是丙烷3倍即0.6m3/h，Max用量约4.8 m3/h；2台RX发生器改用天然气，天然气Max消耗 28 m3/h，总用气量为200+4.8+28=232.8 m3/h。在不考虑减压情况下，主管道气量都有足够富余，无需扩容，仅需改造支管，费用低。
设备硬件方面，天然气与丙烷比重有差异，现配备流量计是丙烷专用，需更换成天然气专用，其他不变。
用气成本方面，额定产气量60 m3发生器，Max天然气用量14 m3/h，当地天然气单价约3.9元/ m3；Max丙烷用量5.5 m3/h，单价9.8元/kg，综合计算，同等产气量条件下，天然气是丙烷用气成本的49%，有优势。
1.3天然气行业内应用情况调研
有文献研究，天然气渗碳，其含硫量对渗碳品质影响较大，硫化物在高温条件下渗入零件表面，导致表面非马组织恶化。例如重庆地区天然气多采自本地油田，含硫量普遍较高，曾出现燃气公司硫含量控制异常时，导致部分下游热处理厂家停产。同时硫对热处理炉内部件，如氧探头、热电偶、辐射管等有腐蚀作用[2]，加速设备老化。之前公司检修设备，也常发现炉膛内、发生器触媒表面残留较多的浅黄色粉末，分析应来源于气源丙烷中的硫化物。
我司组织人员赴各地调研，重庆地区热处理企业，其为保证品质，多数厂家均配备天然气脱硫净化装置。但江浙地区，大多数热处理企业未配备脱硫装置，使用效果也良好。广州周边，部分热处理企业配备脱硫装置，也有企业甚至不知道需控制天然气含硫量。
1.4天然气技术指标
根据天然气标准GB17820-2012，一般一类、二类燃气用作城镇居民燃料和工业原料或燃料，Ⅲ类一般用作工业用气，标准规定一类和二类天然气中H2S含量不超过6 mg/ m3和20 mg/ m3，详见表二。与燃气公司交流，供我司天然气与居民家庭用气同一管网输送，其采用多气源混合供应，有中石油西气东输管道气、南海油田气、澳洲进口气（LNG）等，不同气源品质有一定差异，但都满足燃气二类标准。从其提供的不同时间段气体抽检报告得知，其CH4含量>98%，总硫量均<1mg/ m3。我们从设备端天然气管道取气送当地第三方单位检测，总硫<1mg/ m3，远远低于标准要求，而同时取样送检的丙烷总硫5.2mg/ m3，判断天然气气源品质满足使用要求，且含硫量优于丙烷。
表二 天然气技术指标[3]
综合以上分析，判断气体改造方案可行，思路：先行监控硫含量（配测硫仪器），暂不配脱硫装置，但天然气管道预留管道脱硫装置接口。
2.项目实施
天然气管道改造由有资质厂家完成，管道焊接后经24h饱压测试、焊缝x射线无损探伤等，管道检验合格安排送气。为满足安全管理要求，管道上方增加燃气泄漏报警装置。
2.1工艺试验
Rx发生器通天然气调试，调整原料气和空气混合比，控制露点值在6℃，用三气分析仪测量产气成分，实际产气成分与理论值较接近，满足使用要求，数据见表三：
表三
多用炉切换天然气制成的载气和富化气（天然气）后进行工艺调试，强渗初期碳势恢复很快，能在规定时间达到碳势设定值，渗碳工艺过程曲线与丙烷类似，比较平稳，未发现异常。齿轮轴多轮品确，各项指标均符合要求，九点均匀性也满足要求。同一台炉子，相同齿轮，采用天然气渗碳其齿根非马组织深度深度均值（16.5μ），优于丙烷（19.1μ），见表四：
表四 齿根非马组织九点验证
分析原因是天然气成分更纯，直接分解成无氧的活性碳和氢气，使CH4 →Cad+H渗碳机理发挥作用，而有氧参加渗碳渗碳机理作用下降，对改善内氧化有帮助[4]；同时天然气总硫含量（<1mg/ m3）低于丙烷（5.2mg/ m3），也有益于改善表面非马组织，见图一：
图一 齿根非马组织
渗碳效率方面，相同渗碳工艺和零件，天然气渗碳有效硬化层深度（0.41mm）和丙烷（0.42mm），两种气体渗碳效率无差异，见表五。
表五 齿节圆有效硬化层深度
2.2天然气含硫量跟踪
项目实施时配置总硫测量仪器，以每周一次频次监控天然气含硫量，连续跟踪5个月总硫含量均<2mg/m3，非常稳定，远低于一类标准总硫上限值，见表七。后期降低检测频次，同时与燃气公司联系，要求其定期发送天然气成分和总硫检测报告给我司备案，因此，天然气脱硫装置无需再增设。
表六
3.安全和经济效益
天然气代替丙烷项目实施，取消丙烷站，有效规避安环指摘，公司减少一个重大危险源，同时实现经济效益如下：
a.丙烷站安环指摘整改，改用天然气后可避免这项费用投入；
b.丙烷站附属压力容器、压力管道等法定检测费用：储罐每5年开罐检测费（含土建开挖及回填）约27万元，约合5.2万/年；充装头约0.05万/年；压力管道约0.2万/年；安全阀约0.24万/年；气体泄漏探头约0.12万/年；合计节约5.8万元/年；
c.原丙烷用气量约48吨/年，改天然气，用气成本下降50%，约23万元/年；
d.丙烷站取消，无需再增加专人值守，可减少值守人员3名（3个班），按每人15万/年，可节省45万/年；
项目合计总收益达：5.8+23+45=73.8万元/年。
4. 应用小结
（一）选择何种气源作为热处理渗碳工艺介质，应综合考虑。若使用丙烷类液态介质，首先应结合产品未来规划产量，计算需配建的渗碳介质存储量，因属危化品，建议Max储量不超过5吨，以避免被划为重大危险源而增加管理成本。其存储场所安全相关方案必须考虑周全，应由有资质的单位设计和施工，以及掌握当地安监法规要求等。若使用天然气，应先调查当地燃气公司是否有规划铺设供气管道进入公司周边区域，若单独开户，铺设燃气管路成本太高。
（二）选用天然气制备吸热式气氛和富化气，应先调查当地天然气气源来源，不同供气源对热处理设备配置要求不同。应考虑2个课题：一是天然气成分，其CH4含量波动会影响RX发生器产气露点值，以及设备能否适应这种波动，否则可能影响炉内碳势控制；二是天然气含硫量，若过高，会影响产品品质和腐蚀炉体，必要时可配置脱硫装置和测硫仪器。
（三）天然气是一种清洁能源，有成本低、供应方便、管理简单、安全隐患小等优点，有广泛应用空间。在热处理行业，既可用作设备加热，也可用作渗碳工艺，与丙烷相比，渗碳效果相当，可等效替代，建议优先采用。
参考文献：
［1］《机械工程标准手册》编委会.机械工程标准手册 热处理卷（M）北京 中国标准出版社，2003：169，220
［2］张媛媛，亮晓辉，王小明等 天然气代替丙酮渗碳在多用炉的可行性研究与应用 兰州 第十一届中国热处理活动周论文集 597-600 2016.07
［3］黄维和，唐蒙，黄黎明等 GB17820-2012.《天然气》中国标准出版社，2012.05
［4］朱金木 齿轮的天然气渗碳 《热处理》 75-79 2011第26卷第3期
论文作者:刘富金1,程志新2
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第29期
论文发表时间:2019/8/28
标签：天然气论文; 丙烷论文; 渗碳论文; 管道论文; 发生器论文; 工艺论文; 气量论文; 《建筑细部》2018年第29期论文;