浸炭時に天然ガスはプロパンに取って代われるか？

浸炭プロセスは、浸炭鋼ベアリングの製造における特殊なプロセスである。

処理サイクルの長さと原料ガスの消費量は、ベアリングの生産コストに影響する。

長い間、当社の浸炭鋼製軸受部品はプロパンガスをリッチガスとして浸炭してきたが、これは製造コストが高い。

制御可能な雰囲気での熱処理産業において、浸炭のために本来のプロパンガスまたはプロパン・デカブタン混合ガスに代わって天然ガスを使用することは、企業にとって原料ガスの消費コストを節約できるだけでなく、今日ますます深刻になっているエネルギー問題を緩和することができる。

中国で天然ガスを浸炭処理剤として使用する研究が始まったのは1980年代。

30年以上の開発期間を経て、関連する雰囲気制御とプロセス技術は基本的に成熟している。

しかし現在、一般的な応用分野は主に歯車製品の浸炭処理である。

ベアリング製品の浸炭剤として天然ガスを使い始めた企業もあるが、この技術は業界では普及していない。

私たちのプロパン・スタンドは1980年代に建てられた。

43mが2本ある。³ プロパン貯蔵タンクと10m³ 残液タンク、コンプレッサー室、ガス化装置2基、圧力開放装置2組、約2000m（DN125）の屋外埋設本管、8つのプロパン圧力開放室。

総ガス消費量は11.5～24.5t/月。

近年、パイプライン・ネットワークは運転中の腐食によってしばしば漏れを起こし、会社に潜在的な安全上の危険をもたらしている。

同時に、企業の発展と生産需要、周辺土地の商業発展に伴い、熱処理ガスの代替問題の解決が急務となっている。

プロパンガスの代わりに天然ガスを使用した制御可能な雰囲気の調製

1.二つの原料ガスの化学反応式の比較

天然ガスを用いた浸炭熱処理のプロセス原理は、プロパンガスを用いた場合と同様である。

天然ガスを用いて吸熱雰囲気を調製するための主な反応式は以下の通りである：

CH₄+2.38air→CO+2H₂+1.88N₂   （1）

式中、NiO₂ は触媒、CH₄ は濃縮ガスで、反応温度は1000℃以上である。

上記の式から、浸炭天然ガスと空気の比率は1:2.38であることがわかるが、天然ガスにはメタンだけでなく、プロパンやその他の化合物も含まれているため、実際の状況は一般的に1:2.5、またはそれ以上である。 炭素含有量 と有害な不純物が含まれている。

RX雰囲気調製の参考例を表1に示す。

さらに、天然ガスの浸炭メカニズムはCH₄ → C_広告+H₂ C_広告 活性炭。

プロパンガスで吸熱雰囲気を調製するための主な反応式は以下の通りである：

C₃H₈＋7.14air→3CO+4H₂+5.64N₂    （2）

式中、NiO₂ は触媒、C₃H₈ は濃縮ガスで、反応温度は1000℃以上である。

浸炭炉でより高いカーボンポテンシャルを得るために、供給ガス（プロパンやメタンなどのガス状アルカン）を濃縮ガスとして炉に添加する。

濃縮のために吸熱制御された雰囲気にプロパンを加えると、プロパンは熱処理炉の使用温度（800～950℃）で直ちに反応する：

C₃H₈→2[C]+CH₄+2H₂ （3）

CO₂, H₂O、CO、H₂ 吸熱雰囲気で水ガスと反応する：

CO+ H₂O=CO₂+H₂  （4）

浸炭中、COとH₂ が消費され、CO₂ とH₂Oが生成される。

CO+H₂=[C]+H₂O （5）

2CO=[C]+CO₂               （6）

リッチガス（CH₄を消費する。₂ とH₂O、COとHを補う₂そして浸炭反応を促進する。

反応式はこうだ：

CH₄+CO₂=2CO+H₂             （7）

CH₄+H₂O=CO+3H₂           （8）

リッチガス（C₃H₈)、プロパンは最終的に高温下でメタンを形成し、浸炭反応に参加する。

反応式はこうだ：

C₃H₈=2[C]+2H₂+CH₄        （9）

C₃H₈=[C]+2CH₄            （10）

2.2つのガスの生成物の比較

表2からわかるように、プロパンガスと比較すると、天然ガスとプロパンガスは反応原理が同じであり、空気の導入割合が異なるだけで、生成される大気の組成に大きな違いはない。

そのため、天然ガスに切り替えた後は、設備改造や工程調整の負担が減り、製品の品質向上や生産サイクルの短縮につながる。

その結果、天然ガスを供給ガスとして使用した場合、熱効率は45%～68%から54%～89%へと大幅に改善された。

そこで、熱処理製造における吸熱雰囲気として、液化プロパンガスに代わって天然ガスを使用することにした。

表2は、さまざまなガス生産に必要なガス源の消費量を示している。

表1 RX雰囲気調製の参考データ

備考

• ガス発生温度1000~1040 ℃;
• 天然ガス：空気＝1：2.4；
• 露点：-2～5℃。

表2 異なる原料ガスから調製した吸熱ガスの組成（体積分率）（%）

部品の天然ガス浸炭熱処理

浸炭熱処理には天然ガスを使用。

連続ガス浸炭炉の供給サイクルは46分で、材料はG20CrNiです。₂MoAだ。

その工程を表3に示す。浸炭部品の物理的サンプル（フェルールから切り出したサンプル）の検査結果を表4に示す。

表4から、浸炭後の天然ガスのすべての指標が技術要件を満たしていることがわかる。

表 3 浸炭プロセスパラメーター

表4 物理的サンプルの検査データ

プロパンガスと天然ガスの省エネ・排出削減比較

1.省エネ効果

プロパンガスの価格は約4000元/トン（ENNガス提供）、ガス化率は約550Nm。³/t、7.27/Nmに相当する³.

天然ガス価格は2.88元/Nmになると予想される。³プロパン価格は6.05元/Nmである。³.

当社の年間プロパン消費量は220tで、コストは220×550×7.27=879670元である。

プロパンガスを天然ガスに置き換えると、天然ガスの年間消費量は220×550×2.1=254100Nmとなる。³年間ガス代は879670-731808≒148000元である。

そして、石油資源の絶え間ない緊張に伴い、価格は継続的に上昇する傾向にある。

したがって、供給ガス消費構成の観点から、制御可能な浸炭ガス調製用のガス源として天然ガスを使用することは、供給ガス消費コストを大幅に削減することができる。

2.排出削減効果と安全性

プロパンガスの燃焼は1kgあたり3.1kgの二酸化炭素を排出し、天然ガスの燃焼は1kgあたり2.3kgの二酸化炭素を排出する。

浸炭熱処理に天然ガスを使用すると、プロパンガスに比べて二酸化炭素排出量を約25%削減できる。

また、万が一漏れた場合でも、天然ガスは上空に浮遊しているため地上に積もることはなく、安全上の問題を引き起こす可能性は低い。

天然ガスの爆発限界はプロパンガスより高い。

結論

天然ガスは、制御可能な雰囲気熱処理産業における浸炭のために、本来のプロパンガスに代わって使用されている。

その設備改造とプロセス試運転作業は小規模で、企業の原料ガス消費コストを節約するだけでなく、今日ますます深刻になっているエネルギー問題を緩和する。

同時に、安全保護のための人的・物的コストを削減し、計画地を節約し、周辺地域における企業の文明建設を向上させることができる。