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吸熱式氣體發(fā)生器已在熱處理行業(yè)應(yīng)用了幾十年。它在熱處理行業(yè)的最早用途是為中性或滲碳?xì)夥辗€(wěn)定提供非氧化性富碳?xì)怏w。
隨著化學(xué)成分穩(wěn)定的天然氣向生產(chǎn)設(shè)施的供應(yīng)越來越可靠，吸熱式氣體的吸引力顯著增大。向多臺熱處理爐連續(xù)提供成分可控并可預(yù)測的氣體，能夠確保提高工藝質(zhì)量。
吸熱式氣體發(fā)生器將一種富碳?xì)怏w(在北美通常是甲烷)和空氣以一定比例混合，在加熱和使用催化劑的情況下生成一種“載氣”，并且穩(wěn)定地提供給需要非氧化性、中性或富碳?xì)怏w的氣氛爐。
根據(jù)這一介紹，人們可能會提出許多問題：
氣體應(yīng)當(dāng)是什么成分？
怎樣控制原料氣體的波動？
氣體的合適比例是多少？
主要有哪些注意事項(xiàng)？
氣體成分
在理想情況下，即反應(yīng)氣體的露點(diǎn)為40?F時，氣體的化學(xué)成分應(yīng)當(dāng)大致為40%氫氣、40%氮?dú)狻?0%一氧化碳以及少量的甲烷和二氧化碳(見下式)。
當(dāng)氣體和空氣的混合物被加熱時，在催化劑的作用下發(fā)生氣體反應(yīng)，從而達(dá)到期望的成分。假定混合比例正確，反應(yīng)溫度合適，催化劑狀態(tài)正常，可以使用非色散紅外氣體分析儀進(jìn)行氣體成分測量，以保證化學(xué)成分準(zhǔn)確。必須注意的是，發(fā)生氣體一定要得到冷卻，以免發(fā)生逆反應(yīng)。否則，發(fā)生器出口管路就會產(chǎn)生過多積炭，氣體成分也將不準(zhǔn)確。
使用天然氣時，理想的空/氣比是2.7:1。不過，由于有很多影響因素——環(huán)境溫度，相對濕度，大氣壓力，海拔高度，天然氣成分，催化劑狀態(tài)，發(fā)生器的溫度均勻性，氣體冷卻器的效率，等等——發(fā)生氣體的成分將會波動。由于這些因素有時難以控制，空/氣比有可能低至2.4:1，高至3.6:1。
吸熱式氣體的反應(yīng)溫度可能低至1,700?F。不過，理想的反應(yīng)溫度建議采用1,900?F。氣體的成分隨催化劑的溫度而改變，因此需要精確地測量反應(yīng)室和催化劑的溫度以進(jìn)行控制。如果發(fā)生器的運(yùn)行溫度發(fā)生變化(超過50?F)，可能需要改變空/氣比，以使吸熱式氣體保持合適的化學(xué)成分。
如果甲烷的含量大于0，說明反應(yīng)進(jìn)行得不充分。原因可能包括：
1.發(fā)生器反應(yīng)室的溫度沒有高到足以使反應(yīng)充分進(jìn)行。吸熱式氣體發(fā)生器的典型運(yùn)行溫度為1,850?F–1,950?F。
2.氣體比例設(shè)置不當(dāng)。如果氣體混合物中富氣過多，可能沒有足夠的空氣用于反應(yīng)，使甲烷殘留在反應(yīng)氣體中。
3.催化劑中的鎳被耗盡。催化劑是用耐火材料浸鎳制成的，其中的鎳會被消耗，導(dǎo)致反應(yīng)無法進(jìn)行。在這種情況下，必須更換催化劑。
4.催化劑被積炭覆蓋。如果發(fā)生器運(yùn)行時富氣過多，或者燒除積炭的間隔時間太長，炭黑會沉積在催化劑上。這使得鎳起不到應(yīng)有的作用，需要進(jìn)行燒炭操作。
如果反應(yīng)氣體中一氧化碳含量低，表明氣體混合物中的碳?xì)浠衔飻?shù)量不足。這時應(yīng)當(dāng)檢查空/氣比。要記住，不同的吸熱式氣體輸出量可能需要不同的空/氣比。舉例來說，吸熱式氣體發(fā)生器流量下限附近的空/氣比可能低于流量上限附近的指標(biāo)(對特殊的反應(yīng)室更是如此)。
在露點(diǎn)為40?F的典型值時，二氧化碳的含量平均在0.200%左右(通常在0.175–0.25%范圍內(nèi))。如果二氧化碳含量低，表明吸熱式氣體的露點(diǎn)低，需要改變空/氣比。相反，如果二氧化碳含量高，就表明吸熱式氣體的露點(diǎn)高，需要將空/氣比調(diào)低。
影響氣體成分準(zhǔn)確性的其他因素可能還包括冷卻器。如前所述，反應(yīng)生成的吸熱式氣體在提供給熱處理爐之前需要冷卻。如果不進(jìn)行冷卻，溫度很高的氣體可能會發(fā)生逆反應(yīng)，使一氧化碳含量降低。如果采用水冷式冷卻器，一旦冷卻器出現(xiàn)泄漏，水就會與氣體發(fā)生反應(yīng)，造成二氧化碳含量升高。在這種情況下，控制器將開始調(diào)節(jié)空/氣比以增加富氣，但這有可能在催化劑上甚至氣體管路中產(chǎn)生積炭。對水冷式冷卻器必須定期進(jìn)行壓力檢查，而無論水冷還是風(fēng)冷式冷卻器都必須保持清潔，這樣才能保證反應(yīng)生成的吸熱式氣體得到適當(dāng)?shù)睦鋮s。
原料氣體流量和成分的波動
原料氣體向混合系統(tǒng)的供應(yīng)受到很多因素的影響：天然氣成分，供氣壓降，供氣壓力波動，等等。所有這些因素都可能對發(fā)生器的性能和氣體的反應(yīng)產(chǎn)生相當(dāng)大的不利影響。
“峰值抑制”(或稱削峰)是需求量過大時經(jīng)常遇到的一個問題，在美國北方的冬季，天然氣中往往含有一些添加劑，容易造成吸熱式氣體成分不準(zhǔn)，積炭過多，鎳消耗過快。遺憾的是，除了進(jìn)行監(jiān)測和根據(jù)需要調(diào)節(jié)空/氣比，這個問題沒有什么好的補(bǔ)救方法。
大多數(shù)發(fā)生器都配有調(diào)節(jié)器，能夠?qū)⒐鈮毫φ{(diào)節(jié)到某個較低值以保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。不過，壓力變化過大會影響調(diào)節(jié)器的出口壓力，使天然氣流量減小。因此，為了保證吸熱式氣體能夠達(dá)到期望的化學(xué)成分，需要改變空/氣比。出現(xiàn)這種情況的原因可能是工廠在增加設(shè)備時沒有考慮現(xiàn)有天然氣管道的限制，或者是供應(yīng)商降低了供氣壓力。
另外，如果氣體調(diào)節(jié)器使用已久或缺少維護(hù)，可能難以準(zhǔn)確控制出口壓力，因此也會引起波動。配備了大功率加熱系統(tǒng)的吸熱式氣體發(fā)生器如果供氣流量設(shè)置不當(dāng)，可能會在每次加熱系統(tǒng)需要?dú)怏w時都產(chǎn)生波動。根據(jù)已知壓力正確地選擇供氣流量，并且定期進(jìn)行檢查和維修，對保持空/氣比穩(wěn)定至關(guān)重要。
露點(diǎn)的控制一般是通過一個氣閥向進(jìn)入催化劑的氣體混合物中添加少量空氣或氣體的方式來實(shí)現(xiàn)，具體由PID回路進(jìn)行控制。露點(diǎn)控制的目的是，在日常使用中條件變化的情況下保持吸熱式氣體成分穩(wěn)定。不過，正常使用時如果遇到嚴(yán)重干擾，可能需要改變空/氣比。這些干擾可能包括需求出現(xiàn)劇烈變化，或者大氣條件發(fā)生了影響反應(yīng)所用空氣化學(xué)成分的變化。
何時改變空/氣比和怎樣進(jìn)行調(diào)節(jié)
雖然吸熱式氣體的化學(xué)成分應(yīng)當(dāng)定期進(jìn)行檢查，比如每天甚至每班，但空/氣比不應(yīng)當(dāng)這樣頻繁地改變。不過，一旦需要改變，就應(yīng)當(dāng)由受過良好訓(xùn)練的人以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，為了正確進(jìn)行調(diào)節(jié)，必須使用便攜式露點(diǎn)分析儀和多組分氣體分析儀。調(diào)節(jié)時主要應(yīng)當(dāng)注意兩個方面：
•改變幅度應(yīng)當(dāng)盡可能小。0.01–0.02的小幅變化就可能對露點(diǎn)產(chǎn)生高達(dá)5?F的影響。
•調(diào)節(jié)時，耐心是關(guān)鍵！首*行小幅調(diào)節(jié)，等待至少30分鐘，然后再進(jìn)行下一步調(diào)節(jié)。在發(fā)生器以低流量制造氣體時，這一點(diǎn)尤其重要。
使用多組分氣體分析儀能夠比露點(diǎn)傳感器更快地看到這些改變的結(jié)果。二氧化碳可能很快出現(xiàn)變化，表明調(diào)節(jié)已經(jīng)生效。要注意，一氧化碳和二氧化碳不會*穩(wěn)定下來，可能一直保持振蕩。不過，關(guān)鍵是要形成一種穩(wěn)態(tài)振蕩。如果甲烷含量很高，可能需要較長時間才能使其降低。提高空/氣比能夠很快改變一氧化碳、二氧化碳和露點(diǎn)，但甲烷的改變可能需要幾個小時。
常見問題
如果發(fā)生器出現(xiàn)了故障，必須讓它們盡快恢復(fù)制造氣體。充分了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及其安全裝置，對保障設(shè)備正常運(yùn)行至關(guān)重要。反應(yīng)氣體壓力開關(guān)，混合泵和反應(yīng)室壓力開關(guān)，逆火止回閥，等等，都是監(jiān)測設(shè)備及其運(yùn)行的關(guān)鍵裝置。對發(fā)生器的壓力點(diǎn)應(yīng)當(dāng)定期進(jìn)行檢查，并對照原始文件來判定是否需要維修。
反應(yīng)氣體壓力開關(guān)用于監(jiān)測供給混合系統(tǒng)的天然氣壓力。如前所述，供應(yīng)壓力保持穩(wěn)定對確保吸熱式氣體穩(wěn)定反應(yīng)至關(guān)重要。
•低壓壓力開關(guān)能夠保證氣體供應(yīng)足以維持反應(yīng)的進(jìn)行。如果氣體壓力過低，空/氣比會朝貧化方向改變，導(dǎo)致氣體過早點(diǎn)火并回?zé)磻?yīng)管路。此時逆火止回閥將發(fā)揮作用。
•高壓壓力開關(guān)能夠保證參與反應(yīng)的氣體不致過量，而且壓力不會超過安全裝置的額定壓力指標(biāo)。如果氣體壓力過高，空/氣比將朝富化方向改變，使催化劑被積炭覆蓋。
混合泵和反應(yīng)室壓力開關(guān)監(jiān)測混合泵的出口壓力和/或冷卻器的出口壓力。高壓和低壓壓力開關(guān)共同保證了發(fā)生器的安全運(yùn)行。
•混合泵出口可以安裝一個低壓開關(guān)，以保證混合泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)且通往混合系統(tǒng)的天然氣切斷閥打開。另外，這個壓力開關(guān)還能保證不會發(fā)生大問題(比如管路泄漏或密封墊破損)，使混合泵能夠按照需要向系統(tǒng)正常供氣。
•混合泵出口和/或冷卻器的出口管路上可以安裝一個高壓開關(guān)，以保證反應(yīng)管路內(nèi)的壓力不會超標(biāo)。另外，它還能防止混合泵因背壓過大而損壞。這些壓力開關(guān)可以打開一個泄壓閥，將氣體導(dǎo)入放散管，從而降低反應(yīng)氣體的壓力。
近年來，系統(tǒng)都配備了幫助消除過量氣體的功能。這些方案使吸熱式氣體發(fā)生器的調(diào)節(jié)比在不進(jìn)行任何氣體放散的條件下從傳統(tǒng)的2-3:1增大到6-7:1。更*的系統(tǒng)還不需要任何維護(hù)，也不需要操作人員對混合器、壓力控制器或露點(diǎn)控制回路進(jìn)行任何人工調(diào)節(jié)。
這些系統(tǒng)采用了*技術(shù)，能夠快速測量并調(diào)節(jié)空氣和氣體的流量，從而在需求大幅改變時保證嚴(yán)格的空/氣比和露點(diǎn)控制。
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