全氫罩式退火爐廢氫安全回收凈化技術(shù)應(yīng)用

徐國棟，李傳軍，杜守中，張玉剛，亓翠君

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟南271100）

1 前言

泰鋼冷軋部1700全氫罩式退火爐采用99.999%的氫氣作為鋼卷退火時的保護(hù)氣，正常生產(chǎn)時每小時廢氫氣排放量約400 m3。由于氫氣具有易燃易爆的特性，在空氣中爆炸極限為4%～74.2%。直接對空排放可能發(fā)生燃燒爆炸，不僅存在極大的安全隱患，還造成了氫氣的浪費及環(huán)境的污染（廢氫中含有水分、廢油、廢煙等雜質(zhì)）。針對這一問題，需要考慮一種安全、可靠、資源化利用的解決方案。

2 設(shè)計廢氫安全回收凈化工藝流程

為實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，設(shè)計了廢氫安全回收凈化工藝流程，見圖1。從全氫罩式退火爐來的氫氣，首先進(jìn)入換熱器1，冷卻后氣體換熱進(jìn)行初步降溫，再經(jīng)過冷凝器1冷卻降溫；濕氫氣接著進(jìn)入汽水分離器1分離掉里面的飽和水；經(jīng)過一級過濾器除塵除油，接著通過羅茨鼓風(fēng)機把氫氣增壓到30 kPa后，經(jīng)過除氧器除氧，使氫氣中的含氧量≤0.001%。因為氣體經(jīng)過羅茨風(fēng)機增壓后，溫度升高40℃左右，所以接下來進(jìn)入水冷卻器、換熱器2、冷凝器2（介質(zhì)為冷凍水），利用循環(huán)水把氣體進(jìn)行冷卻，再經(jīng)過汽水分離器2進(jìn)行除水。經(jīng)過這兩級除水，得到露點為10～12氫氣，再經(jīng)過二級過濾器和除油器除塵除油，最后再進(jìn)入吸附干燥器。氫氣先進(jìn)入裝氧化鋁的干燥器，再進(jìn)入裝5A分子篩的干燥器，兩組干燥器間歇使用，最后進(jìn)入氫氣緩沖罐，再進(jìn)入粉末冶金用氣點。

圖1 廢氫安全回收凈化工藝流程

3 廢氫回收凈化系統(tǒng)設(shè)備

3.1 預(yù)處理單元

從全氫罩式退火爐來的氫氣進(jìn)入氫氣預(yù)處理系統(tǒng)，首先進(jìn)入冷卻器進(jìn)行降溫，進(jìn)入汽水分離器，降溫析出的液態(tài)水由分離器排出；再一級過濾器除塵除油，接著通過羅茨鼓風(fēng)機把氫氣增壓到30 kPa，完成尾氣的預(yù)處理及初步增壓后送入凈化單元。

3.2 氫氣凈化單元

（1）在凈化單元二次增壓到60 kPa，進(jìn)入鼓泡器除油除氨氣，進(jìn)入加熱器加熱到120℃左右，在除氧器催化劑作用下，使氫氣中的含氧量≤0.001%。然后經(jīng)冷卻器、換熱器、冷凝器次第冷卻，析出的液態(tài)水經(jīng)汽水分離器2排出；氫氣通過二級過濾器除塵除油，最后再進(jìn)入一、二、三級干燥器深度除水（干燥器分為兩組，間歇輪換使用），最后進(jìn)入氫氣緩沖罐，經(jīng)補氫和補氮，調(diào)節(jié)氮氫比例后再送入粉末冶金鐵粉還原車間。產(chǎn)品氫氣集氣罐內(nèi)的氫氣經(jīng)風(fēng)機的自動調(diào)頻，穩(wěn)定壓力和流量，達(dá)到實際需要的工作壓力和流量。

（2）回收裝置的干燥塔有兩組并聯(lián)，一組干燥塔吸附去濕，另一組加熱再生、吹冷。兩組交替切換使用。干燥塔在常溫、額定氣量下連續(xù)工作30 h左右。用20%～25%回收凈化的產(chǎn)品氫氣再生經(jīng)加熱棒加熱，控制溫度在280℃以下，恒溫18 h后自動停電，停止加熱并改加熱為吹冷，吹冷1 h左右后通過PLC程控自動切換閥門，再生的20%～25%的濕氫回到進(jìn)口冷卻器除水再次回收利用。30 h后，由PLC程控器控制自動切換，一組由吸附干燥變?yōu)樵偕稍?，另一組由再生干燥變?yōu)槲礁稍?，自動循環(huán)切換，連續(xù)運行。加熱的再生氫氣，能將干燥塔內(nèi)上一周期吸附于干燥劑上的水分吹出來，并經(jīng)過冷卻去水后，被回收重復(fù)利用。

（3）為確保退火爐出料、投料、爐子開多開少時不被羅茨鼓風(fēng)機抽成負(fù)壓，采取兩個保證措施。一是通過PLC控制調(diào)節(jié)補充氫氣量，使風(fēng)機入口壓力恒定在2 kPa；二是根據(jù)投運的退火爐數(shù)量等實際需要氫氣量的變化，信息反饋于羅茨鼓風(fēng)機，采用自動調(diào)頻改變轉(zhuǎn)速，控制出口回收凈化的產(chǎn)品氫氣，使其具有恒定的壓力，滿足退火爐用氫量的變化。

3.3 不同壓力控制及作用

（1）退火爐回流氣壓力：檢測退火爐回流氣的壓力，根據(jù)這個壓力以及系統(tǒng)氫氣含量控制自動放空閥的開閉，如果回流氣壓力高（風(fēng)機異常停機導(dǎo)致氣體回流）或者氫含量達(dá)不到指標(biāo)（開機置換氣體情況下氫含量很低），則自動放空閥打開，系統(tǒng)穩(wěn)定運行情況下不會打開。

（2）羅茨風(fēng)機前氣體壓力：風(fēng)機前壓力為系統(tǒng)壓力最低點，要保證最低點壓力為正壓，否則系統(tǒng)可能出現(xiàn)不安全。檢測最低點壓力，如果退火爐消耗氣體，壓力變化最敏感，保證壓力就能保證系統(tǒng)的整體壓力。

（3）羅茨風(fēng)機后氣體壓力：羅茨風(fēng)機后為氫氣回路里面的壓力最高點，控制最高點壓力，也就控制了系統(tǒng)的所有壓力不出現(xiàn)超高，靠這個壓力控制羅茨風(fēng)機頻率，進(jìn)而控制排氣量，保證了退火爐用氣點壓力流量的恒定不變化。

3.4 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)主要由西門子公司的PLC、CPU模塊、模擬量輸入輸出模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、溫控模塊、變頻器、工控機組成。PLC一方面將各種輸入信息處理后反饋控制監(jiān)控對象，將信息送入上位機。另一方面接受上位機的控制指令，通過對輸入和操作指令的分析、判斷，進(jìn)行綜合處理后輸出控制信號，控制變頻調(diào)速系統(tǒng)以及電動調(diào)節(jié)閥的工作。完成上位機對監(jiān)控對象的實際控制。

4 結(jié)語

從全氫罩式退火爐排出的氫氣等保護(hù)氣體經(jīng)過匯總進(jìn)入氫氣回收裝置，經(jīng)過預(yù)處理→除雜質(zhì)→增壓→除氧除油→再處理→深度吸附→進(jìn)入罩式爐管道。由于整個循環(huán)回收全封閉，無外界雜質(zhì)及其他進(jìn)入，并采取氧分析儀、氫分析儀、露點儀在線監(jiān)測及保護(hù)性強制放散等多重措施，提高了系統(tǒng)運行的安全性。

全氫罩式退火爐廢氫回收凈化技術(shù)，保證了整個系統(tǒng)的全封閉回收，并采取氧分析儀、氫分析儀、露點儀在線監(jiān)測及保護(hù)性強制放散等多重措施，保障了生產(chǎn)的安全，徹底避免了爆燃等安全事故的發(fā)生，系統(tǒng)安全性高。實現(xiàn)了廢氫氣的零排放，從而避免了廢氫氣對大氣的污染，符合國家節(jié)能減排發(fā)展的方向，經(jīng)濟和社會效益顯著。