連續(xù)退火爐保護(hù)氣回收系統(tǒng)研究與應(yīng)用

高志超 劉 斌

(上海寶信軟件股份有限公司 上海：201900)

鋼鐵行業(yè)里有許多類型的熱處理爐，這些熱處理爐大多用純氫氣或者氮?dú)浠旌蠚庾鳛楸Ｗo(hù)性氣體，例如全氫罩式退火爐的保護(hù)性氣體是100%高純氫氣，不銹鋼光亮連續(xù)退火爐的保護(hù)性氣體是96%以上含氫量的氫氣氮?dú)饣旌蠚?，無取向硅鋼連續(xù)退火爐(SACL)的保護(hù)氣是20%-95%含氫量不等的氫氣氮?dú)饣旌蠚?。保護(hù)氣經(jīng)退火爐使用后，均會攜帶來自退火爐內(nèi)的粉塵、油污等雜質(zhì)，通常是被直接燃燒掉或直接排放到大氣中。目前的這種保護(hù)氣使用方式，僅進(jìn)行了一次使用。被排放保護(hù)氣氛本質(zhì)上是氫氣或氮?dú)浠旌蠚猓圃斐杀靖?、排放量較大，如能進(jìn)行回收再利用，將產(chǎn)生很大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

保護(hù)氣回收技術(shù)在氣體制備、粉末冶金行業(yè)已經(jīng)開始推廣應(yīng)用[1-2]。近些年來，保護(hù)氣回收技術(shù)在全氫罩式退火爐上也獲得快速推廣[3-4]，在連續(xù)退火爐上也進(jìn)行了有益嘗試[5]。綜合分析發(fā)現(xiàn)，全氫罩式退火爐保護(hù)氣排放壓力在千帕級別，氫氣回收技術(shù)難度相對較低，而且排放保護(hù)氣中氫氣濃度高，回收經(jīng)濟(jì)性大，因此氫氣回收技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展較快。然而，連續(xù)退火爐具有爐壓低、排放保護(hù)氣壓力低的特點(diǎn)，保護(hù)氣回收系統(tǒng)會對連續(xù)退火爐爐內(nèi)壓力產(chǎn)生很大影響，甚至影響連續(xù)退火爐穩(wěn)定運(yùn)行，影響退火產(chǎn)品的品質(zhì)，系統(tǒng)集成難度較大，導(dǎo)致保護(hù)氣回收技術(shù)在連續(xù)退火爐上的應(yīng)用相對滯后，目前還處于起步階段。

因此，本文以某鋼廠無取向硅鋼退火爐(SACL)為應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)集成了一套適應(yīng)連續(xù)退火爐應(yīng)用的低壓力變工況保護(hù)氣回收系統(tǒng)，通過場內(nèi)測試驗(yàn)證了系統(tǒng)技術(shù)可行性，其研究結(jié)果能為保護(hù)氣回收合理設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，為保護(hù)氣回收高效利用做出了有益探索。

1 連續(xù)退火爐保護(hù)氣回收方案設(shè)計(jì)

1.1 排放保護(hù)氣和回收產(chǎn)品氣技術(shù)參數(shù)

不同功能的退火爐排放的保護(hù)氣成分不同，在考慮其回收工藝時(shí)，需首先分析排放保護(hù)氣的成分及雜質(zhì)狀況，然后設(shè)計(jì)相適應(yīng)的去除雜質(zhì)和凈化保護(hù)氣的方式，使經(jīng)過處理后排放保護(hù)氣的露點(diǎn)、氧含量、壓力和潔凈程度等指標(biāo)能夠滿足退火爐的使用需求，之后再經(jīng)過配氣系統(tǒng)進(jìn)一步調(diào)整保護(hù)氣成分，達(dá)到循環(huán)利用排放保護(hù)氣的目的。例如某SACL機(jī)組具有保護(hù)氣氛壓力低、保護(hù)氣成分隨硅鋼退火產(chǎn)品不同而變化的特點(diǎn)，排放保護(hù)氣和回收產(chǎn)品氣參數(shù)如表1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表1數(shù)據(jù)表明，該無取向硅鋼SACL連續(xù)退火爐排放保護(hù)氣在退火爐不同工況下，氫氣氮?dú)獬煞謺l(fā)生變化，其中氫氣體積含量處在20%～95%范圍內(nèi)，爐壓在60Pa左右，具有排放壓力低、壓力隨工況變化的特點(diǎn)，這是保護(hù)氣回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，如果氫氣回收壓力控制不穩(wěn)，將會對退火爐的爐壓造成影響，進(jìn)而影響整條SACL機(jī)組產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。通過分析該退火爐的保護(hù)氣使用制度和運(yùn)行工藝，采用排放保護(hù)氣兩級增壓的方式進(jìn)行回收和輸送處理，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)壓力和回收系統(tǒng)壓力平穩(wěn)可控升高。

表1 排放保護(hù)氣和回收產(chǎn)品氣參數(shù)表

保護(hù)氣回收裝置與退火爐保護(hù)氣排放的接口設(shè)計(jì)也是重要考慮因素，傳統(tǒng)的退火爐排放保護(hù)氣的方式有多點(diǎn)水封排放方式、大量摻冷風(fēng)排放方式，這兩種方式均不利于回收排放保護(hù)氣。在爐體上設(shè)計(jì)為管道排放方式，通過增加高溫調(diào)節(jié)閥和高溫?fù)Q熱器方式，可以實(shí)現(xiàn)將排放保護(hù)氣直接引入保護(hù)氣回收處理系統(tǒng)。圖1為一種連續(xù)退火爐保護(hù)氣回收系統(tǒng)的工藝流程。

圖1 連續(xù)退火爐保護(hù)氣回收系統(tǒng)

1.2.1 換熱子系統(tǒng)

退火爐排放保護(hù)氣的溫度取決于退火爐設(shè)定的退火工藝溫度，該SACL退火爐機(jī)組排放保護(hù)氣溫度約1000℃，首先需要對排放保護(hù)氣進(jìn)行降溫處理。在退火爐爐殼保護(hù)氣排放口處設(shè)計(jì)配置了一套高溫氫氣換熱器，高溫氫氣換熱器采用管殼式，材質(zhì)為310S耐熱鋼，采用循環(huán)冷卻水作為冷卻介質(zhì)，使排放保護(hù)氣溫度降至50℃。換熱子系統(tǒng)采用總成設(shè)計(jì)方式，如圖2所示，在排放保護(hù)氣側(cè)安裝高溫?zé)犭娕?，用于采集和監(jiān)控排放保護(hù)氣溫度，在循環(huán)冷卻水側(cè)配置水流量開關(guān)檢測元件，用于監(jiān)控水流量。

圖2 保護(hù)氣回收控制系統(tǒng)配置圖

1.2.2 一級過濾增壓子系統(tǒng)

經(jīng)過高溫氫氣換熱器降溫的排放保護(hù)氣進(jìn)入一級過濾增壓子系統(tǒng)，在過濾器內(nèi)去除氣體中的粉塵和油污，過濾器采用“一用一備”并聯(lián)配置方式，進(jìn)出口配置壓差變送器，通過壓差信號來監(jiān)控過濾器的運(yùn)行狀態(tài)，若過濾器出現(xiàn)壓力異常報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)切換至第二路過濾器通道繼續(xù)工作。經(jīng)過濾的排放保護(hù)氣進(jìn)入一級羅茨風(fēng)機(jī)，羅茨風(fēng)機(jī)采用變頻控制，壓力控制范圍為10kPa-20kPa。一級增壓系統(tǒng)控制與爐壓緊密聯(lián)系，采用羅茨風(fēng)機(jī)入口壓力控制方式，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)回流功能，以此來降低對退火爐的爐壓影響，排放保護(hù)氣經(jīng)過羅茨風(fēng)機(jī)增壓后溫度會升高，因此需配置一套換熱器和氣水分離器，用于降溫和分離氣體中的飽和水。

1.2.3 二級過濾增壓子系統(tǒng)

二級過濾增壓子系統(tǒng)由緩沖罐、羅茨風(fēng)機(jī)、精過濾器等組成。氣體緩沖罐起到緩沖系統(tǒng)內(nèi)壓力作用，更利于系統(tǒng)壓力平衡控制，精過濾器用于進(jìn)一步地去除掉氣體內(nèi)的雜質(zhì)，二級羅茨風(fēng)機(jī)與一級羅茨控制方式密切配合，進(jìn)行系統(tǒng)性地壓力調(diào)節(jié)，可將系統(tǒng)壓力提高到40kPa-60kPa。兩級羅茨風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方式使得壓力平衡控制更為靈活，增強(qiáng)了系統(tǒng)的操作彈性和變工況下的氣體處理能力。

1.2.4 催化除氧子系統(tǒng)

經(jīng)二級過濾增壓處理的氣體進(jìn)入催化除氧子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要用于去除氣體中的氧雜質(zhì)，除氧器內(nèi)裝有鈀觸媒催化劑及電加熱元件，在鈀觸媒的作用下，氣體中的氫氣與氧氣可以快速反應(yīng)生成水，可以將氧含量降低到5ppm以下。鈀觸媒催化作用需要在一定的溫度下進(jìn)行，二級羅茨風(fēng)機(jī)增壓產(chǎn)生的溫升和氫氣與氧氣生成水的放熱反應(yīng)溫升不足以達(dá)到鈀觸媒的最佳反應(yīng)溫度，故需要設(shè)置電加熱元件，用于對氣體補(bǔ)熱，將除氧器溫度加熱到催化劑最佳工作溫度，進(jìn)而促進(jìn)催化除氧反應(yīng)順利進(jìn)行。

1.2.5 吸附干燥子系統(tǒng)

吸附干燥子系統(tǒng)由冷卻器、冷凝器、汽水分離器及分子篩吸附器組成，該子系統(tǒng)目的是對氣體進(jìn)行深度除水干燥。從催化除氧子系統(tǒng)出來的氣體溫度較高，用冷卻器和冷凝器進(jìn)行冷卻降溫，冷卻器內(nèi)采用循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)，冷凝器內(nèi)采用7-10℃的冷卻水作為冷卻介質(zhì)，通過兩級冷卻方式進(jìn)一步降低氣體溫度，在汽水分離器內(nèi)將游離水進(jìn)行分離去除。之后，排放保護(hù)氣進(jìn)入分子篩吸附器，在吸附器內(nèi)進(jìn)一步吸附干燥，氣體露點(diǎn)可降低到-65℃以下。分子篩可選用13X或5A分子篩，吸附除水系統(tǒng)的工作溫度約200℃，需要采用電加熱來進(jìn)行補(bǔ)熱，系統(tǒng)配置兩套并聯(lián)吸附器，一套工作，一套再生，吸附器的切換及加熱均由PLC自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.6 壓力調(diào)節(jié)子系統(tǒng)

為滿足退火爐氫氣氮?dú)獬煞肿兓茸児r下的壓力需求，系統(tǒng)出口設(shè)置緩沖罐和壓力調(diào)節(jié)閥等設(shè)備，與羅茨風(fēng)機(jī)變頻控制進(jìn)行信息交互和聯(lián)鎖控制，滿足系統(tǒng)出口壓力要求。

1.2.7 計(jì)量分析子系統(tǒng)

保護(hù)氣回收系統(tǒng)出口位置配備一套在線微氧量分析儀、露點(diǎn)分析儀、氫氣分析儀，用于檢測回收產(chǎn)品氣的氧含量、露點(diǎn)、氫含量，上述數(shù)據(jù)接入自動(dòng)控制系統(tǒng)，參與回收系統(tǒng)控制。

1.2.8 三電控制系統(tǒng)

保護(hù)氣回收控制系統(tǒng)由現(xiàn)場儀表、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，用于實(shí)現(xiàn)保護(hù)氣回收系統(tǒng)的所有控制功能，系統(tǒng)配置如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)設(shè)有系統(tǒng)控制畫面，完成相關(guān)設(shè)備操作、工藝參數(shù)的設(shè)定、過程參數(shù)的監(jiān)視和保存、報(bào)警記錄等功能。

圖3 保護(hù)氣回收控制系統(tǒng)配置圖

保護(hù)氣回收控制系統(tǒng)可以與連退爐控制系統(tǒng)整合在一起，作為連退爐控制系統(tǒng)中的一個(gè)功能模塊統(tǒng)一在退火爐HMI畫面里，也可以獨(dú)立設(shè)置一套保護(hù)氣回收系統(tǒng)控系統(tǒng)，配置操作電腦，通過信息交互的方式進(jìn)行耦合或獨(dú)立運(yùn)行，并完成相應(yīng)地控制操作。

經(jīng)過上述各個(gè)子系統(tǒng)后，排放保護(hù)氣經(jīng)過有效地過濾凈化處理，氧含量和露點(diǎn)等參數(shù)能夠滿足退火爐的用氣要求，可以再次輸送給退火爐再次利用，真正實(shí)現(xiàn)了保護(hù)氣循環(huán)再利用。在退火爐變更退火產(chǎn)品和調(diào)整保護(hù)氣成分時(shí)，可以將回收產(chǎn)品氣輸送給退火爐的混氣配氣裝置，間接的輸送給退火爐，同樣實(shí)現(xiàn)了保護(hù)氣回收再利用。

2 保護(hù)氣回收系統(tǒng)特點(diǎn)

采用本文描述的退火爐保護(hù)氣回收設(shè)計(jì)方案，建立了一套適用于某鋼廠無取向硅鋼SACL退火爐的保護(hù)氣回收系統(tǒng)，根據(jù)退火爐機(jī)組的布局特點(diǎn)和保護(hù)氣使用工藝需求，進(jìn)行了系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)制造。

傳統(tǒng)的氣體制備裝置多是單體獨(dú)立設(shè)計(jì)供貨、現(xiàn)場組裝方式實(shí)施。區(qū)別于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，本系統(tǒng)采用功能模塊化的設(shè)計(jì)理念，將氫氣回收各個(gè)子系統(tǒng)布置在型鋼構(gòu)成的機(jī)架上，實(shí)現(xiàn)了回收設(shè)備成套供貨，該種集成設(shè)計(jì)制造方式既有利于進(jìn)行場內(nèi)測試，又便于設(shè)備運(yùn)輸和交付，具有良好的的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。圖4是保護(hù)氣回收裝置實(shí)物照片。

圖4 保護(hù)氣回收系統(tǒng)裝置

排放保護(hù)氣中含有大量氫氣，因此回收系統(tǒng)的安全性能尤為重要。在退火爐和回收系統(tǒng)接口處，以及回收系統(tǒng)內(nèi)部均配置氧分析儀，用于監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)氣體中的氧含量，若氧含量超標(biāo)發(fā)生報(bào)警，回收系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行放空處理，當(dāng)氧含量符合要求時(shí)，回收系統(tǒng)方可進(jìn)行氣體回收。

排放保護(hù)氣采用兩級增壓和回流控制方式，可以使系統(tǒng)內(nèi)壓力緩和平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)回收系統(tǒng)和退火爐爐內(nèi)壓力平衡，降低了相互影響程度，同時(shí)更加適應(yīng)保護(hù)氣變成分、變工況的技術(shù)要求，增加了系統(tǒng)壓力工作彈性。設(shè)計(jì)配置氣體自動(dòng)放空功能，當(dāng)系統(tǒng)壓力超出設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開放空閥，能夠起到安全排放和壓力調(diào)控功能，進(jìn)一步保證了回收系統(tǒng)壓力平衡和安全穩(wěn)定運(yùn)行。

設(shè)計(jì)除氧器、分子篩吸附器加熱溫度監(jiān)控功能，在除氧器、分子篩吸附器加熱過程中如若出現(xiàn)超溫情況，系統(tǒng)將停止加熱，保證加熱溫度可控。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)了保護(hù)氣回收系統(tǒng)與退火爐系統(tǒng)的耦合運(yùn)行，通過接收退火爐及保護(hù)氣使用的狀態(tài)和信息，保護(hù)氣回收系統(tǒng)能夠主動(dòng)對排放保護(hù)氣進(jìn)行預(yù)判回收，實(shí)現(xiàn)了回收系統(tǒng)和退火爐在工藝和設(shè)備上的耦合運(yùn)行，保護(hù)氣回收策略達(dá)到最優(yōu)，在系統(tǒng)穩(wěn)定工況運(yùn)行條件下，保護(hù)氣回收率可達(dá)85%以上。

3 保護(hù)氣回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

保護(hù)氣回收系統(tǒng)的原料氣來自退火爐排放的保護(hù)氣，這些氣體以往均是直接排放至大氣中或燃燒掉，因此可以不考慮該排放保護(hù)氣的成本，設(shè)備建設(shè)一次性投資投入后，設(shè)備運(yùn)行成本主要為電費(fèi)，過濾器濾芯費(fèi)用、除氧器填料、分子篩填料費(fèi)用以及設(shè)備折舊費(fèi)用、人工費(fèi)用等。

相比氮?dú)舛?，氫氣?jīng)濟(jì)附加值更高，單純對氫氣進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，一定程度上可以反應(yīng)回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。針對某鋼廠無取向硅鋼SACL退火爐550Nm3/h保護(hù)氣回收裝置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性測算，該裝置回收率約85%，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)保守取值7500小時(shí)，按表1中工況一(高氫工況)和工況二(低氫工況)各50%生產(chǎn)負(fù)荷和產(chǎn)能為基準(zhǔn)，如表2所示，該系統(tǒng)上線投入使用后，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省氫氣量約200萬Nm3，節(jié)省氮?dú)饬考s150萬Nm3，以氫氣為經(jīng)濟(jì)性計(jì)算對象，按氫氣3元/Nm3價(jià)格測算，因氫氣回收而獲益約600萬元，對應(yīng)減少碳排放約50萬Nm3，可為用戶創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能夠降低碳排放，創(chuàng)造良好的社會效益。

表2 保護(hù)氣回收經(jīng)濟(jì)性分析表

4 結(jié)論與展望

本文系統(tǒng)研究了連續(xù)退火爐保護(hù)氣回收系統(tǒng)技術(shù)，以某公司硅鋼SACL退火爐為對象進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和設(shè)備集成，主要結(jié)論如下：

(1)測試表明保護(hù)氣回收裝置可以應(yīng)用在連續(xù)退火爐上，保護(hù)氣回收系統(tǒng)與退火爐之間的壓力平衡是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，兩級增壓控制方式是一種實(shí)現(xiàn)壓力平衡的技術(shù)方式。

(2)保護(hù)氣回收系統(tǒng)需設(shè)計(jì)良好的安全應(yīng)對措施，具有良好的安全性。工藝設(shè)備可采用功能模塊化設(shè)計(jì)和供貨模式，可提高設(shè)備的完整性和可交付性。

(3)經(jīng)濟(jì)性分析表明，保護(hù)氣回收系統(tǒng)能夠有效降低氫氣氮?dú)獾南牧?，助力企業(yè)降本增效和節(jié)能減排工作。

下一步，將進(jìn)行跟蹤分析該保護(hù)氣回收裝置在退火爐上的實(shí)際應(yīng)用情況，不斷優(yōu)化總結(jié)保護(hù)氣回收系統(tǒng)與退火爐的耦合運(yùn)行功能，為保護(hù)氣回收技術(shù)的進(jìn)一步推廣提供數(shù)據(jù)支撐和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。