全氫罩式退火爐廢氫安全回收凈化技術應用

徐國棟，李傳軍，杜守中，張玉剛，亓翠君

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，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氣，正常生產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境的污染（廢氫中含有水分、廢油、廢煙等雜質）。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 設計廢氫安全回收凈化工藝流程

為實現預期目標，設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，首先進入換熱器1，冷卻后氣體換熱進行初步降溫，再經過冷凝器1冷卻降溫；濕氫氣接著進入汽水分離器1分離掉里面的飽和水；經過一級過濾器除塵除油，接著通過羅茨鼓風機把氫氣增壓到30 kPa后，經過除氧器除氧，使氫氣中的含氧量≤0.001%。因為氣體經過羅茨風機增壓后，溫度升高40℃左右，所以接下來進入水冷卻器、換熱器2、冷凝器2（介質為冷凍水），利用循環水把氣體進行冷卻，再經過汽水分離器2進行除水。經過這兩級除水，得到露點為10～12氫氣，再經過二級過濾器和除油器除塵除油，最后再進入吸附干燥器。氫氣先進入裝氧化鋁的干燥器，再進入裝5A分子篩的干燥器，兩組干燥器間歇使用，最后進入氫氣緩沖罐，再進入粉末冶金用氣點。

圖1 廢氫安全回收凈化工藝流程

3 廢氫回收凈化系統設備

3.1 預處理單元

從全氫罩式退火爐來的氫氣進入氫氣預處理系統，首先進入冷卻器進行降溫，進入汽水分離器，降溫析出的液態水由分離器排出；再一級過濾器除塵除油，接著通過羅茨鼓風機把氫氣增壓到30 kPa，完成尾氣的預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，進入鼓泡器除油除氨氣，進入加熱器加熱到120℃左右，在除氧器催化劑作用下，使氫氣中的含氧量≤0.001%。然后經冷卻器、換熱器、冷凝器次第冷卻，析出的液態水經汽水分離器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），最后進入氫氣緩沖罐，經補氫和補氮，調節氮氫比例后再送入粉末冶金鐵粉還原車間。產品氫氣集氣罐內的氫氣經風機的自動調頻，穩定壓力和流量，達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，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、額定氣量下連續工作30 h左右。用20%～25%回收凈化的產品氫氣再生經加熱棒加熱，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，一組由吸附干燥變為再生干燥，另一組由再生干燥變為吸附干燥，自動循環切換，連續運行。加熱的再生氫氣，能將干燥塔內上一周期吸附于干燥劑上的水分吹出來，并經過冷卻去水后，被回收重復利用。

（3）為確保退火爐出料、投料、爐子開多開少時不被羅茨鼓風機抽成負壓，采取兩個保證措施。一是通過PLC控制調節補充氫氣量，使風機入口壓力恒定在2 kPa；二是根據投運的退火爐數量等實際需要氫氣量的變化，信息反饋于羅茨鼓風機，采用自動調頻改變轉速，控制出口回收凈化的產品氫氣，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，根據這個壓力以及系統氫氣含量控制自動放空閥的開閉，如果回流氣壓力高（風機異常停機導致氣體回流）或者氫含量達不到指標（開機置換氣體情況下氫含量很低），則自動放空閥打開，系統穩定運行情況下不會打開。

（2）羅茨風機前氣體壓力：風機前壓力為系統壓力最低點，要保證最低點壓力為正壓，否則系統可能出現不安全。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的整體壓力。

（3）羅茨風機后氣體壓力：羅茨風機后為氫氣回路里面的壓力最高點，控制最高點壓力，也就控制了系統的所有壓力不出現超高，靠這個壓力控制羅茨風機頻率，進而控制排氣量，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

自動控制系統主要由西門子公司的PLC、CPU模塊、模擬量輸入輸出模塊、開關量輸入輸出模塊、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，進行綜合處理后輸出控制信號，控制變頻調速系統以及電動調節閥的工作。完成上位機對監控對象的實際控制。

4 結語

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

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