液氬貯槽頂部氬氣回收系統的探討

閆培，孫如意，陳云，黃在京

（廣西北港新材料有限公司，廣西 北海 536000）

1 前言

氬氣是一種重要的工業用氣，特別是在金屬冶煉時，氬吹煉技術是生產優質鋼的重要措施，每煉1t 鋼的氬氣消耗量約為3m3，部分不銹鋼企業噸鋼的氬氣消耗量甚至達到14m3，在煉鋼是氬氣消耗最多的產業。煉鋼廠外購的氬氣呈液態，溫度在-189.2 ～-185.9℃，需充入貯槽中儲存，在充裝過程當低溫液體氬的壓力降低到低于原液體溫度所對應的飽和壓力時，會有部分液體汽化，這樣的過程就叫“閃蒸”。氣化的氬氣積聚在液氬貯槽上方，導致液氬貯槽內部壓強增加，有罐體開裂、爆炸的安全隱患。北港新材料通過在液氬貯槽頂部安裝氣壓單向閥門解決貯槽內壓力增大的問題，當液氬貯槽頂部壓強達到15kPa 時，閥門自動打開，將氣化的氬氣直接放散到空氣中，造成大量的氬氣資源損失，據統計每小時的放散量約為200m3，累計放散損失的氬氣約占外購液氬的7.5%。若是將氣化的液氬回收能夠大幅度提高液氬儲存、使用經濟性。

2 氬氣回收原理

氬氣回收主要有兩條途徑。一是種將氣化的氬氣重新壓縮為液態。氬氣的臨界壓力為49MPa，臨界溫度為-122.29℃，其物理性質導致了氬氣從氣態轉為液態是及其困難的，對回收設備提出了非常高的要求，并且貯槽中液氬的氣化是持續性的，短時間內氣化量少，難以進行液化回收；另一種途徑是通過設備調整氣化的氬氣的溫度、壓強至滿足使用條件后直接輸送至工廠氬氣管網回收使用。顯然正向調整的難度遠低于氬氣存在狀態逆向轉變的難度。因此，公司建設安裝一套氬氣回收系統，將液氬貯槽頂部的氣態氬氣回收后直接注入氬氣管網供煉鋼使用。

3 氬氣回收需解決的問題

由于貯槽頂部氬氣具有低溫、壓力低于管網內氬氣壓力、氣量不穩定的特點，在設計氬氣回收系統時，必須考慮以下問題。

（1）煉鋼氬氣管網內氬氣壓力為1.8 ～1.9MPa，而貯槽頂部氬氣壓力低于15kPa，因此需要通過某種方式將氣態氬氣的壓力升高至可用范圍，同時要保證氬氣的純凈度。

（2）氣態氬氣壓力波動大，如何使氬氣壓力滿足系統工作要求。

（3）貯槽頂部氣態氬氣的產生呈現出連續不穩定的特點，頂部壓力處于動態變化過程，回收系統功率應隨著氣態氬氣的壓力自動做出動態調整，滿足節能要求。

（4）該系統必須能夠在低溫環境下工作或者能夠將氬氣升溫至系統能夠正常工作的溫度范圍。

（5）當系統主要設備故障或檢修應當保證氬氣回收工作繼續進行。

（6）設備參數應滿足氬氣回收需求。

（7）經處理后的氬氣純度應符合使用需求。

（8）應避免高壓氬氣回流，影響回收系統正常運行。

（9）氬氣輸送過程中需克服管道阻力，為使氬氣達到壓縮機時仍有足夠大的壓力，應適當選用管徑較大的管道。

針對以上問題，氬氣回收系統的建設采用汽化裝置將氬氣升溫，緩沖裝置調節氬氣壓力滿足系統工作需求，2 臺變頻式氬氣壓縮機滿足節能、應急使用、升高氬氣壓力大于2.0MPa的條件，各單體設備按需求安裝單向閥、密封部件保證回收氬氣的純凈度。同時，采用了大量的溫度傳感器、壓力傳感器、電磁閥等設備保證系統的自動化控制運行。以下針對氬氣回收原理介紹一種氬氣回收系統，暫不詳細介紹設備選型。

4 一種氬氣回收系統

該氬氣回收系統由液氬儲罐、汽化器、緩沖罐、壓縮機、控制柜、閥門、單向截止閥、管道、壓力表、電磁閥、流量計、含氧量檢測儀等部分組成。見圖1。

圖1 氬氣回收系統布置圖

將500m3液氬貯槽頂部的直通放散管道改為三通管道，三通管道口包括一個進氣口，兩個排氣口，氬氣儲罐頂部的一個排氣口連接壓力閥門，用于特殊情況下的氬氣放散；另一個排氣口通過管道連接氬氣壓縮系統的進氣口，該段管道上安裝有手動閥門，該手動閥門常開，并且該段管道包裹有防水隔熱棉，避免管道外壁結冰；進氣管道連接汽化器，汽化器工作原理是通過大幅度增加氬氣與外界環境的熱交換面積與熱交換時長，使-180℃的氬氣經過汽化器后溫度升高至15 ～20℃，保證壓縮機正常運行。

升溫后的氬氣通過管道送入緩沖器，該段管道上安裝有測溫裝置，氬氣在緩沖器積聚，起到穩定緩沖罐出氣口壓力的作用，同時大容量緩沖罐也能夠減少液氬貯槽頂部壓力超過15kPa，從而導致氬氣放散的頻率，緩沖器內安裝有壓力表，底部有放散管道，管道上安裝有單向截止閥和手動閥，保證維修時，能夠排放緩沖器內的氬氣。

從緩沖罐出氣口的管道通過三通管道連接壓縮機，三通與緩沖罐之間安裝有電磁閥，并根據測度計和緩沖罐壓力計反饋數值進行連續調節，進而反向調節氬氣溫度和緩沖罐內氬氣壓力。

共安裝兩臺變頻式氬氣壓縮機，一臺工作，另一臺應急使用，正常工作時壓縮機進氣壓力3 ～10kPa，進氣溫度15 ～20℃，排氣壓力3.0MPa。當進氣壓力高于7kPa 值時，壓縮機滿負荷運行，低于7kPa 值時開始降頻減負荷，當進氣壓力持續下降到3kPa 值時，聯鎖停掉壓縮機。兩臺壓縮機出口連接有排氣支管，兩條排氣支管合并一處連接排氣總管，通向氬氣球罐，經氬氣球罐緩沖后將氬氣壓力調節至1.8 ～1.9MPa，按需要輸送至管網供給煉鋼使用，兩條排氣支管上和球罐入口處均安裝有單向截止閥避免球罐內氬氣回流，影響壓縮機正常工作。

2 臺壓縮機排氣管均設有放空支管，放空支管上分別安裝單向截止閥，保證切換工作壓縮機時無空氣回流；兩條放空支管經三通匯聚成一條排氣放空總管，總管上安裝有電磁閥，用于自動控制放散氬氣。

系統各主要設備兩端均安裝有手動閥門，便于開展維修工作。兩臺壓縮機放空支管后，排氣總管前均安裝有壓力表，排氣總管上安裝有電磁閥、流量表、含氧量檢測儀。通過以上儀表監測壓縮機排出的氬氣壓力，當壓力過低時，通過減小排氣總管上的電磁閥開度，提高氬氣壓力。利用含氧量檢測儀監控管道密封情況，若含氧量升高，則發出警報聲，提示工作人員檢查管道各部分密封情況。流量表則是為了統計回收氬氣的數量。系統的自動化運行通過配電柜控制。

5 氬氣回收系統使用效果

自投入生產以來，機組能夠保持持續穩定運行，夜間貯槽蒸發量少時，也在壓縮機變頻可控負荷范圍內，機組進口壓力保持在3.2 ～9.6kPa，液體貯槽的壓力保持在8.2 ～15kPa 壓力超過15kPa 時液體貯槽自動放空閥自動打開放空），實現了夜間貯槽完全不放空，夜間蒸發的氬氣全回收。選取10 天的運行數據，壓縮機累積壓縮氬氣量38733m3，平均每小時約149.5m3；液氬貯槽累積放空量12939m3，平均每小時約50m3。

壓縮氣量和放空氣量兩者合計184.5m3，之所以稍少于前文所述之平均每小時氬氣放空量約200m3，是因為壓縮機所取的數據是冬季運行數據，溫度較低，貯槽蒸發量相對較少。

氬氣回收系統投入使用后，根據統計測算，氬氣回收率約75%，每天回收量為6.75t，液氬采購價約1200元/噸，一年按運行330 天計算267.3 萬元。回收成本主要是電力消耗和設備日常維護消耗，年費用約24 萬元。該系統正常工作情況下，每年可創造效益243.3 萬元。

6 結語

該氬氣回收系統能夠使氣態氬氣升溫至15 ～20℃，調節氬氣進入壓縮機前的壓力處于5 ～10kPa，壓縮后的壓力約3.0MPa，經處理后的氬氣經球罐緩沖后能直接供給煉鋼使用。氬氣回收系統能夠回收75%的氣態氬氣，減少了5.625%液氬損失，系統具有結構簡單、功能完善、自動化運行的優點。