全氢罩式退火炉废氢安全回收净化技术应用

徐国栋，李传军，杜守中，张玉刚，亓翠君

（山东泰山钢铁集团有限公司，山东 济南271100）

1 前言

泰钢冷轧部1700全氢罩式退火炉采用99.999%的氢气作为钢卷退火时的保护气，正常生产时每小时废氢气排放量约400 m3。由于氢气具有易燃易爆的特性，在空气中爆炸极限为4%～74.2%。直接对空排放可能发生燃烧爆炸，不仅存在极大的安全隐患，还造成了氢气的浪费及环境的污染（废氢中含有水分、废油、废烟等杂质）。针对这一问题，需要考虑一种安全、可靠、资源化利用的解决方案。

2 设计废氢安全回收净化工艺流程

为实现预期目标，设计了废氢安全回收净化工艺流程，见图1。从全氢罩式退火炉来的氢气，首先进入换热器1，冷却后气体换热进行初步降温，再经过冷凝器1冷却降温；湿氢气接着进入汽水分离器1分离掉里面的饱和水；经过一级过滤器除尘除油，接着通过罗茨鼓风机把氢气增压到30 kPa后，经过除氧器除氧，使氢气中的含氧量≤0.001%。因为气体经过罗茨风机增压后，温度升高40℃左右，所以接下来进入水冷却器、换热器2、冷凝器2（介质为冷冻水），利用循环水把气体进行冷却，再经过汽水分离器2进行除水。经过这两级除水，得到露点为10～12氢气，再经过二级过滤器和除油器除尘除油，最后再进入吸附干燥器。氢气先进入装氧化铝的干燥器，再进入装5A分子筛的干燥器，两组干燥器间歇使用，最后进入氢气缓冲罐，再进入粉末冶金用气点。

图1 废氢安全回收净化工艺流程

3 废氢回收净化系统设备

3.1 预处理单元

从全氢罩式退火炉来的氢气进入氢气预处理系统，首先进入冷却器进行降温，进入汽水分离器，降温析出的液态水由分离器排出；再一级过滤器除尘除油，接着通过罗茨鼓风机把氢气增压到30 kPa，完成尾气的预处理及初步增压后送入净化单元。

3.2 氢气净化单元

（1）在净化单元二次增压到60 kPa，进入鼓泡器除油除氨气，进入加热器加热到120℃左右，在除氧器催化剂作用下，使氢气中的含氧量≤0.001%。然后经冷却器、换热器、冷凝器次第冷却，析出的液态水经汽水分离器2排出；氢气通过二级过滤器除尘除油，最后再进入一、二、三级干燥器深度除水（干燥器分为两组，间歇轮换使用），最后进入氢气缓冲罐，经补氢和补氮，调节氮氢比例后再送入粉末冶金铁粉还原车间。产品氢气集气罐内的氢气经风机的自动调频，稳定压力和流量，达到实际需要的工作压力和流量。

（2）回收装置的干燥塔有两组并联，一组干燥塔吸附去湿，另一组加热再生、吹冷。两组交替切换使用。干燥塔在常温、额定气量下连续工作30 h左右。用20%～25%回收净化的产品氢气再生经加热棒加热，控制温度在280℃以下，恒温18 h后自动停电，停止加热并改加热为吹冷，吹冷1 h左右后通过PLC程控自动切换阀门，再生的20%～25%的湿氢回到进口冷却器除水再次回收利用。30 h后，由PLC程控器控制自动切换，一组由吸附干燥变为再生干燥，另一组由再生干燥变为吸附干燥，自动循环切换，连续运行。加热的再生氢气，能将干燥塔内上一周期吸附于干燥剂上的水分吹出来，并经过冷却去水后，被回收重复利用。

（3）为确保退火炉出料、投料、炉子开多开少时不被罗茨鼓风机抽成负压，采取两个保证措施。一是通过PLC控制调节补充氢气量，使风机入口压力恒定在2 kPa；二是根据投运的退火炉数量等实际需要氢气量的变化，信息反馈于罗茨鼓风机，采用自动调频改变转速，控制出口回收净化的产品氢气，使其具有恒定的压力，满足退火炉用氢量的变化。

3.3 不同压力控制及作用

（1）退火炉回流气压力：检测退火炉回流气的压力，根据这个压力以及系统氢气含量控制自动放空阀的开闭，如果回流气压力高（风机异常停机导致气体回流）或者氢含量达不到指标（开机置换气体情况下氢含量很低），则自动放空阀打开，系统稳定运行情况下不会打开。

（2）罗茨风机前气体压力：风机前压力为系统压力最低点，要保证最低点压力为正压，否则系统可能出现不安全。检测最低点压力，如果退火炉消耗气体，压力变化最敏感，保证压力就能保证系统的整体压力。

（3）罗茨风机后气体压力：罗茨风机后为氢气回路里面的压力最高点，控制最高点压力，也就控制了系统的所有压力不出现超高，靠这个压力控制罗茨风机频率，进而控制排气量，保证了退火炉用气点压力流量的恒定不变化。

3.4 自动控制系统

自动控制系统主要由西门子公司的PLC、CPU模块、模拟量输入输出模块、开关量输入输出模块、温控模块、变频器、工控机组成。PLC一方面将各种输入信息处理后反馈控制监控对象，将信息送入上位机。另一方面接受上位机的控制指令，通过对输入和操作指令的分析、判断，进行综合处理后输出控制信号，控制变频调速系统以及电动调节阀的工作。完成上位机对监控对象的实际控制。

4 结语

从全氢罩式退火炉排出的氢气等保护气体经过汇总进入氢气回收装置，经过预处理→除杂质→增压→除氧除油→再处理→深度吸附→进入罩式炉管道。由于整个循环回收全封闭，无外界杂质及其他进入，并采取氧分析仪、氢分析仪、露点仪在线监测及保护性强制放散等多重措施，提高了系统运行的安全性。

全氢罩式退火炉废氢回收净化技术，保证了整个系统的全封闭回收，并采取氧分析仪、氢分析仪、露点仪在线监测及保护性强制放散等多重措施，保障了生产的安全，彻底避免了爆燃等安全事故的发生，系统安全性高。实现了废氢气的零排放，从而避免了废氢气对大气的污染，符合国家节能减排发展的方向，经济和社会效益显著。