罩式炉尾气回收氢气再利用的研究

引言
工业上氢气的来源主要是石油和天然气的裂 解、甲醇裂解、煤气化、水电解等，其中水电解制氢的 能耗为５ kW·h/m3 以上，从其他更经济的方法获得 氢气是世界各国已经或正在研究的课题。目前，钢 铁行业保护气、石油化工厂、氯碱工业有大量的含氢 工业尾气，含氢尾气的回收利用越来越受到重视。 在冶金工业中，许多工艺需要用氢气作还原 剂。钢铁行业中的罩式炉热处理保护气采用纯氢 或含氢百分比很大的混合气体，使用后的尾气，目 前国内基本都是直接排放到放空管对外直排，每年 排放量达到上亿立方。因为热处理的钢板或钢卷 上含有油、灰尘，且在保护过程中会有少量空气进 入，使得排放出的氢气的纯度比较差，不能直接循 环使用。要利用这些氢气，必须先把油、氧、水、二 氧化碳等杂质脱除掉，才能实现循环利用，减少排 放，节约资源。

罩式炉生产现状
钢铁行业中的全氢罩式炉 1 个生产周期如下： 钢坯装进罩式炉，氮气赶空气，氢气赶氮气，氢气 （升温保温），氮气赶氢气，成品钢坯出炉。罩式炉 热处理过程是为了防止产生氧化现象，整个处理过 程在高纯氮气和高纯氢气的保护下进行，并且这些 高纯气体在整个处理过程中是不间断连续流动的， 根据不同钢种的要求，高纯氮气和高纯氢气按不同 的比例混合起来通过罩式炉中处理的钢板后的尾 气对外排放，直到热处理过程完毕。在整个热处理 过程中，需要用大量的氢气。罩式炉保护气体的尾气对外排放不但会污染环境，而且也造成了资源的 巨大浪费。笔者主要是针对罩式炉尾气回收后，北京中惠普气体净化成高纯氢气，再加压送到罩式炉的主氢气管上再利用进行研究。

主要工艺流程
原料氢气及其杂质组分的含量
经过对国内冷轧罩式炉尾气成分分析及对相 关单位的尾气分析，冷轧罩式炉尾气成分大致 如下： 尾气（含氢气）纯度≥99.8％； 尾气压力：0~4000 Pa（压力是指罩式炉尾气出 口最后一个气动程控阀后靠近最后一个气动程控阀，引射风机前的位置）； 氧含量：~500×10-6 ； 水含量≤-40 ℃（露点）； 尾气温度：120 ℃； 少量油，尘，颗粒等。

经过净化后产品氢气及其杂质组分的含量
产品氢气纯度≥99.9998％（无氧纯度）; 产品氢气压力：300~500 kPa（可根据要求选用 膜压机）; 产品氢气温度≤40 ℃； 氧含量＜1×10-6 ； 水含量≤-70 ℃（露点）； 油含量≤0.1×10-6 ； 颗粒：≤1 μm。

工艺流程
工艺流程主要包括尾气收集，预处理净化工 序，增压工序及终端净化工序。
尾气的收集 冷轧罩式炉尾气回收氢气的关键是对尾气的 回收，回收过程与生产有一定的关联，不回收时，尾 气经引射风机后放空，为了尽量不影响生产，本回 收过程在每台罩式炉引射风机前增加一个气动开 关阀 A，在气动开关阀 A 与罩式炉之间加一个旁通 气动开关阀B和压力检测PT1，旁通气动开关阀B与 回收尾气系统连接。
预处理净化工序
（1）尾气冷却、分析检测 罩式炉的尾气温度较高，经过现有罩式炉冷却 设备后尾气温度约为100 ℃左右，需要先经过水冷 却器冷却到40 ℃以下，冷却后设温度检测报警，压 力远传指示报警，然后分析气体中的氧含量和露 点，当氧含量≥1000×10-6 或者露点≥-10 ℃时，停止 回收，经引射风机放空，并输出报警信号，此时罩式 炉正常生产，当同时满足氧含量≤1000×10-6 ，露点≤ -10 ℃及 2.3.1的回收条件时，尾气开始回收，进入 回收系统。
（2） 过滤除油 进入回收系统尾气先进入前置专用过滤器，把 尾气中的油类、固体颗粒、液态水等进行前级脱除， 以免对后续管道阀门、压缩机造成影响，2台前置专 用过滤器一个在工作，一个在再生备用，再生气用 氮气，再生尾气排放到放空总管，切换再生用精密 压差计来控制；然后进入进口缓冲罐，缓冲罐可以 缓冲前后工序带来的压力波动，使设备能更加稳定 运行。尾气连续不断地通过专用过滤器，气体中的 灰尘和油污被过滤分离掉。

结论
（1）罩 式 炉 尾 气 回 收 氢 气 具 有 可 行 性 及 安 全性。 罩式炉尾气回收氢气设置了很多连锁保护措 施，确保了回收和运行时的安全，如负压保护，压缩 机运行保护等，罩式炉尾气回收氢气是可行的，也是安全的。
（2）回收尾气净化后氢气的纯度能满足罩式炉 的使用要求。
（3）罩式炉尾气回收氢气对罩式炉生产没有 影响。 在设计中在每台罩式炉引射风机前增加一个气 动开关阀 A，在气动开关阀 A 与罩式炉之间加一个 旁通气动开关阀B和压力检测PT1，旁通气动开关阀 B 与回收尾气系统 连接。回收过程与罩式炉生产设有联锁信号，回收 系统只在罩式炉生产的氢气吹扫过程满足回收条 件时回收，对生产基本没有影响。罩式炉尾气回收 氢气再利用具有安全性、可靠性，以及很高的经济 效益、环保效益和社会效益，值得推广和应用。