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一種粗法氫氣回收技術(shù)在全氫罩式爐群上的應(yīng)用

文檔作者：劉成群文檔來源：山東鋼鐵濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司薄板廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月18日
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第３９ 卷第４ 期
２０１７ 年８ 月
甘　肅　冶　金
ＧＡＮＳＵ?。停牛裕粒蹋蹋眨遥牵?
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．４
Ａｕｇ．，２０１７
文章編號(hào)：１６７２-４４６１（２０１７）０４-０１０４-０３
一種粗法氫氣回收技術(shù)在全氫罩式爐群上的應(yīng)用
劉成群
（山東鋼鐵濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司薄板廠，山東　濟(jì)南?。玻担埃保埃保?
摘　要：闡述了全氫罩式爐群原有氫氣回收方式的弊端，介紹了一種粗法氫氣回收技術(shù)在該爐群上的應(yīng)用情況，分
析了氫氣回收的意義及實(shí)際取得的成效。
關(guān)鍵詞：氫氣回收； 罩式爐； 制氫； ＰＳＡ
中圖分類號(hào)：Ｘ７０１．７ 　　　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ｂ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ Ｒｏｕｇｈ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｉｎ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｂａｔｃｈ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｇｒｏｕｐ
ＬＩＵ Ｃｈｅｎｇ-ｑｕｎ
（ＳＤ Ｓｔｅｌｌ Ｊｉｇａｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ． Ｌｔｄ．， Ｊｉｎａｎ ２５０１０１， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂａｔｃｈ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｇｒｏｕｐ ａｒｅ ｅｘｐｏｕｄｅｄ
，ａ ｒｏｕｇｈ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｆｕｒｎａｃｅ ｇｒｏｕｐ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ
ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ； ｂａｔｃｈ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ；ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ；ＰＳＡ
１　引言
在冷軋全氫罩式爐退火生產(chǎn)過程中，氫氣被用
作保護(hù)氣，因其較高的熱擴(kuò)散性及良好的還原性，故
而兼顧了傳熱介質(zhì)和還原劑兩大功能。全氫罩式爐
周期性生產(chǎn)中，除前、后兩次內(nèi)罩吹掃通入氮?dú)馔猓?
其余時(shí)段均通氫氣，用于吹掃或保壓。通氫期間，除
了約５％氫氣參與物理化學(xué)反應(yīng)而消耗外，９５％仍以
氫氣狀態(tài)存在，連同冷軋帶鋼表面蒸發(fā)的軋制油、水
蒸汽等雜質(zhì)成分以廢氫形態(tài)排出爐外。多臺(tái)全氫罩
式爐組成的爐群連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，將排出大量廢氫。以
往廢氫處理的方式主要有兩種，即回收導(dǎo)入爐罩自
帶廢氫燃燒裝置進(jìn)行燃燒，或直接排空。前者雖然
能夠避免外排浪費(fèi)及污染環(huán)境，同時(shí)可回收廢氫燃
燒熱量降低罩式爐燃耗，但存在燃燒不穩(wěn)導(dǎo)致爐子
加熱故障率高、燃燒熱量低（因含有水蒸氣、ＣＯ２、Ｎ２
等雜質(zhì)氣體）、處理故障及堵塞頻次高、強(qiáng)度大等缺
陷；后者則浪費(fèi)氫氣能源且污染環(huán)境。
近幾年，隨著鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、競(jìng)爭(zhēng)日益
惡劣，加之環(huán)保壓力倍增，降低生產(chǎn)能源成本、提高
環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)不得不成為各大鋼廠高度關(guān)注的焦點(diǎn)。因
此，將全氫罩式爐群排出的廢氫氣通過有效、環(huán)保的
方式回收利用顯得格外重要，客觀上促進(jìn)了近些年
罩式爐群氫氣回收技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。
２　氫氣回收的必要性
２．１　原有回收方式弊端
某冷軋廠退火機(jī)組共配備全氫罩式爐３９ 座，由
一、二、三爐區(qū)組成，該爐群用氫氣（純度９９．９９％以
上）由配套的焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫（以下簡(jiǎn)稱焦
爐煤氣ＰＳＡ 制氫）機(jī)組提供，滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下，氫
氣用量約１５ 萬ｍ３ ／ 月。該爐群廢氫采用回收導(dǎo)入
爐罩廢氫燃燒裝置的處理方式，但因其燃燒不穩(wěn)，導(dǎo)
致廢氫燃燒故障占機(jī)組總故障比例高達(dá)４０％；單座
爐臺(tái)每加熱周期處理故障、清理堵塞等問題耗時(shí)約
２ ｈ，強(qiáng)度大且影響產(chǎn)量，爐群月產(chǎn)影響約１ ０００ ｔ。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，回收廢氫熱量對(duì)爐子節(jié)約燃耗不明顯，不到
５％，回收熱量與其負(fù)面影響相比得不償失。總之，
這種回收方式效果差、弊端多，對(duì)機(jī)組生產(chǎn)及維護(hù)強(qiáng)
度均造成較大影響，亟待解決。
萬方數(shù)據(jù)
２．２　氫氣制造方法及成本
氫氣的制造方法很多， 但在工業(yè)應(yīng)用上主要有
以下幾種。
⑴水電解制氫。
⑵氨分解制氫。
⑶天然氣變壓吸附制氫［１］ 。
⑷焦?fàn)t煤氣ＰＳＡ 制氫。
無論哪一種方法， 生產(chǎn)成本都比較高；由于變
壓／ 變溫（ＰＳＡ／ ＴＳＡ）氣體分離技術(shù)是依靠壓力或溫
度的變化來實(shí)現(xiàn)吸附與再生的，因而再生速度快、能
耗低，屬節(jié)能型氣體分離技術(shù)［２］ 。據(jù)了解，焦?fàn)t煤
氣ＰＳＡ 制氫成本相對(duì)較低，這種方式主要被一定規(guī)
模冶金、化工企業(yè)具備自產(chǎn)焦?fàn)t煤氣的條件下應(yīng)用，
制造成本一般在３．０～３．５ 元／ ｍ３，適合用氫量大、連
續(xù)性高的用戶機(jī)組。其余三種制造成本更高，且不
適合大用量氫氣用戶。
該廠罩式爐群氫氣用量平均按１４ 萬ｍ３ ／ 月計(jì)，
除去５％爐內(nèi)反應(yīng)消耗部分，仍有１３．３ 萬ｍ３ ／ 月氫
氣由爐內(nèi)排出，而現(xiàn)有回收方式效果差、弊端多，如
不能有效回收這部分利用后的氫氣，將造成大量氫
氣能源成本損失，對(duì)機(jī)組能耗成本影響較大。因此，
采用有效的回收方式至關(guān)重要。
２．２．１　氫氣回收方式的選擇
近幾年，國(guó)內(nèi)興起的冷軋全氫罩式爐群氫氣回
收方式主要有以下幾種。
⑴按爐座分散回收，集中凈化、除雜，就地提純，
得到高純氫，而后并入爐群氫氣供應(yīng)總管，直接作為
保護(hù)氣使用。
⑵按爐座分散回收，集中凈化、除雜，得到粗氫，
而后并入爐群燃?xì)夤?yīng)總管，與燃?xì)饣旌虾笞鳛槿?
料使用。
⑶在爐區(qū)廢氫燃燒排放總管處集中回收，集中
凈化、除雜，得到粗氫，而后送至焦?fàn)t煤氣ＰＳＡ 制氫
機(jī)組原料氣入口，與焦?fàn)t煤氣混合后作為制氫原料
氣使用。
三種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，方式⑴雖然能夠直接回
收作為保護(hù)氣，但因就地提純需要配置變壓（或變
溫）吸附提純裝置，介質(zhì)壓力高，安全性低，設(shè)備投
資大，運(yùn)行成本高；方式⑵雖然不需配置提純裝置，
但因回收氫氣中雜質(zhì)氣體成分及回收量的波動(dòng)，直
接影響燃?xì)鉄嶂捣€(wěn)定，影響爐子燃燒穩(wěn)定；此外，方
式⑴、⑵均采用了針對(duì)單獨(dú)爐座的分散回收，因此必
須配置單獨(dú)管線、閥門，回收系統(tǒng)與爐子系統(tǒng)連鎖控
制方面必須對(duì)接，這方面也勢(shì)必增加設(shè)備的投資。
相比較而言，方式⑶因采用了集中式的粗回收，
所以在設(shè)備投資、運(yùn)行成本、安全性等方面均優(yōu)于前
兩種，其關(guān)鍵在于借助ＰＳＡ 制氫機(jī)組將廢氫予以回
收。由于焦?fàn)t煤氣中氫氣體積含量為５５％ ～
６０％［３］ ，按最低５５％計(jì)，每回收１ ｍ３ 氫氣相當(dāng)于減
少焦?fàn)t煤氣用量１．８２ ｍ３，從而降低制氫機(jī)組焦?fàn)t煤
氣消耗，降低制氫成本，但其僅適用于自身配備焦?fàn)t
煤氣ＰＳＡ 制氫的情況。根據(jù)其特點(diǎn)，方式⑶適合該
廠爐群氫氣回收。
２．２．２　氫氣回收方法
該廠采取的集中式粗法氫氣回收工藝流程見圖
１。
圖１　全氫罩式爐群集中式粗法氫氣回收工藝流程
第４ 期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 劉成群：一種粗法氫氣回收技術(shù)在全氫罩式爐群上的應(yīng)用　 　 　 １０５
萬方數(shù)據(jù)
　　在三個(gè)爐區(qū)的廢氫燃燒排放總管上分別并聯(lián)上
回收管路，三支回收管路匯總后將壓力１．５～３．５ ｋＰａ
的廢氫送入回收裝置，首先經(jīng)過管式換熱器將熱廢
氫降溫，同時(shí)析出少量油及水；接著進(jìn)入“螺旋升降
＋Ø４５０ ｍｍ 規(guī)整填料捕捉”結(jié)構(gòu)的高效油氣分離器，
脫除廢氫中１５％～２０％的油、水及雜質(zhì)；再依次進(jìn)入
過濾精度分別為２０ μ、１０ μ 的遞增式雙級(jí)精濾器，
每級(jí)精濾又包括初級(jí)３０４ 不銹鋼濾芯和精級(jí)三合板
濾芯兩道過濾，可大大提高過濾精度及效率。蓄積
在濾芯中的油及雜質(zhì)通過自身重力沉降至底部搜集
槽，定期排出。經(jīng)此兩級(jí)過濾可脫除廢氫中５０％ ～
５５％的油、水及雜質(zhì)。而后進(jìn)入２ 組規(guī)格Ø６ ｍｍ、碘
值１０００ ｍｇ／ ｇ 的活性炭吸附器（一用一備），吸附器
出口緊接著串聯(lián)２０ 目不銹鋼絲網(wǎng)管道過濾器，與吸
附器一起完成廢氫精脫步驟，將剩余油、水及雜質(zhì)脫
至５％以內(nèi)，得到相對(duì)潔凈的廢氫（主要含Ｎ２、ＣＯ２、
ＣｎＨｍ 等雜質(zhì)氣體）。廢氫通過兩臺(tái)（一用一備）變
頻蘿茨風(fēng)機(jī)加壓至０．０４～０．０４５ ＭＰａ 向后輸送。
加壓后因溫度升高，故先經(jīng)過管式冷卻器降溫，
接著再次進(jìn)入活性炭吸附器凈化除雜，為去除廢氫
中的氧氣，接著進(jìn)入反應(yīng)溫度在６５～７５ ℃的鈀觸媒
除氧器，使得氧與氫氣充分反生成水，達(dá)到除氧目
的；除氧器出來的廢氫經(jīng)冷卻降溫，進(jìn)入列管式冷凝
器進(jìn)行深度除水，使凈化廢氫露點(diǎn)達(dá)到－２０ ℃以下，
以避免廢氫在后續(xù)輸送中產(chǎn)生凝結(jié)水。冷凝器后又
設(shè)計(jì)了氣水分離器，以實(shí)現(xiàn)廢氫最終精除水，得到凈
化廢氫。經(jīng)冷凝及氣水分離后的低溫凈化廢氫最后
進(jìn)入管式換熱器，與剛進(jìn)入回收裝置、來自爐區(qū)的熱
廢氫進(jìn)行熱交換，達(dá)到冷卻熱廢氫的目的。最后得
到干燥潔凈的凈化廢氫，凈化廢氫經(jīng)緩沖罐，由管道
輸送至焦?fàn)t煤氣ＰＳＡ 制氫機(jī)組原料氣入口，再經(jīng)調(diào)
壓閥（為適應(yīng)焦?fàn)t煤氣端壓力）、止逆閥（防止焦?fàn)t
煤氣逆向）等裝置后原料焦?fàn)t煤氣總管匯合，實(shí)現(xiàn)
回收。
為確?；厥障到y(tǒng)運(yùn)行安全性，在三個(gè)爐區(qū)的三
支廢氫回收管始端設(shè)計(jì)了氧含量、壓力檢測(cè)及連鎖
控制，當(dāng)檢測(cè)到回收廢氫氧超標(biāo)或壓力不足時(shí)，系統(tǒng)
自動(dòng)切斷回收，打開燃燒放散管，避免超標(biāo)氧進(jìn)入回
收裝置或抽真空進(jìn)入空氣。在吸附器管道過濾器出
口再次設(shè)置了氧含量檢測(cè)連鎖，確保進(jìn)入蘿茨加壓
風(fēng)機(jī)的廢氫氧含量不超標(biāo)。為確保蘿茨加壓風(fēng)機(jī)運(yùn)
行穩(wěn)定、安全，在其前端布置了緩沖罐及止逆閥，同
時(shí)配置自適應(yīng)旁通支路。
２．２．３　氫氣回收效果及意義
該廠自２０１６ 年下半年投用這一粗法氫氣回收
系統(tǒng)，從運(yùn)行半年多情況看，效果良好。
⑴該系統(tǒng)投用后，關(guān)閉了原廢氫燃燒系統(tǒng)，其故
障率直接降為０，同時(shí)大幅降低了處理故障、堵塞方
面的維護(hù)強(qiáng)度。
⑵全氫罩式爐機(jī)組總故障率平均下降約４２％，
爐群產(chǎn)量平均提升１１００ ｔ／ 月，增加產(chǎn)量收益約３３
萬元／ 月（噸鋼冷軋退火板收益保守按３００ 元計(jì)）。
⑶除去因指標(biāo)不合、回收裝置檢修耽擱等因素
而無法回收的廢氫（放散燃燒處理） 外，回收率約
７５％，凈化廢氫回收量達(dá)１０ 萬ｍ３ ／ 月。經(jīng)檢測(cè)，該
凈化廢氫中氫氣含量平均可達(dá)９０％，即回收純氫氣
９ 萬ｍ３ ／ 月，折合制氫機(jī)組原料焦?fàn)t煤氣約１６．３６ 萬
ｍ３ ／ 月，降低制氫成本約９．８ 萬元／ 月。
⑷回收得到的凈化廢氫，因雜質(zhì)少、潔凈度高，
送入焦?fàn)t煤氣ＰＳＡ 制氫機(jī)組作為原料氣使用后，機(jī)
組產(chǎn)氫率提高約１２％，煤壓機(jī)運(yùn)行故障率降低約
１０％，吸附塔、預(yù)處理塔內(nèi)各類填料壽命延長(zhǎng)約
２５％。
總之，該粗法氫氣回收投用后，不僅提高了爐群
產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本，而且降低了設(shè)備運(yùn)行故障率、
延長(zhǎng)了耗材使用壽命。
３　存在的問題及建議
這一粗法氫氣回收系統(tǒng)運(yùn)行過程中，因爐群排
出的廢氫中油類、雜質(zhì)較多，所以運(yùn)行一段時(shí)間后，
回收系統(tǒng)精濾器、吸附塔及管道過濾器等會(huì)被堵塞，
影響回收系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及回收氫氣潔凈度。建議
根據(jù)運(yùn)行規(guī)律，結(jié)合各部件堵塞特點(diǎn)，制定有效的清
理、更換周期，以實(shí)現(xiàn)堵塞之前能夠預(yù)先處理，保證
系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)：
［１］　劉俊懷．氫氣回收技術(shù)在金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司的
應(yīng)用［Ｊ］．中國(guó)鉬業(yè)，２００７，３１（６）：５１-５２．
［２］　崔廣才．焦?fàn)t煤氣制氫及氫氣精制工藝總結(jié)［Ｊ］．河南
化工，２０１１，２８（１９）：４８-５０．
［３］　韓昭滄．燃料及燃燒（第２ 版）［Ｍ］．北京：冶金工業(yè)出
版社，２００４．
收稿日期：２０１７-０５-１０
作者簡(jiǎn)介：劉成群（１９８２- ），男，學(xué)士。主要從事的工作和研究方向：
鋼鐵行業(yè)冷軋全氫罩式退火爐、平整、精整生產(chǎn)技術(shù)管理，研究方向：
冷軋全氫罩式退火、連續(xù)退火技術(shù)及節(jié)能。
１０６ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 甘　 肅　 冶　 金　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 第３９

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