智能氫氣回收系統在光亮爐保護氣回收中的應用

孫偉

摘 要：隨著我國生態文明建設的不斷推進，對行業、產業、企業環保問題的管控力度持續加大，各行業需要在保證產品質量的同時采用節能技術，減少生產過程對生態環境的不良影響。同時，隨著工業自動化發展，智能控制技術在各個領域中的應用更加廣泛，能夠有效縮短產品生產流程，降低生產成本，是各行業現代化發展的必備“利器”。文章以不銹鋼冷軋板生產為例，以其關鍵設備--光亮爐為核心，設計一種能夠回收并循環利用氫氣的智能氫氣和回收系統，實現不銹鋼冷軋板生產的降本增效。

關鍵詞：智能氫氣回收系統;光亮爐;保護氣;氫氣

光亮爐是不銹鋼光亮板生產中的關鍵核心設備，其使用氫氣作為不銹鋼板退火階段的保護氣，在此過程中需要耗費大量的氫氣，是不銹鋼冷軋板生產中主要的成本來源。當前部分冷軋板生產企業已經開始注重光亮爐保護氣的回收與循環利用，但由于氫氣回收系統智能化、自動化程度不足，導致氫氣回收效率較低、回收過程安全性差、回收成本過高。為此，不銹鋼冷軋板生產企業亟需使用先進的智能氫氣回收系統，解決當前氫氣回收中存在的問題。下文以寧波寶新不銹鋼有限公司為例，分析智能氫氣回收系統在光亮爐保護氣回收中的應用。

1 智能氫氣回收系統的組成及工作原理

1.1 智能氫氣回收系統的組成

智能氫氣回收系統主要包括四個基本組成部分：回收過濾裝置（活性炭過濾器、紙質過濾器）、增壓和冷卻裝置（羅茨風機）、除氧吸附裝置（分子篩吸附器、除氧器）、管道系統（新鮮氫氣輸入管道、混合氫氣排放管道、氫氣回收管道等）。

1.2 智能氫氣回收系統的原理

寧波寶新不銹鋼公司在不銹鋼冷軋板生產退火線中采用了奧地利EBNER公司設計生產的立式馬弗爐，使用過的氫氣從光亮退火爐機組排除，首先經過活性炭過濾器，該裝置能夠去除混合氣體中灰塵、油污等雜質;其次，經過初步凈化的氫氣經過紙質過濾器，該裝置能夠進一步清除混合氣體中的灰塵與油污;再次，混合氫氣經過羅茨風機，該裝置能夠加大氣體的壓力，增壓后的氣體與新鮮氫氣進行充分混合;隨后，與新鮮氫氣混合后的增壓氣體進入除氧裝置，除去混合氣體中的氧氣;最后，氣體經過分子篩吸附器，主要用于除去氣體中的水分以及小分子的雜質氣體。完成所有的回收程序后，凈化后的氫氣純度完全符合國家的技術標準，能夠再次投入不銹鋼冷軋板的生產中，作為光亮退火爐的保護氣。

為了能夠保證智能氫氣回收系統安全、穩定、持續運行，在回收過濾、回收管路進口、羅茨風機、新鮮氫氣補充四處設置了智能控制檢測裝置。

其一，在智能氫氣回收系統中裝配了兩套過濾裝置組合（活性炭+紙質過濾），在每一套活性炭過濾及紙質過濾裝置上及進出口設置了自動切換閥、壓變送器、自動吹掃管路。壓差變送器安裝在過濾裝置上，實時監測系統的壓差，一旦壓降超過預先設定的標準，系統自動切換閥打開，自動更換過濾裝置。同時，在系統啟動及停止后，自動氮氣吹掃開始，將過濾裝置中殘留的氣體清掃干凈。

其二，在回收管路進口設置氫含量檢測系統、兩個氣動切斷閥。氫含量檢測裝置會檢測到達回收管入口處氫氣的濃度，如果符合回收標準，氣動切斷閥打開，氫氣進入回收裝置;如果氫氣濃度不達標，氣動切斷閥關閉。

其三，在羅茨風機除設置旁路管道，連接水冷卻器和自動流量調節閥，用來控制氫氣回流量來保證系統的壓力和流量的穩定。

其四，在新鮮氫氣補充處設置流量計以及自動流量調節閥，按照退火質量標準自動調整新鮮氫氣補充量。

2 智能氫氣回收系統在光亮爐保護氣回收中的應用

2.1 智能氫氣回收系統在安全保護中的應用

氫氣具有密度小的物理特性，同時具有易燃、易爆炸的化學特性，氫氣純度不足時，一旦遇到火源就會引起爆炸事故，因此在系統啟動及關閉過程中，要保證管路系統中沒有殘留的氫氣。

智能氫氣回收系統具有安全聯鎖控制的功能。以智能氫氣回收系統啟動過程為例，當系統接收到啟動指令后，氣動控制閥打開，開始利用氮氣吹掃第一套過濾裝置，當氮氣的流量、吹掃時間等達到相應的條件后吹掃結束，第一套過濾裝置的前后氣動閥打開，可以投入運行。同時，為了保證系統運行的安全性，在系統上設置了溫度、壓力、氫氣濃度等檢測儀表，當氫氣到達光亮爐回收管道入口時檢測氫氣的濃度，不僅能保證氫氣純度滿足生產工藝的要求，還能避免因氫氣純度不足引發爆炸事故。此外，在增壓機出口設置了微量氧檢測儀、壓力開關、熱電阻。微量氧檢測儀能夠檢測氧含量，當氧含量超標時啟動自動吹掃。壓力開關可以檢測氫氣壓力，防止負壓形成空氣進入管道。熱電阻能夠檢測氫氣溫度，當溫度超標時自動切斷增壓機電源，以避免引發安全事故。

2.2 智能氫氣回收系統在控制氫氣回收比例中的應用

在不銹鋼冷軋板生產過程中，光亮爐需要使用一定量的新鮮氫氣，一方面彌補回收氫氣的不足，另一方面要保證爐內氫氣的純度。而上述兩種新鮮氫氣的補充量要根據實際情況進行調整。因此，智能氫氣回收系統充分考慮光亮爐對新鮮空氣的需求，設計了回收氫氣與新鮮氫氣混合比例控制功能，腰輪流量計安裝在氫氣回收出口管道和新鮮氫氣管道上，熱阻和壓力變送器分別安裝在兩組管道上。測量管道中氫氣的溫度和壓力，并通過軟件計算流量的溫度和壓力補償，以確保流量測量的準確性。另外，在新鮮氫氣管道上設置有流量控制閥，該流量控制閥可以根據通過操作設定的混合比自動調節閥開度，以達到預定混合比。

例如，如果操作員在HMI操作站上將混合比設置為50%，則PLC將通過測量計算出的新鮮H2流量除以混合后在出口主管中由H2氣體流量計18測得的總流量。當比例大于50%時，PID控制器將自動減小新鮮H2流量調節閥的開度，直到達到50%。相反，增加新鮮氫的開度和流速以使回收率穩定在50%。50%的回收率意味著使用光亮退火爐的氫消耗的50%，并且氫消耗減少了50%，這大大降低了生產成本。

2.3 智能氫氣回收系統在控制壓力中的應用

智能氫氣回收系統是光亮爐的輔助系統，因此其應服務于光亮爐，并不能妨礙光亮爐的正常運行，而智能氫氣回收系統中的羅茨風機抽壓過大，則會導致光亮爐壓力不穩定。因此，需要強化對增壓機出口壓力的控制。如圖1所示，當打開系統增壓機出口閥后可選擇手動操作或自動操作，如果選擇自動操作，增壓機出口閥則切換為自動模式，當增壓機啟動、過濾器吹掃完畢并投入運行后，系統會根據預先設定的增壓機出口壓力允許波動范圍檢測增壓機出口壓力是否滿足要求，例如設定增壓機出口壓力波動范圍是1.5kPa，此時實際壓力為28.6kPa，表示增壓機出口壓力滿足要求，增壓機切斷閥打開，系統不再重新判別，增壓機根據其上裝有的溫度、壓力等檢測系統自動調整壓力。

3 結束語

智能氫氣回收系統能夠應用于光亮爐保護氣回收的安全聯鎖控制、混合比例控制及壓力控制中，不僅能保障光亮爐氫氣回收過程的安全性、穩定性、持續性，還能有效提高氫氣回收率，以此降低不銹鋼冷軋板生產成本，促進企業可持續發展。

參考文獻：

[1]王慶強，許云東，李丹柯.光亮退火爐氫氣回收技術[J].中國儀器儀表，2017（02）：34-37.

[2]曹杰.基于PLC的光亮退火爐控制系統設計[D].上海：華東理工大學，2015.

[3]羅明，駱素珍.光亮退火過程中氫氣露點對430BA板耐蝕性的影響[J].寶鋼技術，2013（05）：37-42.