智能氫氣回收系統(tǒng)在光亮爐保護氣回收中的應用

孫偉

摘 要：隨著我國生態(tài)文明建設的不斷推進，對行業(yè)、產(chǎn)業(yè)、企業(yè)環(huán)保問題的管控力度持續(xù)加大，各行業(yè)需要在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時采用節(jié)能技術，減少生產(chǎn)過程對生態(tài)環(huán)境的不良影響。同時，隨著工業(yè)自動化發(fā)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(chǎn)品生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，是各行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必備“利器”。文章以不銹鋼冷軋板生產(chǎn)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(huán)利用氫氣的智能氫氣和回收系統(tǒng)，實現(xiàn)不銹鋼冷軋板生產(chǎn)的降本增效。

關鍵詞：智能氫氣回收系統(tǒng);光亮爐;保護氣;氫氣

光亮爐是不銹鋼光亮板生產(chǎn)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(chǎn)中主要的成本來源。當前部分冷軋板生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始注重光亮爐保護氣的回收與循環(huán)利用，但由于氫氣回收系統(tǒng)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(chǎn)企業(yè)亟需使用先進的智能氫氣回收系統(tǒng)，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(tǒng)在光亮爐保護氣回收中的應用。

1 智能氫氣回收系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 智能氫氣回收系統(tǒng)的組成

智能氫氣回收系統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)（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(tǒng)的原理

寧波寶新不銹鋼公司在不銹鋼冷軋板生產(chǎn)退火線中采用了奧地利EBNER公司設計生產(chǎn)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(jīng)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(zhì);其次，經(jīng)過初步凈化的氫氣經(jīng)過紙質(zhì)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(jīng)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(jīng)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(zhì)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(chǎn)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(tǒng)安全、穩(wěn)定、持續(xù)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(tǒng)中裝配了兩套過濾裝置組合（活性炭+紙質(zhì)過濾），在每一套活性炭過濾及紙質(zhì)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(jiān)測系統(tǒng)的壓差，一旦壓降超過預先設定的標準，系統(tǒng)自動切換閥打開，自動更換過濾裝置。同時，在系統(tǒng)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(tǒng)、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(diào)節(jié)閥，用來控制氫氣回流量來保證系統(tǒng)的壓力和流量的穩(wěn)定。

其四，在新鮮氫氣補充處設置流量計以及自動流量調(diào)節(jié)閥，按照退火質(zhì)量標準自動調(diào)整新鮮氫氣補充量。

2 智能氫氣回收系統(tǒng)在光亮爐保護氣回收中的應用

2.1 智能氫氣回收系統(tǒng)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(tǒng)啟動及關閉過程中，要保證管路系統(tǒng)中沒有殘留的氫氣。

智能氫氣回收系統(tǒng)具有安全聯(lián)鎖控制的功能。以智能氫氣回收系統(tǒng)啟動過程為例，當系統(tǒng)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?shù)獨獾牧髁俊⒋祾邥r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(tǒng)運行的安全性，在系統(tǒng)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(chǎn)工藝的要求，還能避免因氫氣純度不足引發(fā)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(fā)安全事故。

2.2 智能氫氣回收系統(tǒng)在控制氫氣回收比例中的應用

在不銹鋼冷軋板生產(chǎn)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(nèi)氫氣的純度。而上述兩種新鮮氫氣的補充量要根據(jù)實際情況進行調(diào)整。因此，智能氫氣回收系統(tǒng)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(jù)通過操作設定的混合比自動調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(wěn)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(chǎn)成本。

2.3 智能氫氣回收系統(tǒng)在控制壓力中的應用

智能氫氣回收系統(tǒng)是光亮爐的輔助系統(tǒng)，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(tǒng)中的羅茨風機抽壓過大，則會導致光亮爐壓力不穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)會根據(jù)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(tǒng)不再重新判別，增壓機根據(jù)其上裝有的溫度、壓力等檢測系統(tǒng)自動調(diào)整壓力。

3 結束語

智能氫氣回收系統(tǒng)能夠應用于光亮爐保護氣回收的安全聯(lián)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(wěn)定性、持續(xù)性，還能有效提高氫氣回收率，以此降低不銹鋼冷軋板生產(chǎn)成本，促進企業(yè)可持續(xù)發(fā)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(tǒng)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.