智能氫氣回收系統(tǒng)在光亮爐保護(hù)氣回收中的應(yīng)用

孫偉

摘 要：隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，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(shù)，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(shù)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)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(guān)鍵設(shè)備--光亮爐為核心，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)不銹鋼冷軋板生產(chǎn)的降本增效。

關(guān)鍵詞：智能氫氣回收系統(tǒng);光亮爐;保護(hù)氣;氫氣

光亮爐是不銹鋼光亮板生產(chǎn)中的關(guān)鍵核心設(shè)備，其使用氫氣作為不銹鋼板退火階段的保護(hù)氣，在此過程中需要耗費(fèi)大量的氫氣，是不銹鋼冷軋板生產(chǎn)中主要的成本來源。當(dāng)前部分冷軋板生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始注重光亮爐保護(hù)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(dǎo)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(jìn)的智能氫氣回收系統(tǒng)，解決當(dāng)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(hù)氣回收中的應(yīng)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(fēng)機(jī)）、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(shè)計(jì)生產(chǎn)的立式馬弗爐，使用過的氫氣從光亮退火爐機(jī)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(jìn)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(fēng)機(jī)，該裝置能夠加大氣體的壓力，增壓后的氣體與新鮮氫氣進(jìn)行充分混合;隨后，與新鮮氫氣混合后的增壓氣體進(jìn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(hù)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(yùn)行，在回收過濾、回收管路進(jìn)口、羅茨風(fēng)機(jī)、新鮮氫氣補(bǔ)充四處設(shè)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(jìn)出口設(shè)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(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的壓差，一旦壓降超過預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，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?dú)獯祾唛_始，將過濾裝置中殘留的氣體清掃干凈。

其二，在回收管路進(jìn)口設(shè)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(dá)回收管入口處氫氣的濃度，如果符合回收標(biāo)準(zhǔn)，氣動切斷閥打開，氫氣進(jìn)入回收裝置;如果氫氣濃度不達(dá)標(biāo)，氣動切斷閥關(guān)閉。

其三，在羅茨風(fēng)機(jī)除設(shè)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(bǔ)充處設(shè)置流量計(jì)以及自動流量調(diào)節(jié)閥，按照退火質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)自動調(diào)整新鮮氫氣補(bǔ)充量。

2 智能氫氣回收系統(tǒng)在光亮爐保護(hù)氣回收中的應(yīng)用

2.1 智能氫氣回收系統(tǒng)在安全保護(hù)中的應(yīng)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(xué)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(guān)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(dāng)系統(tǒng)接收到啟動指令后，氣動控制閥打開，開始利用氮?dú)獯祾叩谝惶走^濾裝置，當(dāng)?shù)獨(dú)獾牧髁?、吹掃時間等達(dá)到相應(yīng)的條件后吹掃結(jié)束，第一套過濾裝置的前后氣動閥打開，可以投入運(yùn)行。同時，為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，在系統(tǒng)上設(shè)置了溫度、壓力、氫氣濃度等檢測儀表，當(dāng)氫氣到達(dá)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(jī)出口設(shè)置了微量氧檢測儀、壓力開關(guān)、熱電阻。微量氧檢測儀能夠檢測氧含量，當(dāng)氧含量超標(biāo)時啟動自動吹掃。壓力開關(guān)可以檢測氫氣壓力，防止負(fù)壓形成空氣進(jìn)入管道。熱電阻能夠檢測氫氣溫度，當(dāng)溫度超標(biāo)時自動切斷增壓機(jī)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(yīng)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(bǔ)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(bǔ)充量要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)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(shè)計(jì)了回收氫氣與新鮮氫氣混合比例控制功能，腰輪流量計(jì)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(jì)算流量的溫度和壓力補(bǔ)償，以確保流量測量的準(zhǔn)確性。另外，在新鮮氫氣管道上設(shè)置有流量控制閥，該流量控制閥可以根據(jù)通過操作設(shè)定的混合比自動調(diào)節(jié)閥開度，以達(dá)到預(yù)定混合比。

例如，如果操作員在HMI操作站上將混合比設(shè)置為50%，則PLC將通過測量計(jì)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(jì)18測得的總流量。當(dāng)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(dá)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(yīng)用

智能氫氣回收系統(tǒng)是光亮爐的輔助系統(tǒng)，因此其應(yīng)服務(wù)于光亮爐，并不能妨礙光亮爐的正常運(yùn)行，而智能氫氣回收系統(tǒng)中的羅茨風(fēng)機(jī)抽壓過大，則會導(dǎo)致光亮爐壓力不穩(wěn)定。因此，需要強(qiáng)化對增壓機(jī)出口壓力的控制。如圖1所示，當(dāng)打開系統(tǒng)增壓機(jī)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(jī)出口閥則切換為自動模式，當(dāng)增壓機(jī)啟動、過濾器吹掃完畢并投入運(yùn)行后，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的增壓機(jī)出口壓力允許波動范圍檢測增壓機(jī)出口壓力是否滿足要求，例如設(shè)定增壓機(jī)出口壓力波動范圍是1.5kPa，此時實(shí)際壓力為28.6kPa，表示增壓機(jī)出口壓力滿足要求，增壓機(jī)切斷閥打開，系統(tǒng)不再重新判別，增壓機(jī)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(jié)束語

智能氫氣回收系統(tǒng)能夠應(yīng)用于光亮爐保護(hù)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(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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