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一種粗法氫氣回收技術在全氫罩式爐群上的應用

文檔作者：劉成群文檔來源：山東鋼鐵濟鋼集團有限公司薄板廠		點擊數：	更新時間： 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　ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．４
Ａｕｇ．，２０１７
文章編號：１６７２-４４６１（２０１７）０４-０１０４-０３
一種粗法氫氣回收技術在全氫罩式爐群上的應用
劉成群
（山東鋼鐵濟鋼集團有限公司薄板廠，山東　濟南　２５０１０１）
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在該爐群上的應用情況，分
析了氫氣回收的意義及實際取得的成效。
關鍵詞：氫氣回收； 罩式爐； 制氫； ＰＳＡ
中圖分類號：Ｘ７０１．７ 　　　　　　文獻標識碼：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過程中，氫氣被用
作保護氣，因其較高的熱擴散性及良好的還原性，故
而兼顧了傳熱介質和還原劑兩大功能。全氫罩式爐
周期性生產中，除前、后兩次內罩吹掃通入氮氣外，
其余時段均通氫氣，用于吹掃或保壓。通氫期間，除
了約５％氫氣參與物理化學反應而消耗外，９５％仍以
氫氣狀態存在，連同冷軋帶鋼表面蒸發的軋制油、水
蒸汽等雜質成分以廢氫形態排出爐外。多臺全氫罩
式爐組成的爐群連續生產時，將排出大量廢氫。以
往廢氫處理的方式主要有兩種，即回收導入爐罩自
帶廢氫燃燒裝置進行燃燒，或直接排空。前者雖然
能夠避免外排浪費及污染環境，同時可回收廢氫燃
燒熱量降低罩式爐燃耗，但存在燃燒不穩導致爐子
加熱故障率高、燃燒熱量低（因含有水蒸氣、ＣＯ２、Ｎ２
等雜質氣體）、處理故障及堵塞頻次高、強度大等缺
陷；后者則浪費氫氣能源且污染環境。
近幾年，隨著鋼鐵行業產能嚴重過剩、競爭日益
惡劣，加之環保壓力倍增，降低生產能源成本、提高
環保標準不得不成為各大鋼廠高度關注的焦點。因
此，將全氫罩式爐群排出的廢氫氣通過有效、環保的
方式回收利用顯得格外重要，客觀上促進了近些年
罩式爐群氫氣回收技術的發展及應用。
２　氫氣回收的必要性
２．１　原有回收方式弊端
某冷軋廠退火機組共配備全氫罩式爐３９ 座，由
一、二、三爐區組成，該爐群用氫氣（純度９９．９９％以
上）由配套的焦爐煤氣變壓吸附制氫（以下簡稱焦
爐煤氣ＰＳＡ 制氫）機組提供，滿負荷生產狀態下，氫
氣用量約１５ 萬ｍ３ ／ 月。該爐群廢氫采用回收導入
爐罩廢氫燃燒裝置的處理方式，但因其燃燒不穩，導
致廢氫燃燒故障占機組總故障比例高達４０％；單座
爐臺每加熱周期處理故障、清理堵塞等問題耗時約
２ ｈ，強度大且影響產量，爐群月產影響約１ ０００ ｔ。
經統計，回收廢氫熱量對爐子節約燃耗不明顯，不到
５％，回收熱量與其負面影響相比得不償失。總之，
這種回收方式效果差、弊端多，對機組生產及維護強
度均造成較大影響，亟待解決。
萬方數據
２．２　氫氣制造方法及成本
氫氣的制造方法很多， 但在工業應用上主要有
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焦爐煤氣ＰＳＡ 制氫。
無論哪一種方法， 生產成本都比較高；由于變
壓／ 變溫（ＰＳＡ／ ＴＳＡ）氣體分離技術是依靠壓力或溫
度的變化來實現吸附與再生的，因而再生速度快、能
耗低，屬節能型氣體分離技術［２］ 。據了解，焦爐煤
氣ＰＳＡ 制氫成本相對較低，這種方式主要被一定規
模冶金、化工企業具備自產焦爐煤氣的條件下應用，
制造成本一般在３．０～３．５ 元／ ｍ３，適合用氫量大、連
續性高的用戶機組。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，
除去５％爐內反應消耗部分，仍有１３．３ 萬ｍ３ ／ 月氫
氣由爐內排出，而現有回收方式效果差、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，對機組能耗成本影響較大。因此，
采用有效的回收方式至關重要。
２．２．１　氫氣回收方式的選擇
近幾年，國內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總管，直接作為
保護氣使用。
⑵按爐座分散回收，集中凈化、除雜，得到粗氫，
而后并入爐群燃氣供應總管，與燃氣混合后作為燃
料使用。
⑶在爐區廢氫燃燒排放總管處集中回收，集中
凈化、除雜，得到粗氫，而后送至焦爐煤氣ＰＳＡ 制氫
機組原料氣入口，與焦爐煤氣混合后作為制氫原料
氣使用。
三種方式各有優缺點，方式⑴雖然能夠直接回
收作為保護氣，但因就地提純需要配置變壓（或變
溫）吸附提純裝置，介質壓力高，安全性低，設備投
資大，運行成本高；方式⑵雖然不需配置提純裝置，
但因回收氫氣中雜質氣體成分及回收量的波動，直
接影響燃氣熱值穩定，影響爐子燃燒穩定；此外，方
式⑴、⑵均采用了針對單獨爐座的分散回收，因此必
須配置單獨管線、閥門，回收系統與爐子系統連鎖控
制方面必須對接，這方面也勢必增加設備的投資。
相比較而言，方式⑶因采用了集中式的粗回收，
所以在設備投資、運行成本、安全性等方面均優于前
兩種，其關鍵在于借助ＰＳＡ 制氫機組將廢氫予以回
收。由于焦爐煤氣中氫氣體積含量為５５％ ～
６０％［３］ ，按最低５５％計，每回收１ ｍ３ 氫氣相當于減
少焦爐煤氣用量１．８２ ｍ３，從而降低制氫機組焦爐煤
氣消耗，降低制氫成本，但其僅適用于自身配備焦爐
煤氣ＰＳＡ 制氫的情況。根據其特點，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在全氫罩式爐群上的應用　 　 　 １０５
萬方數據
　　在三個爐區的廢氫燃燒排放總管上分別并聯上
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，首先經過管式換熱器將熱廢
氫降溫，同時析出少量油及水；接著進入“螺旋升降
＋Ø４５０ ｍｍ 規整填料捕捉”結構的高效油氣分離器，
脫除廢氫中１５％～２０％的油、水及雜質；再依次進入
過濾精度分別為２０ μ、１０ μ 的遞增式雙級精濾器，
每級精濾又包括初級３０４ 不銹鋼濾芯和精級三合板
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通過自身重力沉降至底部搜集
槽，定期排出。經此兩級過濾可脫除廢氫中５０％ ～
５５％的油、水及雜質。而后進入２ 組規格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２０ 目不銹鋼絲網管道過濾器，與吸
附器一起完成廢氫精脫步驟，將剩余油、水及雜質脫
至５％以內，得到相對潔凈的廢氫（主要含Ｎ２、ＣＯ２、
ＣｎＨｍ 等雜質氣體）。廢氫通過兩臺（一用一備）變
頻蘿茨風機加壓至０．０４～０．０４５ ＭＰａ 向后輸送。
加壓后因溫度升高，故先經過管式冷卻器降溫，
接著再次進入活性炭吸附器凈化除雜，為去除廢氫
中的氧氣，接著進入反應溫度在６５～７５ ℃的鈀觸媒
除氧器，使得氧與氫氣充分反生成水，達到除氧目
的；除氧器出來的廢氫經冷卻降溫，進入列管式冷凝
器進行深度除水，使凈化廢氫露點達到－２０ ℃以下，
以避免廢氫在后續輸送中產生凝結水。冷凝器后又
設計了氣水分離器，以實現廢氫最終精除水，得到凈
化廢氫。經冷凝及氣水分離后的低溫凈化廢氫最后
進入管式換熱器，與剛進入回收裝置、來自爐區的熱
廢氫進行熱交換，達到冷卻熱廢氫的目的。最后得
到干燥潔凈的凈化廢氫，凈化廢氫經緩沖罐，由管道
輸送至焦爐煤氣ＰＳＡ 制氫機組原料氣入口，再經調
壓閥（為適應焦爐煤氣端壓力）、止逆閥（防止焦爐
煤氣逆向）等裝置后原料焦爐煤氣總管匯合，實現
回收。
為確保回收系統運行安全性，在三個爐區的三
支廢氫回收管始端設計了氧含量、壓力檢測及連鎖
控制，當檢測到回收廢氫氧超標或壓力不足時，系統
自動切斷回收，打開燃燒放散管，避免超標氧進入回
收裝置或抽真空進入空氣。在吸附器管道過濾器出
口再次設置了氧含量檢測連鎖，確保進入蘿茨加壓
風機的廢氫氧含量不超標。為確保蘿茨加壓風機運
行穩定、安全，在其前端布置了緩沖罐及止逆閥，同
時配置自適應旁通支路。
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，從運行半年多情況看，效果良好。
⑴該系統投用后，關閉了原廢氫燃燒系統，其故
障率直接降為０，同時大幅降低了處理故障、堵塞方
面的維護強度。
⑵全氫罩式爐機組總故障率平均下降約４２％，
爐群產量平均提升１１００ ｔ／ 月，增加產量收益約３３
萬元／ 月（噸鋼冷軋退火板收益保守按３００ 元計）。
⑶除去因指標不合、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１０ 萬ｍ３ ／ 月。經檢測，該
凈化廢氫中氫氣含量平均可達９０％，即回收純氫氣
９ 萬ｍ３ ／ 月，折合制氫機組原料焦爐煤氣約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，因雜質少、潔凈度高，
送入焦爐煤氣ＰＳＡ 制氫機組作為原料氣使用后，機
組產氫率提高約１２％，煤壓機運行故障率降低約
１０％，吸附塔、預處理塔內各類填料壽命延長約
２５％。
總之，該粗法氫氣回收投用后，不僅提高了爐群
產量、降低生產成本，而且降低了設備運行故障率、
延長了耗材使用壽命。
３　存在的問題及建議
這一粗法氫氣回收系統運行過程中，因爐群排
出的廢氫中油類、雜質較多，所以運行一段時間后，
回收系統精濾器、吸附塔及管道過濾器等會被堵塞，
影響回收系統運行穩定性及回收氫氣潔凈度。建議
根據運行規律，結合各部件堵塞特點，制定有效的清
理、更換周期，以實現堵塞之前能夠預先處理，保證
系統穩定運行。
參考文獻：
［１］　劉俊懷．氫氣回收技術在金堆城鉬業集團有限公司的
應用［Ｊ］．中國鉬業，２００７，３１（６）：５１-５２．
［２］　崔廣才．焦爐煤氣制氫及氫氣精制工藝總結［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：冶金工業出
版社，２００４．
收稿日期：２０１７-０５-１０
作者簡介：劉成群（１９８２- ），男，學士。主要從事的工作和研究方向：
鋼鐵行業冷軋全氫罩式退火爐、平整、精整生產技術管理，研究方向：
冷軋全氫罩式退火、連續退火技術及節能。
１０６ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 甘　 肅　 冶　 金　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 第３９

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