智能氢气回收系统在光亮炉保护气回收中的应用

孙伟

摘 要：随着我国生态文明建设的不断推进，对行业、产业、企业环保问题的管控力度持续加大，各行业需要在保证产品质量的同时采用节能技术，减少生产过程对生态环境的不良影响。同时，随着工业自动化发展，智能控制技术在各个领域中的应用更加广泛，能够有效缩短产品生产流程，降低生产成本，是各行业现代化发展的必备“利器”。文章以不锈钢冷轧板生产为例，以其关键设备--光亮炉为核心，设计一种能够回收并循环利用氢气的智能氢气和回收系统，实现不锈钢冷轧板生产的降本增效。

关键词：智能氢气回收系统;光亮炉;保护气;氢气

光亮炉是不锈钢光亮板生产中的关键核心设备，其使用氢气作为不锈钢板退火阶段的保护气，在此过程中需要耗费大量的氢气，是不锈钢冷轧板生产中主要的成本来源。当前部分冷轧板生产企业已经开始注重光亮炉保护气的回收与循环利用，但由于氢气回收系统智能化、自动化程度不足，导致氢气回收效率较低、回收过程安全性差、回收成本过高。为此，不锈钢冷轧板生产企业亟需使用先进的智能氢气回收系统，解决当前氢气回收中存在的问题。下文以宁波宝新不锈钢有限公司为例，分析智能氢气回收系统在光亮炉保护气回收中的应用。

1 智能氢气回收系统的组成及工作原理

1.1 智能氢气回收系统的组成

智能氢气回收系统主要包括四个基本组成部分：回收过滤装置（活性炭过滤器、纸质过滤器）、增压和冷却装置（罗茨风机）、除氧吸附装置（分子筛吸附器、除氧器）、管道系统（新鲜氢气输入管道、混合氢气排放管道、氢气回收管道等）。

1.2 智能氢气回收系统的原理

宁波宝新不锈钢公司在不锈钢冷轧板生产退火线中采用了奥地利EBNER公司设计生产的立式马弗炉，使用过的氢气从光亮退火炉机组排除，首先经过活性炭过滤器，该装置能够去除混合气体中灰尘、油污等杂质;其次，经过初步净化的氢气经过纸质过滤器，该装置能够进一步清除混合气体中的灰尘与油污;再次，混合氢气经过罗茨风机，该装置能够加大气体的压力，增压后的气体与新鲜氢气进行充分混合;隨后，与新鲜氢气混合后的增压气体进入除氧装置，除去混合气体中的氧气;最后，气体经过分子筛吸附器，主要用于除去气体中的水分以及小分子的杂质气体。完成所有的回收程序后，净化后的氢气纯度完全符合国家的技术标准，能够再次投入不锈钢冷轧板的生产中，作为光亮退火炉的保护气。

为了能够保证智能氢气回收系统安全、稳定、持续运行，在回收过滤、回收管路进口、罗茨风机、新鲜氢气补充四处设置了智能控制检测装置。

其一，在智能氢气回收系统中装配了两套过滤装置组合（活性炭+纸质过滤），在每一套活性炭过滤及纸质过滤装置上及进出口设置了自动切换阀、压变送器、自动吹扫管路。压差变送器安装在过滤装置上，实时监测系统的压差，一旦压降超过预先设定的标准，系统自动切换阀打开，自动更换过滤装置。同时，在系统启动及停止后，自动氮气吹扫开始，将过滤装置中残留的气体清扫干净。

其二，在回收管路进口设置氢含量检测系统、两个气动切断阀。氢含量检测装置会检测到达回收管入口处氢气的浓度，如果符合回收标准，气动切断阀打开，氢气进入回收装置;如果氢气浓度不达标，气动切断阀关闭。

其三，在罗茨风机除设置旁路管道，连接水冷却器和自动流量调节阀，用来控制氢气回流量来保证系统的压力和流量的稳定。

其四，在新鲜氢气补充处设置流量计以及自动流量调节阀，按照退火质量标准自动调整新鲜氢气补充量。

2 智能氢气回收系统在光亮炉保护气回收中的应用

2.1 智能氢气回收系统在安全保护中的应用

氢气具有密度小的物理特性，同时具有易燃、易爆炸的化学特性，氢气纯度不足时，一旦遇到火源就会引起爆炸事故，因此在系统启动及关闭过程中，要保证管路系统中没有残留的氢气。

智能氢气回收系统具有安全联锁控制的功能。以智能氢气回收系统启动过程为例，当系统接收到启动指令后，气动控制阀打开，开始利用氮气吹扫第一套过滤装置，当氮气的流量、吹扫时间等达到相应的条件后吹扫结束，第一套过滤装置的前后气动阀打开，可以投入运行。同时，为了保证系统运行的安全性，在系统上设置了温度、压力、氢气浓度等检测仪表，当氢气到达光亮炉回收管道入口时检测氢气的浓度，不仅能保证氢气纯度满足生产工艺的要求，还能避免因氢气纯度不足引发爆炸事故。此外，在增压机出口设置了微量氧检测仪、压力开关、热电阻。微量氧检测仪能够检测氧含量，当氧含量超标时启动自动吹扫。压力开关可以检测氢气压力，防止负压形成空气进入管道。热电阻能够检测氢气温度，当温度超标时自动切断增压机电源，以避免引发安全事故。

2.2 智能氢气回收系统在控制氢气回收比例中的应用

在不锈钢冷轧板生产过程中，光亮炉需要使用一定量的新鲜氢气，一方面弥补回收氢气的不足，另一方面要保证炉内氢气的纯度。而上述两种新鲜氢气的补充量要根据实际情况进行调整。因此，智能氢气回收系统充分考虑光亮炉对新鲜空气的需求，设计了回收氢气与新鲜氢气混合比例控制功能，腰轮流量计安装在氢气回收出口管道和新鲜氢气管道上，热阻和压力变送器分别安装在两组管道上。测量管道中氢气的温度和压力，并通过软件计算流量的温度和压力补偿，以确保流量测量的准确性。另外，在新鲜氢气管道上设置有流量控制阀，该流量控制阀可以根据通过操作设定的混合比自动调节阀开度，以达到预定混合比。

例如，如果操作员在HMI操作站上将混合比设置为50%，则PLC将通过测量计算出的新鲜H2流量除以混合后在出口主管中由H2气体流量计18测得的总流量。当比例大于50%时，PID控制器将自动减小新鲜H2流量调节阀的开度，直到达到50%。相反，增加新鲜氢的开度和流速以使回收率稳定在50%。50%的回收率意味着使用光亮退火炉的氢消耗的50%，并且氢消耗减少了50%，这大大降低了生产成本。

2.3 智能氢气回收系统在控制压力中的应用

智能氢气回收系统是光亮炉的辅助系统，因此其应服务于光亮炉，并不能妨碍光亮炉的正常运行，而智能氢气回收系统中的罗茨风机抽压过大，则会导致光亮炉压力不稳定。因此，需要强化对增压机出口压力的控制。如图1所示，当打开系统增压机出口阀后可选择手动操作或自动操作，如果选择自动操作，增压机出口阀则切换为自动模式，当增压机启动、过滤器吹扫完毕并投入运行后，系统会根据预先设定的增压机出口压力允许波动范围检测增压机出口压力是否满足要求，例如设定增压机出口压力波动范围是1.5kPa，此时实际压力为28.6kPa，表示增压机出口压力满足要求，增压机切断阀打开，系统不再重新判别，增压机根据其上装有的温度、压力等检测系统自动调整压力。

3 结束语

智能氢气回收系统能够应用于光亮炉保护气回收的安全联锁控制、混合比例控制及压力控制中，不仅能保障光亮炉氢气回收过程的安全性、稳定性、持续性，还能有效提高氢气回收率，以此降低不锈钢冷轧板生产成本，促进企业可持续发展。

参考文献：

[1]王庆强，许云东，李丹柯.光亮退火炉氢气回收技术[J].中国仪器仪表，2017（02）：34-37.

[2]曹杰.基于PLC的光亮退火炉控制系统设计[D].上海：华东理工大学，2015.

[3]罗明，骆素珍.光亮退火过程中氢气露点对430BA板耐蚀性的影响[J].宝钢技术，2013（05）：37-42.