冷軋鋼板熱處理用氮氫混合尾氣回收提純的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于軋鋼生產(chǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種從軋鋼連退爐放空尾氣中回收制備高純氣的裝置，即冷軋鋼板熱處理用氮氫混合尾氣回收提純循環(huán)利用的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]氮氣、氫氣是化工原材料和新型的清潔能源，在冶金工業(yè)中，氮氣是連鑄、連軋、鋼材退火的保護氣；轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹氮煉鋼，轉(zhuǎn)爐煉鋼的密封，高爐爐頂?shù)拿芊猓郀t煉鐵煤粉噴吹用氣等；在金屬熱處理中，以氮氣味基本成份的氮基氣氛熱處理，是為了節(jié)能、安全、不污染環(huán)境和充分利用自然資源的一種新科技、新工藝。業(yè)已表明，幾乎所有的熱處理工藝，包括淬火、退火，滲碳、碳氮共滲、軟氮化及復(fù)碳等工藝都可以采用氮基氣氣氛來完成，所處理的金屬零件在質(zhì)量上可與傳統(tǒng)的吸熱式氣氛處理相媲美。目前，我國軋鋼企業(yè)均是能耗大戶，他們的氮氣來源都基于空分，由于空分制氮需要耗用大量的電能，而我國的電價對于企業(yè)來說負擔(dān)較重，加上國家對企業(yè)能耗的要求和國內(nèi)節(jié)能減排大環(huán)境，都加速了節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展?；厥盏奈矚庋h(huán)再利用也可為企業(yè)節(jié)省產(chǎn)品成本，降低了企業(yè)能耗，這些均為冶金企業(yè)的發(fā)展提供穩(wěn)定的發(fā)展空間。
[0003]目前鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)排放的尾氣中含有大量濃度很高的氮氣，一般情況下，N2>95%，H2:3%-5%，其余為二氧化碳、硫化氫及氧氣和水等，但由于沒有提純循環(huán)利用裝置，只能排放到大氣中，白白的浪費掉了。
[0004]由于冷軋的生產(chǎn)過程復(fù)雜，其中的主要生產(chǎn)部件連退爐對氣體壓力、純度等條件要求很高，特別是氮氣純度要達到99.9999%以上，這就要求回收系統(tǒng)需要可靠、穩(wěn)定的與其配合使用，回收凈化系統(tǒng)不但只是對尾氣進行提純，還要穩(wěn)定的控制連退爐中的壓力，這就使得目前國內(nèi)外對該行業(yè)的尾氣回收利用都沒有好的解決辦法。而對高純氮的制備方法根據(jù)原料來源的不同有多種方法，其中常用的主要有以下幾種。
[0005]I)深冷空分法:
[0006]深冷空分制氮是一種傳統(tǒng)的制氮方法，已有近幾十年的歷史。它是以空氣為原料，經(jīng)過壓縮、凈化，再利用熱交換使空氣液化成為液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸點不同(在I大氣壓下，前者的沸點為-183°C，后者的為-196°C )，通過液空的精餾，使它們分離來獲得氮氣。深冷空分制氮設(shè)備復(fù)雜、占地面積大，基建費用較高，設(shè)備一次性投資較多，運行成本較高，產(chǎn)氣慢(12?24h)，安裝要求高、周期較長。綜合設(shè)備、安裝及基建諸因素，3500Nm3/h以下的設(shè)備，相同規(guī)格的PSA裝置的投資規(guī)模要比深冷空分裝置低20%?50%。深冷空分制氮裝置宜于大規(guī)模工業(yè)制氮，得到體積分?jǐn)?shù)為99.99% -99.999% 的高純氮。
[0007]這也是目前國內(nèi)大多數(shù)鋼鐵企業(yè)采用的一種傳統(tǒng)的制氮方法，其采用的技術(shù)和設(shè)備大多從國外幾家大的氣體公司如法液空、林德、梅塞爾等引進。
[0008]2)變壓吸附法(PSA):
[0009]變壓吸附是利用氣體組分在吸附劑上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力變化的原理，通過周期性的壓力變化過程實現(xiàn)氣體的分離。技術(shù)具有能耗低，產(chǎn)品純度高，工藝流程相對簡單，預(yù)處理要求低，操作方便可靠，自動化程度高等優(yōu)點，在氣體分離領(lǐng)域得到廣泛使用。
[0010]PSA法制氮，可用空氣為原料，根據(jù)工藝路線不同，可不經(jīng)預(yù)處理一步得到高純氮，或者經(jīng)過簡單預(yù)處理后再經(jīng)吸附塔精制，凈化后產(chǎn)品體積分?jǐn)?shù)可在99.0%-99.999%范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。PSA技術(shù)的主要缺點是凈化氣純度較低、回收率較低，約80%左右。
[0011]以上幾種方法只是限于對較純凈(純度大于99.9% )以上進行凈化，而連退爐尾氣組分較為復(fù)雜，氮、氫氣純度較低，同時需對回收氣進行精確的壓力控制，這就要求以上任何一種方法均不能滿足要求。比如:低溫吸附法投資大，使用范圍受限。對原料預(yù)處理要求高，生產(chǎn)過程能耗高，投資大。一般采用鈀催化劑脫氧和分子篩吸附干燥以除去原料氫中大部分氧、一氧化碳、水等雜質(zhì)。
[0012]針對上述高純氣生產(chǎn)工藝和方法的不足，結(jié)合連退爐工業(yè)尾氣原料特點，研制出一種新的從軋鋼工業(yè)放空尾氣中回收制備高純氣的方法，無疑對突破軋鋼工業(yè)尾氣開發(fā)利用的技術(shù)瓶頸具有積極的社會意義和商業(yè)價值。
【實用新型內(nèi)容】
[0013]本實用新型的目的是針對軋鋼工業(yè)尾氣特點，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供了一種新的從軋鋼工業(yè)放空尾氣中回收制備高純氣的裝置。
[0014]具體技術(shù)方案如下:
[0015]一種從軋鋼熱處理工業(yè)放空尾氣中回收制備高純氣的裝置，根據(jù)連退爐放空尾氣中主要含有的氧和水的含量，本實用新型采用一級增壓、除油除塵、二級增壓、催化脫氧、水冷卻、終端凈化、回流氣控制前端管道壓力的技術(shù)路線。
[0016]氮氫混合氣先經(jīng)過熱交換、水冷卻器冷卻到接近常溫，然后進入前置處理器，把尾氣中的油類物質(zhì)、乳化劑、固體顆粒、液態(tài)水等進行前級脫除，以免對后續(xù)管道閥門、增壓風(fēng)機造成影響；
[0017]然后進入前置緩沖罐，經(jīng)高壓風(fēng)機增壓，使氣體壓力升到0.03Mpa—0.05Mpa，進入到儲氣過濾分離罐；
[0018]最后進入氣體凈化設(shè)備，經(jīng)過壓縮和儲氣罐的氮氫混合氣，進入氣體凈化設(shè)備進行純化，先經(jīng)過催化脫氧器，在脫氧催化劑作用下，使混合氣中的絕大部分氧和氫反應(yīng)生成水；然后經(jīng)過水冷卻器把氣體溫度降到常溫；最后經(jīng)終端脫氧干燥器，把氣體中的二氧化碳、水、氧深度脫除，使氣體中氧和二氧化碳的含量降到Ippm以下，露點達到_76°C以下，再生氣由產(chǎn)品氣引出一小部分而成，再生尾氣經(jīng)水冷卻器冷卻和氣水分離器分水后，進入前置緩沖罐。
[0019]產(chǎn)品氣經(jīng)過濾器、流量計和調(diào)壓穩(wěn)壓閥送至氮氫混合站配比后送入爐前。
[0020]該方法為自動控制運行的連續(xù)生產(chǎn)裝置，流量:300-6000Nm3/h，無氧純度^ 99.999%，殘存雜質(zhì)中 02< lppm, CO2^ lppm，露點彡-76°C。
[0021]連退爐凈化回收系統(tǒng)包括以下幾個部分:
[0022]I)凈化系統(tǒng):包括水冷卻器、一級增壓風(fēng)機、除塵除水器、二級增壓風(fēng)機、分水器、、催化脫氧器、水冷卻器和分水器及干燥吸附塔等組成。
[0023]2)自動控制系統(tǒng):包括中心控制單元、在線氧分析儀、自動調(diào)節(jié)閥和相關(guān)儀表。
[0024]3)壓力穩(wěn)定控制系統(tǒng):包括PLC控制單元、流量計、壓力傳感器、電動調(diào)節(jié)閥和相關(guān)儀表。
[0025]工藝流程為:
[0026]原料尾氣先經(jīng)水冷卻器冷卻后，經(jīng)一級增壓風(fēng)機，使設(shè)備能更加穩(wěn)定運行。進入前置處理器，把尾氣中的固體顆粒、液態(tài)水等進行前級脫除，以免對后續(xù)管道閥門、壓縮機造成影響，兩臺前置處理器一個在工作，一個在再生備用，再生氣用氮氣，再生尾氣排放到放空總管；之后進入前置緩沖罐，前置緩沖罐可以緩沖前后工序帶來的壓力波動，穩(wěn)壓后的氣體進入二級增壓風(fēng)機增壓，使氣體壓力升到0.03Mpa—0.05Mpa，以維持工藝氣體所需要的動力，并使后續(xù)工序能更好的運行。同時為了保持連退爐中壓力的穩(wěn)定防止把前置緩沖罐的壓力抽成負壓而產(chǎn)生安全隱患和損壞連退爐，增壓風(fēng)機出口增設(shè)調(diào)節(jié)回流旁路，通過PLC自動控制和壓縮機變頻技術(shù)保證前級工序的壓力穩(wěn)定；壓縮后的混合氣經(jīng)過氣水分離器后，進入到后置儲氣罐。經(jīng)過后置緩沖罐的氣體進入催化脫氧器，在催化脫氧塔中將氧和氫催化生成水，反應(yīng)如下:
[0027]1/202+Η2— H 20+Q (129C)
[0028]反應(yīng)同時放出熱量，出口氣經(jīng)水冷卻到接近常溫后，經(jīng)過分水器送入吸附干燥塔，深度脫除氣體中殘余的微量氧、水、二氧化碳等雜質(zhì)，脫除深度為lppm。
[0029]產(chǎn)品氣經(jīng)過濾器、氣體穩(wěn)壓閥后并入連退爐前端配氣系統(tǒng)，循環(huán)使用。
[0030]本實用新型中，所述脫氧塔中裝填的催化脫氧劑使用貴金屬催化劑。作為所述貴金屬催化劑，一般使用鉑族催化劑，可以使用常規(guī)催化劑制備方法制備，例如用浸漬、噴涂等方法將活性組分擔(dān)載到載體上，經(jīng)過焙燒制成。也可以使用大連中鼎化學(xué)技術(shù)的專利催化脫氧劑CTC-1型貴金屬催化劑(活性組份為鈀，載體為氧化鋁，活性組份占載體重量的0.2%?0.5% )。
[0031]使用貴金屬催化劑時，尾氣氫氣中的氧氣與氫氣在貴金屬催化劑的作用下反應(yīng)生成水和熱量，不需要消耗額外能量。
[0032]對反應(yīng)溫度沒有特別限制，可控制在50?350°C的范圍內(nèi)。但從節(jié)約能耗及減小高溫副反應(yīng)的角度出發(fā)，優(yōu)選將反應(yīng)溫度控制在50?150°C的范圍內(nèi)。
[0033]本實用新型還優(yōu)選吸附干燥制備高純氣的方式:催化脫氧過程產(chǎn)生的水，經(jīng)水冷分水后，進入終端脫水塔吸附脫水。所述吸附干燥塔(長徑比:3-10:1)，內(nèi)裝填分子篩(市售3A、4A、5A均可)和高效脫氧吸附劑，設(shè)有A/B 2臺脫水塔，交替作業(yè)。填料的再生采用電加熱，再生溫度200-350°C。采用內(nèi)加熱方式將氣體中02、H20、C02、等雜質(zhì)純化至ppm級。
[0034]該方法可以使所得到的產(chǎn)品氣無氧純度達99.999%?99.9999%，回收率可高達95%。
[0035]本實用新型還優(yōu)選反流氣壓力控制方式:采取將部分加壓后的氣體循環(huán)回去以穩(wěn)定連退爐中的壓力，從而保障連退爐安全運行。
[0036]本實用新型還優(yōu)選如下措施:設(shè)備的控制系統(tǒng)配以防爆電動調(diào)節(jié)閥和溫度控制器，可實現(xiàn)對返回氣流量的全自動控制，并具有運行、故障顯示和超溫報警功能，整個系統(tǒng)功能先進，性能可靠；進脫氧塔前混合氣和產(chǎn)品氣中的氧含量由在線氧分析儀器連續(xù)分析，并具有超量報警功能，保障裝置安全運行。
[0037]作為具體方式，以尾氣中的氧氣含量小于0.5%的情形進行說明，例如可為如下方式:
[0038]經(jīng)二級增壓風(fēng)機加壓后進入到混合氣凈化裝置的入口，進一步提純，同時在二級風(fēng)機出口通過回流管道，經(jīng)PLC單元精確計算，調(diào)整循環(huán)比(入口氣量/返回的入口氣量)使前端尾氣的壓力達到滿意程度(一般為O?150mbar左右)。
【附圖說明】
[0039]圖1為冷軋鋼板熱處理用氮氫混合尾氣回收提純循環(huán)利用裝置的工藝流程圖，其中:I為冷軋生產(chǎn)用氮氣總管，2為冷軋生產(chǎn)用氫氣總管，3為氮氫混合器，4為連續(xù)式熱處理爐，5為第一水冷卻器，6為一級增壓風(fēng)機。7A/B為除塵過濾器，8為前置緩沖罐