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一种粗法氢气回收技术在全氢罩式炉群上的应用

文档作者：刘成群文档来源：山东钢铁济钢集团有限公司薄板厂		点击数：	更新时间： 2025年05月18日
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第３９ 卷第４ 期
２０１７ 年８ 月
甘　肃　冶　金
ＧＡＮＳＵ　ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．４
Ａｕｇ．，２０１７
文章编号：１６７２-４４６１（２０１７）０４-０１０４-０３
一种粗法氢气回收技术在全氢罩式炉群上的应用
刘成群
（山东钢铁济钢集团有限公司薄板厂，山东　济南　２５０１０１）
摘　要：阐述了全氢罩式炉群原有氢气回收方式的弊端，介绍了一种粗法氢气回收技术在该炉群上的应用情况，分
析了氢气回收的意义及实际取得的成效。
关键词：氢气回收； 罩式炉； 制氢； ＰＳＡ
中图分类号：Ｘ７０１．７ 　　　　　　文献标识码：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
在冷轧全氢罩式炉退火生产过程中，氢气被用
作保护气，因其较高的热扩散性及良好的还原性，故
而兼顾了传热介质和还原剂两大功能。全氢罩式炉
周期性生产中，除前、后两次内罩吹扫通入氮气外，
其余时段均通氢气，用于吹扫或保压。通氢期间，除
了约５％氢气参与物理化学反应而消耗外，９５％仍以
氢气状态存在，连同冷轧带钢表面蒸发的轧制油、水
蒸汽等杂质成分以废氢形态排出炉外。多台全氢罩
式炉组成的炉群连续生产时，将排出大量废氢。以
往废氢处理的方式主要有两种，即回收导入炉罩自
带废氢燃烧装置进行燃烧，或直接排空。前者虽然
能够避免外排浪费及污染环境，同时可回收废氢燃
烧热量降低罩式炉燃耗，但存在燃烧不稳导致炉子
加热故障率高、燃烧热量低（因含有水蒸气、ＣＯ２、Ｎ２
等杂质气体）、处理故障及堵塞频次高、强度大等缺
陷；后者则浪费氢气能源且污染环境。
近几年，随着钢铁行业产能严重过剩、竞争日益
恶劣，加之环保压力倍增，降低生产能源成本、提高
环保标准不得不成为各大钢厂高度关注的焦点。因
此，将全氢罩式炉群排出的废氢气通过有效、环保的
方式回收利用显得格外重要，客观上促进了近些年
罩式炉群氢气回收技术的发展及应用。
２　氢气回收的必要性
２．１　原有回收方式弊端
某冷轧厂退火机组共配备全氢罩式炉３９ 座，由
一、二、三炉区组成，该炉群用氢气（纯度９９．９９％以
上）由配套的焦炉煤气变压吸附制氢（以下简称焦
炉煤气ＰＳＡ 制氢）机组提供，满负荷生产状态下，氢
气用量约１５ 万ｍ３ ／ 月。该炉群废氢采用回收导入
炉罩废氢燃烧装置的处理方式，但因其燃烧不稳，导
致废氢燃烧故障占机组总故障比例高达４０％；单座
炉台每加热周期处理故障、清理堵塞等问题耗时约
２ ｈ，强度大且影响产量，炉群月产影响约１ ０００ ｔ。
经统计，回收废氢热量对炉子节约燃耗不明显，不到
５％，回收热量与其负面影响相比得不偿失。总之，
这种回收方式效果差、弊端多，对机组生产及维护强
度均造成较大影响，亟待解决。
万方数据
２．２　氢气制造方法及成本
氢气的制造方法很多， 但在工业应用上主要有
以下几种。
⑴水电解制氢。
⑵氨分解制氢。
⑶天然气变压吸附制氢［１］ 。
⑷焦炉煤气ＰＳＡ 制氢。
无论哪一种方法， 生产成本都比较高；由于变
压／ 变温（ＰＳＡ／ ＴＳＡ）气体分离技术是依靠压力或温
度的变化来实现吸附与再生的，因而再生速度快、能
耗低，属节能型气体分离技术［２］ 。据了解，焦炉煤
气ＰＳＡ 制氢成本相对较低，这种方式主要被一定规
模冶金、化工企业具备自产焦炉煤气的条件下应用，
制造成本一般在３．０～３．５ 元／ ｍ３，适合用氢量大、连
续性高的用户机组。其余三种制造成本更高，且不
适合大用量氢气用户。
该厂罩式炉群氢气用量平均按１４ 万ｍ３ ／ 月计，
除去５％炉内反应消耗部分，仍有１３．３ 万ｍ３ ／ 月氢
气由炉内排出，而现有回收方式效果差、弊端多，如
不能有效回收这部分利用后的氢气，将造成大量氢
气能源成本损失，对机组能耗成本影响较大。因此，
采用有效的回收方式至关重要。
２．２．１　氢气回收方式的选择
近几年，国内兴起的冷轧全氢罩式炉群氢气回
收方式主要有以下几种。
⑴按炉座分散回收，集中净化、除杂，就地提纯，
得到高纯氢，而后并入炉群氢气供应总管，直接作为
保护气使用。
⑵按炉座分散回收，集中净化、除杂，得到粗氢，
而后并入炉群燃气供应总管，与燃气混合后作为燃
料使用。
⑶在炉区废氢燃烧排放总管处集中回收，集中
净化、除杂，得到粗氢，而后送至焦炉煤气ＰＳＡ 制氢
机组原料气入口，与焦炉煤气混合后作为制氢原料
气使用。
三种方式各有优缺点，方式⑴虽然能够直接回
收作为保护气，但因就地提纯需要配置变压（或变
温）吸附提纯装置，介质压力高，安全性低，设备投
资大，运行成本高；方式⑵虽然不需配置提纯装置，
但因回收氢气中杂质气体成分及回收量的波动，直
接影响燃气热值稳定，影响炉子燃烧稳定；此外，方
式⑴、⑵均采用了针对单独炉座的分散回收，因此必
须配置单独管线、阀门，回收系统与炉子系统连锁控
制方面必须对接，这方面也势必增加设备的投资。
相比较而言，方式⑶因采用了集中式的粗回收，
所以在设备投资、运行成本、安全性等方面均优于前
两种，其关键在于借助ＰＳＡ 制氢机组将废氢予以回
收。由于焦炉煤气中氢气体积含量为５５％ ～
６０％［３］ ，按最低５５％计，每回收１ ｍ３ 氢气相当于减
少焦炉煤气用量１．８２ ｍ３，从而降低制氢机组焦炉煤
气消耗，降低制氢成本，但其仅适用于自身配备焦炉
煤气ＰＳＡ 制氢的情况。根据其特点，方式⑶适合该
厂炉群氢气回收。
２．２．２　氢气回收方法
该厂采取的集中式粗法氢气回收工艺流程见图
１。
图１　全氢罩式炉群集中式粗法氢气回收工艺流程
第４ 期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 刘成群：一种粗法氢气回收技术在全氢罩式炉群上的应用　 　 　 １０５
万方数据
　　在三个炉区的废氢燃烧排放总管上分别并联上
回收管路，三支回收管路汇总后将压力１．５～３．５ ｋＰａ
的废氢送入回收装置，首先经过管式换热器将热废
氢降温，同时析出少量油及水；接着进入“螺旋升降
＋Ø４５０ ｍｍ 规整填料捕捉”结构的高效油气分离器，
脱除废氢中１５％～２０％的油、水及杂质；再依次进入
过滤精度分别为２０ μ、１０ μ 的递增式双级精滤器，
每级精滤又包括初级３０４ 不锈钢滤芯和精级三合板
滤芯两道过滤，可大大提高过滤精度及效率。蓄积
在滤芯中的油及杂质通过自身重力沉降至底部搜集
槽，定期排出。经此两级过滤可脱除废氢中５０％ ～
５５％的油、水及杂质。而后进入２ 组规格Ø６ ｍｍ、碘
值１０００ ｍｇ／ ｇ 的活性炭吸附器（一用一备），吸附器
出口紧接着串联２０ 目不锈钢丝网管道过滤器，与吸
附器一起完成废氢精脱步骤，将剩余油、水及杂质脱
至５％以内，得到相对洁净的废氢（主要含Ｎ２、ＣＯ２、
ＣｎＨｍ 等杂质气体）。废氢通过两台（一用一备）变
频萝茨风机加压至０．０４～０．０４５ ＭＰａ 向后输送。
加压后因温度升高，故先经过管式冷却器降温，
接着再次进入活性炭吸附器净化除杂，为去除废氢
中的氧气，接着进入反应温度在６５～７５ ℃的钯触媒
除氧器，使得氧与氢气充分反生成水，达到除氧目
的；除氧器出来的废氢经冷却降温，进入列管式冷凝
器进行深度除水，使净化废氢露点达到－２０ ℃以下，
以避免废氢在后续输送中产生凝结水。冷凝器后又
设计了气水分离器，以实现废氢最终精除水，得到净
化废氢。经冷凝及气水分离后的低温净化废氢最后
进入管式换热器，与刚进入回收装置、来自炉区的热
废氢进行热交换，达到冷却热废氢的目的。最后得
到干燥洁净的净化废氢，净化废氢经缓冲罐，由管道
输送至焦炉煤气ＰＳＡ 制氢机组原料气入口，再经调
压阀（为适应焦炉煤气端压力）、止逆阀（防止焦炉
煤气逆向）等装置后原料焦炉煤气总管汇合，实现
回收。
为确保回收系统运行安全性，在三个炉区的三
支废氢回收管始端设计了氧含量、压力检测及连锁
控制，当检测到回收废氢氧超标或压力不足时，系统
自动切断回收，打开燃烧放散管，避免超标氧进入回
收装置或抽真空进入空气。在吸附器管道过滤器出
口再次设置了氧含量检测连锁，确保进入萝茨加压
风机的废氢氧含量不超标。为确保萝茨加压风机运
行稳定、安全，在其前端布置了缓冲罐及止逆阀，同
时配置自适应旁通支路。
２．２．３　氢气回收效果及意义
该厂自２０１６ 年下半年投用这一粗法氢气回收
系统，从运行半年多情况看，效果良好。
⑴该系统投用后，关闭了原废氢燃烧系统，其故
障率直接降为０，同时大幅降低了处理故障、堵塞方
面的维护强度。
⑵全氢罩式炉机组总故障率平均下降约４２％，
炉群产量平均提升１１００ ｔ／ 月，增加产量收益约３３
万元／ 月（吨钢冷轧退火板收益保守按３００ 元计）。
⑶除去因指标不合、回收装置检修耽搁等因素
而无法回收的废氢（放散燃烧处理） 外，回收率约
７５％，净化废氢回收量达１０ 万ｍ３ ／ 月。经检测，该
净化废氢中氢气含量平均可达９０％，即回收纯氢气
９ 万ｍ３ ／ 月，折合制氢机组原料焦炉煤气约１６．３６ 万
ｍ３ ／ 月，降低制氢成本约９．８ 万元／ 月。
⑷回收得到的净化废氢，因杂质少、洁净度高，
送入焦炉煤气ＰＳＡ 制氢机组作为原料气使用后，机
组产氢率提高约１２％，煤压机运行故障率降低约
１０％，吸附塔、预处理塔内各类填料寿命延长约
２５％。
总之，该粗法氢气回收投用后，不仅提高了炉群
产量、降低生产成本，而且降低了设备运行故障率、
延长了耗材使用寿命。
３　存在的问题及建议
这一粗法氢气回收系统运行过程中，因炉群排
出的废氢中油类、杂质较多，所以运行一段时间后，
回收系统精滤器、吸附塔及管道过滤器等会被堵塞，
影响回收系统运行稳定性及回收氢气洁净度。建议
根据运行规律，结合各部件堵塞特点，制定有效的清
理、更换周期，以实现堵塞之前能够预先处理，保证
系统稳定运行。
参考文献：
［１］　刘俊怀．氢气回收技术在金堆城钼业集团有限公司的
应用［Ｊ］．中国钼业，２００７，３１（６）：５１-５２．
［２］　崔广才．焦炉煤气制氢及氢气精制工艺总结［Ｊ］．河南
化工，２０１１，２８（１９）：４８-５０．
［３］　韩昭沧．燃料及燃烧（第２ 版）［Ｍ］．北京：冶金工业出
版社，２００４．
收稿日期：２０１７-０５-１０
作者简介：刘成群（１９８２- ），男，学士。主要从事的工作和研究方向：
钢铁行业冷轧全氢罩式退火炉、平整、精整生产技术管理，研究方向：
冷轧全氢罩式退火、连续退火技术及节能。
１０６ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 甘　 肃　 冶　 金　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 第３９

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