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发表人：doerygl |
发表时间：2009/9/19 10:31:00 |
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| 本栏论题： |
工业电炉---保护气氛装置（氨分解制氢炉 制氮机） [3489] |
带钢连续热镀锌生产线的保护气系统优化
（苏州杜尔气体化工装备有限公司，江苏 苏州 215133）
摘要：碳分子筛变压吸附制氮和氨分解制氢的保护气系统已广泛用于新建1米以上宽带钢连续热镀锌生产线。采用该系统可以大大节省设备投资和操作费用，使用方便，安全可靠，保护气的质量也能充分保证。
本文除了讨论镀锌生产线的保护气工艺流程的优化，还详细地阐述碳分子筛制氮机、氨分解炉、氮气纯化装置、配气装置和安全系统等设备的优化问题，可供带钢热镀锌生产企业和有关人士参考。
关键词：带钢热镀锌、保护气、碳分子筛制氮、氨分解制氢
带钢连续热镀锌生产线，我国已从依赖进口到完全独立自主开发。因此，近年来国内新建1米以上宽带钢镀锌线就有几十条，形成十分可喜的局面。原来镀锌卷板在国内属短线产品，一直供不应求。这批新建的镀锌带钢生产线全部投产后，预计国内镀锌带钢的年生产能力将超过1000万吨。
在上世纪80年代我们就配合国内冶金部北京钢铁研究总院等单位，开发带钢热镀锌生产线配套保护气体系统。保护气在热镀锌生产线中也是重要环节之一。保护气体系统的投资费用，一般要占整个生产线设备投资的10%以上。保护气体设备的可靠性直接影响到镀锌线的正常运行；保护气体的质量，也直接影响到镀锌带钢生产的合格率。带钢热镀锌在带钢进入锌锅前，先要通过充保护气体的光亮热处理炉，保护气体为高纯氮氢混合气体。以往高纯氮气主要来自深冷空分氮气或液氮贮槽蒸发氮气；高纯氢气主要来自水电解氢气。在1992年我们曾与冶金部北京钢铁设计总院合作设计制造，采用碳分子筛变压吸附制氮装置和氨分解制氢装置的氮氢保护气体系统（参见图1）。
图1 镀锌生产线的保护气体系统
采用该系统大大减少了设备投资和操作费用（参见表1）。
表1 不同来源的氮气、氢气费用比较。
氮气来源 钢瓶氮气 液氮 变压吸附现场制氮
自购设备 租赁设备
普氮 纯氮 高纯氮 纯氮 普氮 高纯氮 普氮 高纯氮
氮气费元/m3 2~3 5 10 1.8~2.5 0.5 0.7 1.5 2.5
普氮纯度99.5%，纯氮99.99%，高纯氮99.999%。
氢气来源 钢瓶氢气 现场制氢
氨分解制氢 水电解制氢
普氢 高纯氢 普氢 高纯氢 普氢 高纯氢
氢气费用
元/m3 4.8 12 1 1.2 3 4
由上可见采用变压吸附碳分子筛现场制氮和氨分解现场制氢的费用最低。以每小时耗费氮氢气体300标立方为例，采用现场制氮和制氢，每年所需费用仅为200万元左右，而市售液氮如水电解制氢的保护气费用至少600万元以上。
目前国内已基本上公认采用碳分子筛变压吸附制氮和氨分解制氢的保护气系统，可以大大节省投资和操作费用，使用方便，安全可靠，保护气的质量也能充分保证。近两年来，我们已为20多条1米以上宽带钢连续热镀锌生产线提供保护气系统。
典型的装置照片如下：
液氨储罐（参见图1）。
氨分解装置（参见图2）。
碳分子筛制氮机（参见图3）。
氮气纯化装置（参见图4）。
图1 液氨储槽
图2 氨分解装置
图3 PSA制氮机
图4 氮气纯化装置
在工艺路线方面采用碳分子筛变压吸附制氮和氨分解制氢设备优化了镀锌生产线的保护气系统。同时，我们在设备的设计制造方面亦不断地进行优化。
一、氨分解制氢装置优化：
用钢瓶液氨为原料，通过氨分解炉很容易得到含H275%，N225%的高纯氢氮混合气，其中杂质O2＜1ppm，残NH3＜1ppm，D.P.＜-70℃是一种优良的金属热处理保护气。由于氨分解制氢装置的投资少，液氨原料容易得到，制氢能耗小，成本低，操作安全方便，在国内得到了广泛的应用。为了适合于镀锌线的使用，我们采取了下列优化措施：
1、用液氨贮槽提供原料，以氨分解制氢装置75Nm3/h为例。每天需耗液氨720Kg，选用10m3液氨贮槽，可盛液氨5000kg，因此可以连续工作一周（七天），即每周灌充一次液氨，比较省事（参见图5）。
图5 液氨储槽示意图
2、用氨调压阀控制氨分解炉的工作压力为0.05Mpa~0.1Mpa，分解压力低，有利于氨彻底分解，并提高了裂解炉胆的使用寿命。
3、裂解炉胆采用310S（即Cr25Ni20Si2）耐热不锈钢材质，在800~850℃工作温度下，正常情况下可使用5年左右。炉胆的结构采用了带有上、下封头的列管式，此属国内外首创（参见图6）。
图 6 氨分解炉胆
催化剂采用含镍14%以上的镍触媒，抗压强度＞300N/粒，空速＞1000hr-1，工作温度800~850℃时，残氨量＜100ppm。
4、纯化器用高纯氮气吹扫再生，既节省了氨气，又提高了纯化效果。纯化器Ⅰ组工作，同时Ⅱ组再生，二组24小时交替工作和再生。根据用户需要，可采用PLC可编程控制器进行自动操作。
5、为了保证安全起见，在氨减压阀前后，设有高低压氨安全阀，防爆型高低压电接点氨压力表。高压表高位报警，表示液氨贮槽温度太高；低位报警，表示液氨接近耗尽，急需补充。低压表高位报警表示减压阀调节失灵；低位报警表示裂解炉胆泄漏。裂解炉的工作温度通过SCR和PID自动控制，并用二支热电偶，二只温控仪，一路用于测量和控制炉温，另一路用于监测和超温报警。
6、为了保证设备的长期连续供气，氨分解制氢装置的裂解炉部分往往采用二用一备或一用一备。裂解炉出现故障时，有一只备用，可以停炉维修，不影响正常使用。
二、碳分子筛变压吸附制氮装置的优化
目前国内外生产碳分子筛变压吸附制氮机的厂家不少，变压吸附制氮技术日益提高，设备不断完善。因此近年来虽有液氮贮罐和膜分离制氮等现场制氮的竞争，由于碳分子筛性能的提高和自动阀寿命达到百万次以上，碳分子筛变压吸附制氮机的设备投资少，能耗低，自动操作，运行可靠等优点，仍然被用户优先选择（典型的碳分子筛制氮机工艺流程图见图7）。为了适合于镀锌线的使用，我们采用了下列优化措施。
压缩空气作为制氮的原料，由于活塞式空压机噪声大，需要经常维修等缺陷，现在大都选用螺杆式空压机。因为无油螺杆式空压机价格太高，用户多数选择少油螺杆式空压机。该空压机新买来时，压缩空气中含油量可在3ppm以下，可是随使用时间增加，含油量往往会明显增加。虽然我们在空压机后面配置了冷凝干燥机和3至4级过滤器等，仍然难免会造成对碳分子筛的污染。因此，我们一再提醒用户必须定期检查和更换螺杆式空压机内和净化系统中各级过滤器的滤芯。我们也会给用户提供一定的备件。
图7 碳分子筛制氮机工艺流程图
2、碳分子筛是制氮机的关键，要求碳分子筛强度好，产氮量和氮气纯度高。参见表3，可见不论是进口还是国产的碳分子筛的质量都在不断提高。
表3 国内外碳分子筛的性能
生产厂家 主要材料 产氮量
l/Kg•h 氮气纯度% 回收率%
德国Carbotech公司 天然煤质 ＞185 99.5 ＞35.2
日本武田株式会社 天然椰壳 ＞190 99.5 ＞38.3
日本钟纺株式会社 合成树脂 ＞185 99.5 ＞32
浙江海华化工厂 合成树脂 180~200 99.5 ＞32.0
浙江中泰分子筛有限公司 合成树脂 180~200 99.5 ＞36.0
浙江科博分子筛有限公司 合成树脂 180~200 99.5 ＞36.0
以上数据由生产厂家提供，由于测试设备和条件不同，不作比较，仅供参考。
对于碳分子筛的选用，我们一方面根据用户的需要，另一方面根据现场实测进行比较，择优选用。即使同一厂家，不同批号的碳分子筛往往也有相当的差别。
3、切换阀门也是制氮机的关键，要求阀门的切换速度快，气密性好，寿命长等，一般要求阀门开关寿命在百万次以上。实际上我们的阀门都可以用好几年，非常可靠。通径100mm以下采用气动薄膜阀或柱塞阀；100mm以上采用自动蝶阀。目前所有气动阀门包括配套的电磁阀，全部采用原装进口的阀门。为了保证阀门的气密性，密封面的加工都很精细。过去由于我们在容器管道焊接后，未能彻底吹扫清除焊渣，往往金属和焊渣屑会损坏阀门的密封面。现在我们引起重视后，制氮机开车前，管道都经过反复冲洗，因此，镀锌线的制氮机开车都是一次成功的。
4、吸附塔的结构，包括径高比，气流分布和碳分子筛的装填压紧方式等对制氮机的性能也有很大的影响。关于碳分子筛的的压紧很重要，否则吸附塔内频繁的压力摆动会使碳分子筛产生相对运动，很快磨损，变成粉末。压紧问题上我们采用过气缸活塞压紧，弹簧机械压紧，和多孔弹性材料垫的人工压紧等，现在终于得到了圆满的解决。
5、阀门的切换都采用PLC可编程控制器进行自动控制，工作周期大都设定在120秒，其中吸附58秒，解吸58秒，平衡2秒，也可根据碳分子筛性能和工艺要求进行调整。短周期产氮量高，长周期回收率高。PLC可编程控制器我们都选用进口原装的名牌。为了与用户设备匹配，可以选用日本三菱、欧姆龙、德国西门子和美国AB公司等品牌。氮气纯度的连续分析检测，要求正确，灵敏和可靠，能长期连续工作，我们亦选用进口传感器的氧分析仪，使用寿命有明显提高。
6、为了保证镀锌线长期连续生产，制氮机的配置都采用二用一备或一用一备的方案。
三、氮气纯化装置优化。
镀锌线用保护气体要求纯度高，用变压吸附制氮机配套氮气纯化装置，采用加氢催化除氧和吸附干燥的方法，设备简单可靠，纯化效果好，很容易使氮气中杂质氧降至1ppm以下，露点达到－70℃以下，其纯度超过深冷空分和市售高纯氮气。为了满足镀锌线的要求，我们采取了下列优化措施：
1、氮气纯化装置采用高效钯催化剂，可以使氮气纯度由98%一步纯化到99.9995%以上，因此可以降低对原料氮气的要求，从而大大降低制氮的设备投资和操作能耗，可以选用小功率空压机和尽量减少碳分子筛用量。
2、氮气纯化装置采用加氢催化除氧的方法。对于氢气的加入有三种方案：一是用低压氨分解氢，通过氢压机增压至氮气纯化工作压力0.5~0.7Mpa；二是专门用一台压力氨分解炉使分解气压力达到0.5Mpa左右；三是把原料氮气降压至0.05Mpa，直接用低压氨分解氢进行催化除氧后，再把氮气增压至0.7Mpa左右。目前我们大都采用第一种方案（参见图11）。
图11 用膜压机的氮氢气增压系统
3、在高温炉中水汽具有强氧化性，因此保护气中水份应充分除去，氮气纯化装置中可采用冷凝干燥和吸附干燥 |
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