CN111589299A - 一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统及方法，该系统包括连续退火炉、冷却器、放散烟囱、催化脱氧器、吸附再生式干燥装置、膜分离器；连续退火炉的保护气排出口通过分支管道分别连接冷却器和放散烟囱，分支管道上设有控制阀门，冷却器的出气口与催化脱氧器的进气口相连，催化脱氧器的出气口与吸附再生式干燥装置的进气口相连，吸附再生式干燥装置的出气口与膜分离器的进气口相连，膜分离器内设有中空纤维聚砜复合膜。该发明将氮氢保护气经降温、除氧、干燥处理后，通过膜分离技术对氮氢保护气进行氮氢分离，得到富氢混合气可再次回收利用，从而避免了保护气直接点燃放散，大大节省了能源，降低了轧钢工序成本，促进钢铁厂节能减排。

Description

一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统及方法
技术领域
本发明属于轧钢退火炉氮氢保护气回收利用技术领域，具体涉及一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统及方法。
背景技术
冷轧钢板在连续退火炉内退火过程中需要通入氮气和氢气的混合气体作为保护气，使连续退火炉内保持微正压并维持还原气氛，以防止钢板在高温下被空气氧化，并可以调节钢材性能。氢气是一种重要的二次能源，由于氮氢混合气通常氢气含量低（通常为3-5%），所以氮氢保护气利用后通常不回收利用，而是通过放散烟囱点燃放散，这不仅浪费了能源，也增加了轧钢工序的成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有连续退火炉排出的氮氢保护气直接点燃放散，造成能源浪费及增加轧钢工序成本的问题。
为此，本发明提供了一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统，包括连续退火炉、冷却器、放散烟囱、催化脱氧器、吸附再生式干燥装置、膜分离器；所述连续退火炉的保护气排出口通过两个分支管道分别连接冷却器和放散烟囱，所述分支管道上设有控制阀门，所述冷却器的出气口与所述催化脱氧器的进气口相连，所述催化脱氧器的出气口与所述吸附再生式干燥装置的进气口相连，所述吸附再生式干燥装置的出气口与所述膜分离器的进气口相连，所述膜分离器内设置有用于分离氮氢混合气的中空纤维聚砜复合膜。
进一步的，上述轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统还包括氮氢混合器，所述氮氢混合器的进气口通过富氢混合气管道与所述膜分离器的出气口连接，氮氢混合器的出气口与所述连续退火炉的保护气进气口相连，所述氮氢混合器的进气口还连接有分别用于外接氢气和氮气的两个进气管道，且该进气管道上设有流量调节阀。
进一步的，所述富氢混合气管道上设有用于实时测量气体流量的流量监测仪，以及实时测量气体中含氢浓度的成分监测仪。
进一步的，所述冷却器和催化脱氧器之间设有气体压缩机。
进一步的，所述吸附再生式干燥装置包括多个依次交替运行的吸附干燥单元和脱附再生单元。
进一步的，上述轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统还包括储气罐，所述储气罐的进气端与所述膜分离器的废气排出口相连，所述储气罐的出气端与所述吸附再生式干燥装置的进气端相连，所述吸附再生式干燥装置的出气端与所述放散烟囱相连。
另外，本发明还提供了一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离方法，包括如下步骤：
1)连续退火炉刚启动或非正常工作时，关闭连续退火炉与冷却器之间的控制阀门，开启连续退火炉与放散烟囱之间的控制阀门，使连续退火炉排出的氮氢保护气直接通过放散烟囱点燃放散；
2)连续退火炉稳定运行时，关闭连续退火炉与放散烟囱之间的控制阀门，开启连续退火炉与冷却器之间的控制阀门，使连续退火炉排出的氮氢保护气进入冷却器冷却至40～50℃；
3)经步骤2)冷却后的混合气体进入催化脱氧器除氧，使其出口混合气体中含氧5ppm以下；
4)经步骤3)除氧后的混合气体进入吸附再生式干燥装置进行干燥处理，使经干燥后的混合气体含水量低于13ppm；
5)经步骤4)干燥后的混合气体进入膜分离器中进行分离，富氢混合气通过中空纤维聚砜复合膜由膜分离器的出气口排出，膜分离器中剩余废气从废气排出口。
进一步的，膜分离器的出气口排出的富氢混合气通入氮氢混合器中，同时向氮氢混合器中通入氢气和氮气，使氮氢混合器中得到设计的氮氢保护气的流量和浓度，再将氮氢混合器中混合后的气体通入连续退火炉中作氮氢保护气循环利用。
进一步的，膜分离器的废气排出口排出的废气通过储气罐作为吸附再生式干燥装置的再生气体，再通过放散烟囱点燃放散。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统中连续退火炉排出的氮氢保护气经降温、除氧、干燥处理后，通过选定对氢气和氮气通过能力不同的膜对氮氢保护气进行氮氢分离，得到富氢混合气可再次回收利用，从而避免了保护气直接点燃放散，大大节省了能源，降低了轧钢工序成本，促进钢铁厂节能减排。
(2)本发明提供的这种轧钢退火炉的氮氢保护气分离方法利用膜分离技术对氮氢保护气中氢气分离，其前期净化预处理工艺过程控制简单，而且此分离技术得到的富氢混合气中含氢量达到40～50%，膜分离器中剩余废气含氢量在0.3%以下，大大提高了氮氢保护气中氢气的利用率。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统的结构示意图。
附图标记说明：1、连续退火炉；2、控制阀门；3、分支管道；4、冷却器；5、放散烟囱；6、气体压缩机；7、吸附再生式干燥装置；8、储气罐；9、膜分离器；10、富氢混合气管道；11、催化脱氧器；12、进气管道；13、流量调节阀；14、氮氢混合器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，本实施例提供了一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统，包括连续退火炉1、冷却器4、放散烟囱5、催化脱氧器11、吸附再生式干燥装置7和膜分离器9；所述连续退火炉1的保护气排出口通过两个分支管道3分别连接冷却器4和放散烟囱5，所述分支管道3上设有控制阀门2，通过控制阀门2控制排出的氮氢保护气进入后续的氮氢分离过程或是进入放散烟囱5点燃放散；其中，在后续的氮氢分离过程中，所述冷却器4的出气口与所述催化脱氧器11的进气口相连，经过冷却器4冷却降温后的氮氢保护气进入催化脱氧器11，氮氢保护气中的少量氧气和氢气催化反应产生水，从而除去氮氢保护气中的氧气，所述催化脱氧器11的出气口与所述吸附再生式干燥装置7的进气口相连，除氧后的氮氢保护气进入吸附再生式干燥装置7进行干燥除水，所述吸附再生式干燥装置7的出气口与所述膜分离器9的进气口相连，所述膜分离器9内设置中空纤维聚砜复合膜（图中未标示），干燥后的氮氢保护气进入膜分离器9中，由于氮氢保护气中氢气比氮气更容易通过中空纤维聚砜复合膜而生成富氢混合气，富氢混合气中含氢量达到40～50%（其余为氮气），实现氮氢混合气中氢气的分离回收，从而避免了保护气直接点燃放散，大大节省了能源，降低了轧钢工序成本，促进钢铁厂节能减排。
细化的实施方式，所述冷却器4和催化脱氧器11之间设有气体压缩机6，冷却降温后的氮氢保护气通过气体压缩机6增压后再进入催化脱氧器11中除氧，其中气体压缩机6出口压力为0.8MPa。所述吸附再生式干燥装置7包括多个依次交替运行的吸附干燥单元和脱附再生单元，由于吸附再生式干燥装置7为现有装置，故其具体结构此处不再赘述。
对于上述分离回收后的富氢混合气，将其通入氮氢混合器14中实现部分氢气回用，具体的，所述氮氢混合器14的进气口通过富氢混合气管道10与所述膜分离器9的出气口连接，膜分离器9中得到的富氢混合气通过富氢混合气管道10进入氮氢混合器14中，同时所述氮氢混合器14的进气口还连接有分别用于外接氢气和氮气的两个进气管道12，且该进气管道12上设有流量调节阀13，氮氢混合器14的出气口与所述连续退火炉1的保护气进气口相连，通过流量调节阀13调节外接氢气和氮气的流量，使富氢混合气与外接通入的氢气和氮气混合得到设计的氮氢保护气再次通入连续退火炉1中，完成氢气的回收循环利用，节省了能源。优化的，所述富氢混合气管道10上设有流量监测仪和成分监测仪（图中未标示），用于实时测量膜分离器9排出的富氢混合气的流量和含氢浓度，以便精确调节氮氢混合器14上外接氢气和氮气的流量。
对于上述膜分离后剩余的废气，将其通过储气罐8作为吸附再生式干燥装置7的再生气体，最后通过放散烟囱5点燃放散，具体的，所述储气罐8的进气端与所述膜分离器9的废气排出口相连，所述储气罐8的出气端与所述吸附再生式干燥装置7的进气端相连，所述吸附再生式干燥装置7的出气端与所述放散烟囱5相连，其中吸附再生式干燥装置7的进气端和出气端均设置阀门进行控制流量。
本发明中，由于采用膜分离技术对氮氢混合气进行分离，其膜分离效率与进入分离的氮氢混合气工艺条件（压力、水含量、氧气含量）存在很大影响，因而需对氮氢混合气的前期预处理进行严格控制，以保证氮氢混合气在膜分离器中的分离效果。
中空纤维聚砜复合膜分离效率和速率都与氮氢混合气的压力相关，压力越大氮氢分离越快，分离效率也越高，这是因为压力越高氢气和氮气通过分离膜的速率越大，且两者速率之差也越大，但是承压越高的中空纤维膜的成本越高，经多次试验发明工作压力为0.8MPa的分离膜，能达到轧钢加热炉的工艺要求也比较经济。
由于水蒸汽能与中空纤维聚砜复合膜形成氢键而存留在膜上，导致膜的分离效率下降，所以必须除去氮氢混合气中水分；经多次试验发现当水蒸汽低至13ppm以下时，因为水蒸汽分压极低，通过扩散效应能保证分离膜上不存留水蒸汽分子，这样在整个膜的生命周期里不至于因为水分而造成膜的分离效率下降。
氧气对中空纤维聚砜复合膜具有氧化破坏作用，试验发现当氧气含量低于5ppm时，基本不影响复合膜的寿命。
运用上述分离系统对轧钢退火炉的氮氢保护气进行回收循环利用的具体过程如下：
在连续退火炉1刚启动或非正常工作时，关闭连续退火炉1与冷却器4之间的控制阀门2，开启连续退火炉1与放散烟囱5之间的控制阀门2，使连续退火炉1排出的氮氢保护气直接通过放散烟囱5点燃放散。
在连续退火炉1稳定运行时，首先，关闭连续退火炉1与放散烟囱5之间的控制阀门2，开启连续退火炉1与冷却器4之间的控制阀门2，使连续退火炉1排出的氮氢保护气进入冷却器4冷却至40～50℃；然后，将冷却后的混合气体进入催化脱氧器11除氧，使其出口混合气体中含氧5ppm以下；再将除氧后的混合气体进入吸附再生式干燥装置7进行干燥处理，使经干燥后的混合气体含水量低于13ppm；最后，将干燥后的混合气体进入膜分离器9中进行分离，富氢混合气通过中空纤维聚砜复合膜由膜分离器9的出气口排出，膜分离器9中剩余废气从废气排出口。
以上举例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统，其特征在于：包括连续退火炉、冷却器、放散烟囱、催化脱氧器、吸附再生式干燥装置、膜分离器；所述连续退火炉的保护气排出口通过两个分支管道分别连接冷却器和放散烟囱，所述分支管道上设有控制阀门，所述冷却器的出气口与所述催化脱氧器的进气口相连，所述催化脱氧器的出气口与所述吸附再生式干燥装置的进气口相连，所述吸附再生式干燥装置的出气口与所述膜分离器的进气口相连，所述膜分离器内设置有用于分离氮氢混合气的中空纤维聚砜复合膜。
2.如权利要求1所述的一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统，其特征在于：还包括氮氢混合器，所述氮氢混合器的进气口通过富氢混合气管道与所述膜分离器的出气口连接，氮氢混合器的出气口与所述连续退火炉的保护气进气口相连，所述氮氢混合器的进气口还连接有分别用于外接氢气和氮气的两个进气管道，且该进气管道上设有流量调节阀。
3.如权利要求2所述的一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统，其特征在于：所述富氢混合气管道上设有用于实时测量气体流量的流量监测仪，以及实时测量气体中含氢浓度的成分监测仪。
4.如权利要求1所述的一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统，其特征在于：所述冷却器和催化脱氧器之间设有气体压缩机。
5.如权利要求1所述的一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统，其特征在于：所述吸附再生式干燥装置包括多个依次交替运行的吸附干燥单元和脱附再生单元。
6.如权利要求1所述的一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离系统，其特征在于：还包括储气罐，所述储气罐的进气端与所述膜分离器的废气排出口相连，所述储气罐的出气端与所述吸附再生式干燥装置的进气端相连，所述吸附再生式干燥装置的出气端与所述放散烟囱相连。
7.一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)连续退火炉刚启动或非正常工作时，关闭连续退火炉与冷却器之间的控制阀门，开启连续退火炉与放散烟囱之间的控制阀门，使连续退火炉排出的氮氢保护气直接通过放散烟囱点燃放散；
2)连续退火炉稳定运行时，关闭连续退火炉与放散烟囱之间的控制阀门，开启连续退火炉与冷却器之间的控制阀门，使连续退火炉排出的氮氢保护气进入冷却器冷却至40～50℃；
3)经步骤2)冷却后的混合气体进入催化脱氧器除氧，使其出口混合气体中含氧5ppm以下；
4)经步骤3)除氧后的混合气体进入吸附再生式干燥装置进行干燥处理，使经干燥后的混合气体含水量低于13ppm；
5)经步骤4)干燥后的混合气体进入膜分离器中进行分离，富氢混合气通过中空纤维聚砜复合膜由膜分离器的出气口排出，膜分离器中剩余废气从废气排出口。
8.如权利要求7所述的一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离方法，其特征在于：膜分离器的出气口排出的富氢混合气通入氮氢混合器中，同时向氮氢混合器中通入氢气和氮气，使氮氢混合器中得到设计的氮氢保护气的流量和浓度，再将氮氢混合器中混合后的气体通入连续退火炉中作氮氢保护气循环利用。
9.如权利要求7所述的一种轧钢退火炉的氮氢保护气分离方法，其特征在于：膜分离器的废气排出口排出的废气通过储气罐作为吸附再生式干燥装置的再生气体，再通过放散烟囱点燃放散。
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