CN212024771U

CN212024771U - 钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统

Info

Publication number: CN212024771U
Application number: CN202020751826.2U
Authority: CN
Inventors: 周礼; 汪然; 罗仕林
Original assignee: Chengdu Huaxitang Environmental Protection Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Huaxitang Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-09
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2030-05-09

Abstract

本实用新型公开钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，属于废气回收再利用技术领域。在本技术方案中，包括将原料废气压缩和降温的压缩单元、脱除原料废气中杂质的预处理单元、将氢气纯化的变压吸附单元及脱氧塔，压缩单元与钢厂退火炉的原料废气连接，压缩单元与预处理单元连接，预处理单元与变压吸附单元连接，变压吸附单元与脱氧塔连接，压缩单元、预处理单元、变压吸附单元和脱氧塔之间形成保护气体回收制取的通路。实现对钢厂退火炉保护气体使用后（即原料废气）的分离纯化，并制得高纯氢，不仅有效的节约资源，降低能耗；而且，将废气处理后再利用，降低了对环境的压力。

Description

钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统

技术领域

本实用新型涉及钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，尤其涉及一种钢厂退火炉保护气体使用后的废气制取高纯氢系统，属于废气回收再利用技术领域。

背景技术

钢厂退火炉广泛用于有色金属和黑色金属的光亮退火产品领域，其使用的保护气一般由H₂和N₂组成，其中，氢气含量包括5%、25%、75%及100%，氢气含量越高，加热速率和冷却速率越高，同时，工件内部和外部的温度分布更均匀；且氢气密度低，可大幅降低单位能耗，此外有助于提高金属表面的清洁度。

目前，但由于高氢及全氢退火炉在我国应用有限，配套提供高纯氢气对一般用户有一定局限性，故常将使用后的保护气体（即废气）直接排放或烧掉，这造成极大的资源浪费，以及增加了环境压力。

于2012年09月05日公开了一种公开号为CN102653815A，名称为“镜面板退火炉保护气回收循环利用装置”的专利文献，其中，公开：镜面板退火炉排出的保护气尾气-氮氢混合气，经降温、淋洗除尘、冷却除水、增压、除油、除氧、除水、除氮等净化处理后，得到的净化氢气重新作为保护气进入镜面板退火炉循环使用，降低了氢气的使用成本。不仅如此，吸附再生式干燥装置中每个装置单元的再生气的排出口与捕集罐的进口相连接，这样吹扫再生后的气体进入捕集罐，重新进行降温、淋洗除尘、冷却除水、增压、除油、除氧、除水、除氮的净化处理，这样该保护气回收循环利用装置实现了氢气零排放，做到了真正意义上的节能减排。

于2018年01月02日公开了一种公开号为CN206823371U，名称为“一种罩式退火炉的尾气回收净化及循环利用系统”的专利文献，其中，公开：包括顺次连接设置的第一冷凝装置、前级油气分离装置、氢气压缩装置、后级油气分离装置、第二冷凝装置、除氧装置、变压吸附装置、氧气测试仪、露点仪及氢气纯度仪。该实用新型所述的尾气回收净化系统不仅能够完全除去尾气中的油气，并且该实用新型所述的尾气回收系统由于不含淋洗装置，而是借助于两级冷凝器和两级油气分离装置除去气体中的粉尘颗粒，故而该实用新型无需单独设置除水装置，由此可大幅降低设备的投资成本。

此外，公开号为CN1754004（公开日为2006年03月29日）的专利文献公开“从处理炉废气中回收氢气的装置及方法”，以及公开号为CN110917740A（公开号为2020年03月27）的专利文献公开了“无取向硅钢卧式连续退火炉烟回收再利用系统”。

但现有技术还存在的技术问题为：涉及的设备占地面积广、结构复杂，回收工艺中能耗高，且废气处理效率较低，所得氢气产品纯度较低，不能较好的适应于现有生产。

发明内容

本实用新型旨在克服现有技术的不足，而提出了钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统。在本技术方案中，通过压缩单元、预处理单元、变压吸附单及脱氧塔等设置，实现对钢厂退火炉保护气体使用后（即原料废气）的分离纯化，并制得高纯氢，这不仅有效的节约资源，降低能耗；而且，将废气处理后再利用，降低了对环境的压力。

为了实现上述技术目的，提出如下的技术方案：

钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，包括将原料废气压缩和降温的压缩单元、脱除原料废气中杂质的预处理单元、提高氢气浓度的变压吸附单元及脱氧塔，压缩单元进气口与钢厂退火炉的原料废气出口连接，压缩单元出气口与预处理单元进气口连接，预处理单元出气口与变压吸附单元进气口连接，变压吸附单元出气口与脱氧塔进气口连接，压缩单元、预处理单元、变压吸附单元和脱氧塔之间形成保护气体回收制取的通路。

优选的，所述压缩单元与钢厂退火炉之间设置有原料缓冲罐，用于缓冲自钢厂退火炉中收集的原料废气，提高制取高纯氢工艺的稳定性和可控性。

优选的，所述钢厂退火炉与原料缓冲罐之间设置有原料冷却器，将来自PSA系统的原料废气进行冷却，为原料废气进入制取高纯氢系统做准备，保证制取工艺的稳定性和可控性。

优选的，所述压缩单元包括压缩机，压缩机上部设有进气口，下部设有出气口；压缩机连接有高压电机，若功率低于200kW，采用低压电机，进而保证原料废气气源压力稳定。

优选的，所述压缩机为螺杆式压缩机或活塞式压缩机，能较好的适应于原料废气特点和便于维护等。

优选的，所述预处理单元包括用于脱除原料废气中有机物杂质的除油塔，除油塔进气口与压缩单元连接，除油塔出气口与变压吸附单元连接；除油塔进气口设置在除油塔下部，除油塔出气口设置在除油塔上部。

优选的，所述预处理单元还包括预处理吸附塔和加热器，预处理吸附塔进气口与除油塔连接，预处理吸附塔出气口与变压吸附单元连接，将经除油塔处理后的气体进一步吸附处理，提高气源纯度，并为变压吸附单元做预处理；加热器设置在预处理吸附塔与变压吸附单元之间，预处理吸附塔、加热器及变压吸附单元依次连接，加热器将变压吸附单元中的解吸气加热，并输送至预处理吸附塔，经预处理吸附塔吸附处理，消除有害气体，进而保证解吸气可直接向外界排放，而不污染环境。

优选的，所述变压吸附单元包括吸附塔，吸附塔进气口与预处理单元连接；吸附塔进气口设置在吸附塔下部，吸附塔出气口设置在吸附塔上部。

优选的，所述变压吸附单元还包括产品缓冲罐、顺放气缓冲罐和解吸气缓冲罐，产品缓冲罐进气口与吸附塔出气口连接，产品缓冲罐出气口与脱氧塔连接；顺放气缓冲罐与吸附塔连接，顺放气缓冲罐与吸附塔之间形成顺放气的循环通路；解吸气缓冲罐与吸附塔连接，解吸气缓冲罐还与预处理单元连接。

优选的，所述产品缓冲罐包括产品缓冲罐Ⅰ和产品缓冲罐Ⅱ，产品缓冲罐Ⅰ进气口与吸附塔出气口连接，产品缓冲罐Ⅰ出气口与脱氧塔进气口连接，脱氧塔出气口与产品缓冲罐Ⅱ进气口连接，且脱氧塔与产品缓冲罐Ⅱ之间设置有产品冷却器。由于脱氧塔中的脱氧工序是放热过程（会使温度升高30-100℃，具体随氧含量而对应变化），若脱氧塔直接连接后端的PSA系统（常温吸附），则必须有降温换热工序，否则严重影响工艺的稳定性和安全性等，因此，此处产品冷却器的设置，较好解决该问题。

优选的，所述产品缓冲罐Ⅱ与钢厂退火炉连接，或者，产品缓冲罐Ⅱ与氢气压缩机连接，经压缩后灌装外售，以作他用，比如：燃料电池制备工艺。

在本技术方案的预处理塔和处理塔中，主要吸附H₂O、N₂、CO₂、CH₄、CO、酸性物质等杂质。

在本技术方案中，涉及的原料缓冲罐、原料冷却器、压缩机、除油塔、预处理吸附塔、加热器、吸附塔、产品缓冲罐、顺放气缓冲罐、解吸气缓冲罐、脱氧塔及产品冷却器等的数量，可根据实际情况而设定；对于数量为多个的设备的连接方式，可根据需求进行并联或串联；同时，根据实际情况需求（比如：安全性和可控性要求等），设备之间的管道上设置阀门的数量、位置和之类，比如：气动高性能程控截止阀。

对于所得高纯氢产品：H₂≥99.99 mol％，N₂＜5ppm，O₂＜1ppm，CO＜1ppm，CO₂＜1ppm，CH₄＜1ppm；压力大于0.7MPaG；

对于经预处理吸附塔处理后的解吸尾气，其压力和热值稳定，且尾气压力不低于0.03MPaG。

采用本技术方案，带来的有益技术效果为：

1）在本实用新型的制取高纯氢系统中，所涉及到的各处理单元中死空间小，气体分布好，且气体流通性畅通，减小重量空速，增加处理量，确保了本系统的可靠性；同时，各单元的连接及工位的设置，能保证有效组分的回收率和纯度，并还保证了回收工艺的安全性、可控性和适应性；

2）在本实用新型中，压缩单元提高原料废气气源压力（比如：0.8MPa）和降低原料废气气源温度（比如：40℃），该处低温的设置，便于后续预处理吸收塔吸附微量杂质气体；预处理单元主要脱除气源中的有机物杂质，且一方面为变压吸附单元做预处理工作，另一方面处理变压吸附单元中的解吸气，消除有害气体，进而保证解吸气可直接向外界排放，而不污染环境；变压吸附单元进一步提高高纯氢气产品的浓度，满足和适应于高纯氢气产品的进一步利用。并且，压缩单元、预处理单元、变压吸附单元和脱氧塔之间形成保护气体回收制取的通路，实现高纯氢制取工艺的稳定性、可控性和可操作性；

3）在本实用新型中，压缩单元与钢厂退火炉之间设置有原料缓冲罐，原料缓冲罐的设置，缓冲自钢厂退火炉中收集的原料废气，保证后续制取工艺的可操作性，并有效提高制取高纯氢工艺的稳定性和可控性；

4）在本实用新型中，钢厂退火炉与原料缓冲罐之间设置有原料冷却器，将来自PSA系统的原料废气进行冷却，为原料废气进入制取高纯氢系统做准备，保证制取工艺的稳定性和可控性；

5）在本实用新型中，压缩单元包括压缩机，压缩机将原料废气压缩和降温。其中，压缩机为螺杆式压缩机，能较好的适应于原料废气特点和便于维护等；压缩机连接有高压电机，保证原料废气气源压力稳定；

6）在本实用新型中，预处理单元包括除油塔，除油塔脱除原料废气中有机物杂质，防止后续预处理吸附塔及变压吸附单元吸附塔中的吸附剂中毒（吸附剂的活性具有极性，吸附剂被油、烃类等饱和后，不能解吸而为永久吸附）。预处理单元还包括将预处理吸附塔和加热器，预处理吸附塔一方面将经除油塔处理后的气体作进一步吸附处理，提高气源纯度，并为变压吸附单元做预处理工作，另一方面预处理吸附塔吸附处理变压吸附单元中的解吸气，消除其中的有害气体，进而保证解吸气可直接向外界排放，而不污染环境，同时，该变压吸附解吸尾气压力和热值稳定，且压力不低于0.03MPaG，较好的保证了排放工序的进行；加热器对变压吸附单元中的解吸气进行换热，使得其更好的适应于预处理吸附塔，进而提高预处理吸附塔的工作效率和质量，且高温下解吸杂质气体，实现吸附剂重复使用，以及实现微量杂质气体的脱除；

7）在本实用新型中，变压吸附单元包括吸附塔，吸附塔进一步纯化经预处理单元后的气体（主要是氢气，含有极少的杂质），除去氢气中的氮气、有机物及水分，提高氢气浓度。变压吸附单元还包括产品缓冲罐、顺放气缓冲罐和解吸气缓冲罐，产品缓冲罐缓冲经吸附塔处理后的高纯氢产品，提高后续工艺的稳定性，保证所制取高纯氢的有序利用；顺放气缓冲罐和解吸气缓冲罐保证系统中的气流稳定，同时，保证对吸附塔的顺放、逆放、冲洗等工序的连续性，从而保证解吸气的稳定性；

8）在本实用新型中，产品缓冲罐包括产品缓冲罐Ⅰ和产品缓冲罐Ⅱ，以及脱氧塔与产品缓冲罐Ⅱ之间设置有产品冷却器，由于脱氧塔中的脱氧工序是放热过程（会使温度升高30-100℃，具体随氧含量而对应变化），若脱氧塔直接连接后端的PSA系统（常温吸附），则必须有降温换热工序，否则严重影响工艺的稳定性和安全性等，因此，此处产品冷却器的设置，较好解决该问题；产品缓冲罐Ⅰ和产品缓冲罐Ⅱ的设置，有效保证氢气流动的稳定性，此外，由于脱氧用的钯催化剂较为昂贵，本系统将原料废气净化完毕后，再进入脱氧塔，即脱氧塔该工位的限定，可有效延长钯催化剂的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的工作流程图；

图3为本实用新型的逻辑连接示意图（一）；

图4为本实用新型的逻辑连接示意图（二）；

图5为本实用新型的逻辑连接示意图（三）

图中，1、压缩单元，11、压缩机，2、预处理单元，21、除油塔，22、预处理吸附塔，23、加热器，3、变压吸附单元，31、吸附塔，32、产品缓冲罐，33、顺放气缓冲罐，34、解吸气缓冲罐，4、钢厂退火炉，5、原料缓冲罐，6、脱氧塔，7、原料冷却器，8、产品缓冲罐Ⅰ，9、产品缓冲罐Ⅱ，10、产品冷却器。

具体实施方式

下面通过对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1、2、5所示：钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，包括压缩单元1、预处理单元2、变压吸附单元3及脱氧塔6，压缩单元1进气口与钢厂退火炉4的原料废气出口连接，压缩单元1出气口与预处理单元2进气口连接，预处理单元2出气口与变压吸附单元3进气口连接，变压吸附单元3出气口与脱氧塔6进气口连接，压缩单元1、预处理单元2、变压吸附单元3和脱氧塔6之间形成保护气体回收制取的通路；

其中，压缩单元1提高原料废气气源压力（比如：0.8MPa）和降低原料废气气源温度（比如：40℃）；预处理单元2主要脱除气源中的有机物杂质，且一方面为变压吸附单元3做预处理工作，另一方面处理变压吸附单元3中的解吸气，消除有害气体，进而保证解吸气可直接向外界排放，而不污染环境；变压吸附单元3进一步提高高纯氢气产品的浓度，满足和适应于高纯氢气产品的进一步利用。压缩单元1、预处理单元2、变压吸附单元3和脱氧塔6之间形成保护气体回收制取的通路，实现高纯氢制取工艺的稳定性、可控性和可操作性。

实施例2

基于实施例1，本实施例更进一步的，

压缩单元1与钢厂退火炉4之间设置有原料缓冲罐5，缓冲自钢厂退火炉4中收集的原料废气，保证后续制取工艺的可操作性，并有效提高制取高纯氢工艺的稳定性和可控性。

实施例3

基于实施例1-2，本实施例更进一步的，

钢厂退火炉4与原料缓冲罐5之间设置有原料冷却器7，将来自PSA系统的原料废气进行冷却，为原料废气进入制取高纯氢系统做准备，保证制取工艺的稳定性和可控性。

实施例4

基于实施例1-3，本实施例更进一步的，

如图3所示：压缩单元1包括压缩机11，压缩机11上部设有进气口，下部设有出气口，内部呈双层布置，可采用喷软化水的冷去方式，以及采用旁路调节的流量调节方式。

其中，压缩机11为螺杆式压缩机或活塞式压缩机，能较好的适应于原料废气特点和便于维护等。

其中，压缩机11连接有高压电机，若功率低于200kW，采用低压电机，进而保证原料废气气源压力稳定，保证原料废气气源压力稳定。

实施例5

基于实施例1-4，本实施例更进一步的，

如图3所示：预处理单元2包括脱除原料废气中有机物杂质的除油塔21，除油塔21进气口与压缩单元1连接，除油塔21出气口与变压吸附单元3连接；除油塔21进气口设置在除油塔21下部，除油塔21出气口设置在除油塔21上部。

其中，预处理单元2还包括将预处理吸附塔22和加热器23，预处理吸附塔22进气口与除油塔21连接，预处理吸附塔22出气口与变压吸附单元3连接，预处理吸附塔22一方面将经除油塔21处理后的气体作进一步吸附处理，提高气源纯度，并为变压吸附单元3做预处理工作；预处理吸附塔22还与加热器23连接，加热器23与变压吸附单元3连接，即预处理吸附塔22、加热器23及变压吸附单元3依次连接，加热器23将变压吸附单元3中的解吸气加热，并输送至预处理吸附塔22，经预处理吸附塔22吸附处理，消除有害气体，进而保证解吸气可直接向外界排放，而不污染环境，同时，该变压吸附解吸尾气压力和热值稳定，且压力不低于0.03MPaG，较好的保证了排放工序的进行；

加热器23对变压吸附单元3中的解吸气进行换热，使得其更好的适应于预处理吸附塔22，进而提高预处理吸附塔22的工作效率和质量，同时，将解吸气经加热至140℃后，逆着吸附方向吹扫吸附层，使有机化合物在加温下得以完全脱附，再生后的解吸气与主解吸气混合送回外界。

实施例6

基于实施例1-5，本实施例更进一步的，

如图4所示：变压吸附单元3包括吸附塔31，吸附塔31进气口与预处理单元2连接；吸附塔31进气口设置在吸附塔31下部，吸附塔31出气口设置在吸附塔31上部。

其中，变压吸附单元3还包括产品缓冲罐32、顺放气缓冲罐33和解吸气缓冲罐34，产品缓冲罐32进气口与吸附塔31出气口连接，产品缓冲罐32出气口与脱氧塔6连接；顺放气缓冲罐33与吸附塔31连接，顺放气缓冲罐33与吸附塔31之间形成顺放气的循环通路；解吸气缓冲罐34与吸附塔31连接，解吸气缓冲罐34还与预处理单元2连接。产品缓冲罐32缓冲经吸附塔31处理后的氢气产品（见下表1），提高后续工艺的稳定性，保证所制取高纯氢的有序利用；顺放气缓冲罐33和解吸气缓冲罐34保证系统中的气流稳定，同时，保证对吸附塔31的顺放、逆放、冲洗等工序的连续性，从而保证解吸气的稳定性；

其中，产品缓冲罐32包括产品缓冲罐Ⅰ8和产品缓冲罐Ⅱ9，产品缓冲罐Ⅰ8进气口与吸附塔31出气口连接，产品缓冲罐Ⅰ8出气口与脱氧塔6进气口连接，脱氧塔6出气口与产品缓冲罐Ⅱ9进气口连接，且脱氧塔6与产品缓冲罐Ⅱ9之间设置有产品冷却器10；

最终所得高纯氢，可再利用于所需工艺，比如：产品缓冲罐Ⅱ9与钢厂退火炉4连接，保证本系统与钢厂退火炉4之间形成氢气回用通路，实现循环经济；

或者，产品缓冲罐Ⅱ9与氢气压缩机11连接，经压缩后灌装外售，以作他用，比如：燃料电池制备工艺，即提高氢气产品的利用率。

Claims

1.钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，其特征在于：包括将原料废气压缩和降温的压缩单元（1）、脱除原料废气中杂质的预处理单元（2）、提高氢气浓度的变压吸附单元（3）及脱氧塔（6），压缩单元（1）进气口与钢厂退火炉（4）的原料废气出口连接，压缩单元（1）出气口与预处理单元（2）进气口连接，预处理单元（2）出气口与变压吸附单元（3）进气口连接，变压吸附单元（3）出气口与脱氧塔（6）进气口连接，压缩单元（1）、预处理单元（2）、变压吸附单元（3）和脱氧塔（6）之间形成保护气体回收制取的通路。

2.根据权利要求1所述的钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，其特征在于：所述压缩单元（1）与钢厂退火炉（4）之间设置有原料缓冲罐（5），钢厂退火炉（4）与原料缓冲罐（5）之间设置有原料冷却器（7）。

3.根据权利要求1所述的钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，其特征在于：所述压缩单元（1）包括压缩机（11），压缩机（11）上部设有进气口，下部设有出气口。

4.根据权利要求3所述的钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，其特征在于：所述压缩机（11）为螺杆式压缩机或活塞式压缩机。

5.根据权利要求1或3所述的钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，其特征在于：所述预处理单元（2）包括用于脱除原料废气中有机物杂质的除油塔（21），除油塔（21）进气口与压缩单元（1）连接，除油塔（21）出气口与变压吸附单元（3）连接；除油塔（21）进气口设置在除油塔（21）下部，除油塔（21）出气口设置在除油塔（21）上部。

6.根据权利要求5所述的钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，其特征在于：所述预处理单元（2）还包括预处理吸附塔（22）和加热器（23），预处理吸附塔（22）进气口与除油塔（21）连接，预处理吸附塔（22）出气口与变压吸附单元（3）连接；加热器（23）设置在预处理吸附塔（22）与变压吸附单元（3）之间，预处理吸附塔（22）、加热器（23）及变压吸附单元（3）依次连接。

7.根据权利要求1或3或6所述的钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，其特征在于：所述变压吸附单元（3）包括吸附塔（31），吸附塔（31）进气口与预处理单元（2）连接；吸附塔（31）进气口设置在吸附塔（31）下部，吸附塔（31）出气口设置在吸附塔（31）上部。

8.根据权利要求7所述的钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，其特征在于：变压吸附单元（3）还包括产品缓冲罐（32）、顺放气缓冲罐（33）和解吸气缓冲罐（34），产品缓冲罐（32）进气口与吸附塔（31）出气口连接，产品缓冲罐（32）出气口与脱氧塔（6）连接；顺放气缓冲罐（33）与吸附塔（31）连接，顺放气缓冲罐（33）与吸附塔（31）之间形成顺放气的循环通路；解吸气缓冲罐（34）与吸附塔（31）连接，解吸气缓冲罐（34）还与预处理单元（2）连接。

9.根据权利要求8所述的钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，其特征在于：所述产品缓冲罐（32）包括产品缓冲罐Ⅰ（8）和产品缓冲罐Ⅱ（9），产品缓冲罐Ⅰ（8）进气口与吸附塔（31）出气口连接，产品缓冲罐Ⅰ（8）出气口与脱氧塔（6）进气口连接，脱氧塔（6）出气口与产品缓冲罐Ⅱ（9）进气口连接，脱氧塔（6）与产品缓冲罐Ⅱ（9）之间设置有产品冷却器（10）。

10.根据权利要求9所述的钢厂退火炉保护气体制取高纯氢系统，其特征在于：所述产品缓冲罐Ⅱ（9）与钢厂退火炉（4）连接，或者，产品缓冲罐Ⅱ（9）与氢气压缩机连接，经压缩后灌装外售。