一种钢铁冶金行业大处理量氮气纯化装置及方法与流程

本发明属于国内钢铁冶金行业大规模冷轧、硅钢、镀锌线生产等领域，具体涉及钢铁冶金行业生产用保护气等方面，更具体的为一种钢铁冶金行业大处理量氮气纯化装置及方法。

背景技术：

目前，我国钢铁生产用氮气纯化采用最普遍的一种技术是前端加氢脱氧，后端干燥脱水。此项技术脱氧过程中会产生一定量的反应水，同时由于催化脱氧时采用过氢操作，脱氧效果完全依赖于加入的氢气量，故加氢必须过量，由此导致产品氮气中氢气含量严重超标，直接排放会产生安全隐患并对环境造成很大的危害；特别是过量的氢气在钢铁冷轧连续退火炉中会带来爆炸的危险，故传统工艺不能满足国内钢铁冷轧、硅钢、镀锌线等生产的需求。

技术实现要素：

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种钢铁冶金行业大处理量氮气纯化装置及方法，对氮气中氢气含量超标进行控制，同时将其余杂质o2、h2o、co2等深度脱除，解决了气体杂质影响钢铁行业产品质量稳定性，造成冷轧钢板、镀锌钢板等产品质量下降的问题。

本发明的技术方案如下：一种钢铁冶金行业大处理量氮气纯化装置，包括机械装置和控制系统；

所述的机械装置包括连通的原料气入口、进口微量氧分析仪、质量流量控制器、程控阀门、催化脱氧器、脱氧干燥器、阀门水冷却器、产品气出口、氢气入口；所述的脱氧干燥器为两个以上；

所述的催化脱氧器内设有加热系统和氧化催化剂；

所述的脱氧干燥器内设有温度传感器、电加热器、储热机构；

所述的控制系统包括中央控制单元、以及分别与中央控制单元连接的流量计、程控阀门、交流接触器、压力传感器、加温元件、报警装置。

进一步的，所述的催化脱氧器还连接蒸汽加热器、水冷却器、气水分离器。

进一步的，所述的脱氧干燥器为3个或4个。

进一步的，所述的脱氧干燥器为4个，两个脱氧干燥器为一组，两组循环作为脱氧反应器和再生反应器使用。

本发明同时请求保护利用所述装置进行氮气纯化的方法，包括催化加氢工序、干燥脱氧工序、再生工序；

所述的催化加氢工序为：原料气经过原料气入口、进口微量氧分析仪、质量流量控制器进入催化脱氧器，在催化脱氧器中氧化催化剂的作用下原料气中的氧气与通入的氢气生成水被脱除；

所述的干燥脱氧工序为：经降温后的原料气进入脱氧干燥器，在脱氧剂的作用下原料气中包括o2、h2o、co2杂质被吸附；所述的脱氧干燥器为2个以上，且循环作为脱氧反应器和再生反应器，所述的脱氧干燥器通过程控阀门连接再生气入口；

所述的再生工序为：脱氧干燥器内的脱氧剂在加热条件下，以通入再生气的方式进行再生，所述的脱氧剂可为市售的任何一种，优选为申请号为201410407743.0中公开的脱氧剂。

进一步的，所述的再生气为氮气、氢气的混合物。

进一步的，通入氢气的量通过以下公式计算得到：

vh＝vn×([o]n/10⁶)×2×δ；

vh：氢气加入量(l/min)；

vn：氮气流量(l/min)；

[o]n：原料氧含量(ppm)；

δ：加氢系数。

控制系统会依据所检测的催化脱氧反应器出口的氢含量，自动微调加氢系数。根据催化加氢工序后检测的原料气中氢气含量值，对比程序内预先写入的一组氢气含量值和加氢系数，实时调整加氢系数确保加入的氢气不过量，避免由于氢气过量而带来的爆炸风险。

加氢量控制：质量流量控制器以检测的氢气质量流量为依据，通过自动微调阀开度，控制加入的氢气量等于理论加氢量。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供一种钢铁冶金行业大处理量氮气纯化装置及方法，对氮气中氢气含量超标进行控制，并将其余杂质o2、h2o、co2等深度脱除，解决了气体杂质影响钢铁行业产品质量稳定性，造成冷轧钢板、镀锌钢板等产品质量下降的问题，同时亦可解决氮气中氢气含量超标所带来的安全隐患，并将此隐患从根本上杜绝。纯化系统干燥脱氧工序采用两塔、三塔或四塔纯化流程，多个脱氧干燥器交替工作和再生，从而可实现对原料气的连续净化。

(2)本发明脱氧剂吸附和再生具有以下特点：再生温度越高、再生压力越低，再生效果越好，从而产气指标越好。传统的无损再生方式，使用原料气进行带压再生，再生效果相对较差，无法更好的发挥脱氧剂的性能，提高产气纯度；传统的外加热形式，必须用气体携带热量将填料加热，再生气流量至少为15～25％。功率和气体损耗量大，造成不必要的浪费，而且也无法将填料加热到更高的温度。本发明的每台脱氧干燥器内均安装内电加热器。与传统的无损再生方式以及外加热方式相比，在保证了净化深度的同时，耗能少、再生气量省；采用内加热形式，直接加热脱氧剂，再生温度高，能源不浪费；通入再生的气体只需起到热量均衡和将再生产生的水携带出反应器即可，再生气量省。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

其中：11、催化脱氧器，12、脱氧干燥器a，13、脱氧干燥器b，14、阀门水冷却器a，15、阀门水冷却器b，16、氢气入口，17、原料气入口，18、冷却水入口，19、仪表气入口，100、冷却回水，110、废气排放口，120、产品气出口。

图2为实施例2的结构示意图；

其中：201、催化脱氧器，202、脱氧干燥器a，203、脱氧干燥器b，204、脱氧干燥器c，205、再生氢气流量计，206、再生气流量，207、阀门水冷却器a，208、阀门水冷却器b，209、阀门水冷却器c，210、伺服气入口，211、冷却水出口，212、原料气入口，213、产品气出口，214、分析气出口，215、氢气入口，216、冷却水入口。

图3为实施例3的结构示意图；

其中：301、蒸气加热器，302、催化脱氧器，303、水冷却器，304、气水分离器，305、脱氧干燥器a，306、脱氧干燥器b、307、脱氧干燥器c，308、脱氧干燥器d，309、阀门水冷却器a，310、阀门水冷却器b，311、产品气出口，312、分析气出口，313、氢气入口，314、低压蒸汽入口，315、原料气入口，316、冷却水入口，317、废气排放口，318、冷却回水出口、319、冷凝水出口。

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明做进一步说明：

本发明的纯化方法由催化加氢工序(h)和两塔(w)、三塔(vv)或四塔脱氧干燥工序(vw)工序组成。原料氮气首先进入催化加氢工序，在加氢催化剂的作用下，将气体中的o2杂质与氢气作用，转化为h2o而去除；然后进入脱氧干燥工序深度脱除气体中的o2、h2o、co2等杂质。脱氧干燥工序采用采用的脱氧剂脱除杂质有一定容量，当脱氧剂吸收杂质达到饱和后，可在高温下通入氮氢混合气对其进行活化再生。干燥脱氧工序根据纯化氮气流量的不同可分别采用两塔、三塔或四塔纯化流程。两塔流程一般应用于气体流量小于5000nm³/h的工况，在两塔流程中其中一个脱氧干燥器工作(吸收杂质)，另一个脱氧干燥器则进行再生(或保压待用)，这样两个脱氧干燥器交替工作和再生，从而可实现对原料氮气的连续净化；三塔流程一般应用于气体流量大于5000nm³/h且小于10000nm³/h的工况，在三塔流程中采用两塔串联净化(吸收杂质)，另一塔活化再生的工艺，该工艺可解决大流量下或原料气中氧含量波动较为频繁工况下气体指标波动的难题；四塔流程一般应用于气体流量大于10000nm³/h的工况，在四塔流程中，分为两组净化塔，每组两塔串联使用，一组塔工作净化，另一组塔活化再生，连续不间断净化气体和再生，每种流程具体分为以下步骤：

1)催化加氢工序主要由催化脱氧器、质量流量控制器、流量计、微量氧分析仪、程控阀门等设备组成，催化脱氧器内装催化剂，为主要工序设备，催化剂其杂质脱除机理为：h2在催化剂的作用下与气体中的氧发生反应得到转化脱除：

cat/pd

催化脱氧：h2+o2——→h2o

化学脱氧：ao+o2——→ao2

(“cat/”代指贵金属催化剂。)

经过催化剂的氮气，其中的o2等杂质被脱除到1ppm以下；

2)经过催化工序后，原料氮气进入干燥脱氧工序。本工序中采用申请号为201410407743.0中公开的脱氧剂，杂质脱除深度高，抗波动能力强；反应器集成内加热器，升温速度快，内置储热机构，短时间断电，不影响产气指标。工序由脱氧吸附器、阀门组(自动设备采用气开球阀)、再生气冷却器、以及相关的流量计仪表等组成。

脱氧干燥器内装脱氧吸附剂，气体中的氧气在常温下与还原态的脱氧剂发生反应而得到脱除：脱氧：o2+ao——ao2；

脱氧剂吸附杂质有一定容量，当脱氧剂吸附饱和后，可加热通氢对其进行再生。

再生：ao2+h2——ao+h2o

本工序所采用脱氧剂具备深度脱除氮气中的氧气、水和co2的功能，吸附饱和后在可再生，恢复吸附活性。

脱氧干燥器交替进行工作和再生以实现对原料氮气的连续净化。从而保证使用企业的连续、不间断生产。

3)整套系统采用siemens公司的s7系列plc作为中心控制单元，采用触摸控制屏对整个生产工艺过程实施监测和控制。具备自动再生时序控制(阀门开关、温度控制)、自动、手动操作、运行状态监控等功能。可实现远程监控或接入客户的中央控制系统(internet或modbus)，并可实现双控平台。

4)本系统温度控制由plc、固态继电器、热电偶、电加热器等组成。系统各反应器温度由热电偶进行检测并将信号传给plc，plc则根据预先编制、设定的程序和条件，控制固态继电器电流的通断，以控制电加热器的开、停，从而对各反应器的温度进行控制。在具有加热功能的反应器具有3点温控，通常其中任何一点达到设定的报警或联锁温度都会发出报警或联锁。控制系统的可实反应器温度、压力、流量、冷却水断流等异常情况时的报警和根据情况进行自动联锁等。

报警说明：当plc得到的反馈信号异常，并且持续超过所设定的报警值的时间超过抗波延时(避免波动导致误报警)，装置将发出报警信号。可人工进入报警显示界面，根据提示判断故障点。所有的报警信息都会记录在报警列表里。报警时装置仍保持净化产气状态。

联锁说明：联锁操作在报警之后，或同时发出报警。部分报警信号在设定的时间内没有得到处理，或信号超标达到所设定的联锁值，装置将根据情况自动采取相应的联锁方案，以避免危险事故的发生。非跨线联锁，不会中断产气，但再生步骤等将停止。

以上自控方案可靠地保证了填料再生效果和整套系统的安全。

实施例1两塔吸附

如图1所示，原料氮气经过原料气入口17、入口阀门、流量计计量和入口气体分析仪检测后进入催化脱氧器11，在催化脱氧器11中氧气与经过程序精密计算过而控制加入的氢气混合，在常温条件下，通过催化剂的催化作用将氧气转化为水除去，再经过出口阀门进入脱氧干燥器a12，在脱氧剂的作用下脱除残余的o2、h2o、co2等杂质，当脱氧干燥器a12作为反应器工作时，脱氧干燥器b13进行再生。每台脱氧吸附器经历相同的步骤程序。控制加氢工序可以保证，加入的氢气可以满足脱氧要求，而且不过量大量加氢。

加氢量的计算：通过检测到的原料气流量和原料氧含量，控制通过以下公式计算出理论加氢量：

vh＝vn×([o]n/10⁶)×2×δ

vh：氢气加入量(l/min或nm³/h)

vn：氮气流量(l/min或nm³/h)

[o]n：原料氧含量(ppm)

δ：加氢系数

控制系统会依据所检测的催化脱氧器出口的氢含量，自动微调加氢系数：对比催化反应后检测的原料气中氢气含量值与程序内预先写入的一组氢含量值和加氢系数，实时调整加氢系数确保加入的氢气不过量，避免由于氢过量而带来的爆炸风险。

加氢量控制：氢气质量流量控制器，以检测的氢气质量流量为依据，通过自动微调阀开度，控制加入的氢气量等于理论加氢量。

下面以脱氧干燥器a12为例说明每台吸附器的工作过程

以下步骤均在plc的控制下全自动运行，所有加热的温度、各个时序的时间可进行设定：

1)吸附(a)

原料气自下而上通过脱氧干燥器，原料气中的氧、二氧化碳、水被吸附分离。吸附工作的时间为工作周期，工作周期可根据设备参数进行设定，并需要在实际工作中根据实际情况进行调整。

过程压力：工作压力。

过程温度：常温。

步骤执行时间：半个周期

2)切换

当工作脱氧干燥器a12吸附产气时间达到切换时间后，切塔至备用脱氧干燥器b13工作，结束工作的吸附器进行再生。切换操作过程说明如下：

切塔(操作)：2分钟

确认备用脱氧干燥器b13三点温度(tic1/2/3)均＜切换许可温度(60℃)，plc发出打开备用脱氧干燥器b13入口、出口阀门信号，根据回信确认打开，关闭结束工作的脱氧干燥器a12入口和出口阀门。

如备用脱氧干燥器b13三点温度(tic1/2/3)有任一点＞切换许可温度(60℃)，则不切换，并报警。

如在规定的阀门报警判断时间内标准设定为30秒，经阀门回信判断，阀门没有打开，则切换时序暂停，c塔继续保持加热状态，并发出报警信号。故障排除后，手动暂停返回继续运行，仍首先判断阀门回信位置是否正确，正确时序继续执行。

结束工作的脱氧干燥器则进入再生阶段。再生步骤一般由卸压、再生、吹冷、充压等几个步骤组成，总时间约为24～36小时(再生各段时间均可设定)。吸附器再生完毕后，保压待用，待另一台脱氧干燥器结束工作时，切换至进行原料处理。

以下以脱氧干燥器a12为例说明再生步骤：

过程压力：工作压力。

过程温度：常温。

步骤执行时间：2分钟。

3)卸压(a)

确认再生脱氧干燥器a12入、出口阀门回信显示为关闭，打开再生吸附器再生放空阀，由卸压限流阀的旁通管缓慢卸压至常压，以避免脱氧干燥器a12压力剧烈波动影响填料寿命，执行时间达到步骤执行时间后，确认吸附器压力＜再生许可压力(标准设定为0.1mpa)后执行再生步骤。如不＜再生压力，则继续卸压，推迟执行下一步，直至再生脱氧干燥器a12的压力＜再生压力。

过程压力：由工作压力降至常压(当时外界大气压)。

过程温度：常温。

步骤执行时间：约为20min。

4)再生

打开再生脱氧干燥器a12的电加热器给其加热，同时打开再生氮气阀门抽取确定量产品氮气，打开再生氢气阀门配入确定量的氢气，打开再生吸附器再生气入口阀、打开卸压限流阀、再生吸附器再生气出口阀通入再生氮气、氢气对脱氧干燥器a12进行再生。用手动阀调节再生氮气、氢气流量至额定流量。

再生时脱氧剂生成的水以及解吸出来的水和co2被再生气体携带出脱氧干燥器a12，再通过阀门保护冷却器冷却后放空。

过程压力：常压。

再生温度：控制为260℃。

步骤执行时间：约为16hr。

5)吹扫冷却(b→a)

当脱氧剂再生完毕后，停止加热。关闭再生氢气入口阀，停止加入再生氢气，继续用再生气吹扫脱氧干燥器a12，直到步骤时间结束后，确认脱氧干燥器a12的三点温度(tica1/2/3)温度均低于切换许可温度(60℃)，执行下一步；如确认步骤时间结束脱氧干燥器a12的三点温度(tica1/2/3)有任一点的温度大于60℃，则继续吹扫，推迟执行下一步直到确认脱氧干燥器a12的三点温度(tica1/2/3)温度均低于60℃后开始执行下一步骤。

过程压力：常压。

过程温度：从260℃到常温。

步骤执行时间：约为14hr。

6)充压：

再生结束后用产品气给脱氧干燥器a12升压至工作压力，以避免切换时压力波动过大影响吸附剂寿命。

关闭脱氧干燥器a12再生放空阀、卸压限流阀，用产品气给其脱氧干燥器a12升压，

过程压力：常压到工作压力。

过程温度：常温；

步骤执行时间：约为20min。

7)备用：

升压时间结束后关闭再生氮阀门，再生吸附器再生气入口阀。进入保压备用步骤。至此脱氧干燥器a12完成了一个工作循环，然后该吸附器处于保压待用状态，等待该半周期结束。开始准备进行下一个循环。

过程压力：常压到工作压力。

过程温度：常温；

步骤执行时间：至工作脱氧干燥器工作周期结束

综上，大处理量超高纯氮气纯化系统由自控系统全自动控制，实现对原料氮气的纯化。

实施例2三塔吸附

如图2所示，原料氮气经过原料气入口212、入口阀门、流量计计量和入口气体分析仪检测后进入催化脱氧器201，在催化脱氧器201中氧气与经过程序精密计算过而控制加入的氢气混合，在常温条件下，通过催化剂的催化作用将氧气转化为水除去，再经过气水分离器、通过出口阀门依次进入脱氧干燥器a202、脱氧干燥器b203在脱氧剂的作用下脱除残余的o2、h2o、co2等杂质，当串联两塔脱氧干燥器a202、脱氧干燥器b203作为反应器工作时，脱氧干燥器c204进行再生。每台脱氧吸附器经历相同的步骤程序。三台脱氧干燥器交替进行工作和再生以实现对原料氮气的连续净化。从而保证使用企业的连续、不间断生产。

通入氢气的量及控制方法同实施例1，三塔工作时序见下表1(下表1中a、b、c分别代表脱氧干燥器a202、脱氧干燥器b203、脱氧干燥器c204)：

表1

本实施例中每台脱氧干燥器的工作过程同实施例1中脱氧干燥器a12。

实施例3四塔吸附

如图3所示，原料氮气经过原料气入口315、入口阀门、流量计计量和入口气体分析仪检测后进入催化脱氧器302，在催化脱氧器302中氧气与经过程序精密计算过而控制加入的氢气混合，在常温条件下，通过催化剂的催化作用将氧气转化为水除去，再经过气水分离器、通过出口阀门依次进入脱氧干燥器a305、脱氧干燥器b306在脱氧剂的作用下脱除残余的o2、h2o、co2等杂质，当串联两塔脱氧干燥器a305、脱氧干燥器b306作为反应器工作时，脱氧干燥器c307和脱氧干燥器d308进行再生。每台脱氧吸附器经历相同的步骤程序。四台脱氧干燥器分为两组，两组交替进行工作和再生以实现对原料氮气的连续净化。从而保证使用企业的连续、不间断生产。在冬天作业时，先通过蒸气加热器301给原料气进行预加热再进入催化脱氧器302，经催化脱氧后，经水冷却器303、气水分离器304后进入脱氧干燥器a305和脱氧干燥器b306。

通入氢气的量及控制方法同实施例1，四塔工作时序见下表2(下表2中a、b、c、d分别代表脱氧干燥器a305、脱氧干燥器b306、脱氧干燥器c307、脱氧干燥器d308)：

表2

本实施例中每台脱氧干燥器的工作过程同实施例1中脱氧干燥器a12。