邯宝冷轧厂保护气体站的改扩建项目

供稿|方冏/FANG Jiong

产能为 200 万 t/a 的邯宝冷轧工程于 2011 年投产。为保证冷轧钢板表面质量，需要使用氢气作为连续退火炉和镀锌炉的保护还原气。因此，有必要建设保护气体站 (制氢站和氮气净化站) 向冷轧车间供气，其中氢气作为还原气，氮气作为保护气。

特 点

保护气体站项目为非常规设计，原因如下：(1) 由于土地紧张和公司总体规划的要求，邯宝冷轧保护气体站的建设地点必须设置在邯钢冷轧厂原有的保护气体站周边。邯钢冷轧厂原保护气体站周边的可利用土地按常规设计根本不能布置新的保护气体站。(2) 公司控制成本，要求施工设计投资在初步设计的基础上进一步降低成本。(3) 为方便生产调节，且不影响邯钢冷轧厂和邯宝冷轧厂正常生产，邯钢冷轧厂和邯宝冷轧厂的两个保护气体站要求不停产且实现互联互通。

设 计

降低运行成本

采用钢铁行业最为经济的制氢技术和氮气纯化技术：(1) 由于钢铁企业在炼焦生产中副产的焦炉煤气含有大量的氢气 (占总体积的 59%)，故钢铁行业氢气生产大多采用焦炉煤气变压吸附技术，具有运行成本低，投资省、原料保障性好等优点。(2) 现有的邯钢冷轧厂保护气体站的氮气产量足以满足邯宝冷轧厂的需要，但由于氮气纯度不够，必须经过提纯处理。氮气的提纯同样采用变压吸附的氮气纯化装置。

变压吸附原理

焦炉煤气变压吸附制氢技术实际上是焦炉煤气的物理提纯过程。可以看成不纯的氢气混合物 (焦炉煤气) 通过分子筛的过滤吸附，筛分成高纯氢气的过程。由于分子筛的过滤需要在高压下进行，分子筛的解吸再生需要在低压下进行，存在压力的高低变换，故此技术称其为变压吸附技术，简称 PSA。

焦炉煤气变压吸附制氢的原理：焦炉煤气经三级往复式压缩机的第一级压缩到 0.22 MPa 后，进入预处理系统除去杂质；处理后的焦炉煤气经压缩机第二、三级压缩至 1.7 MPa 后进入后续 PSA 氢提纯系统。提纯系统由五个吸附塔组成，利用每个吸附塔内的分子筛吸附剂在一定温度下对不同的气体组分吸附容量不同这一特性，使容易吸附的非氢组分被吸附剂吸附，不易吸附的氢气组分从床层的一端流出。整个过程如同把焦炉煤气过一遍筛子，最后，得到产品——氢气。吸附满非氢组分的吸附塔通过降压、冲洗等过程实现再生，可实现气体的连续分离与提纯。

氮气纯化装置采用的变压吸附技术与制氢采用的变压吸附技术相同。

气站常用设备

保护气体站的主要设备：三级往复式活塞焦炉煤气压缩机、氢气提纯装置 (预处理塔、吸附塔、脱氧塔、干燥塔、加热器等)、氮气纯化装置、氢气球罐、氮气球罐及控制设备。

采取相应措施

邯钢冷轧厂现有一套 800 m3/h焦炉煤气变压吸附制氢装置，邯宝冷轧厂也需要一套 800 m3/h 焦炉煤气变压吸附制氢装置。邯钢冷轧厂保护气体站占地 95 m×57 m。根据总体规划要求，邯宝冷轧厂制氢装置需要布置在邯钢冷轧厂保护气体站附近，而邯钢冷轧厂保护气体站周围只有冷废水处理站的预留地 57 m×30 m 可用。

为实现规划目标，就要将新建的保护气体站的压缩机、氢气提纯装置、球罐等在满足国家安全规程的条件下，采取合理措施减少占地面积。

◆ 压缩机

邯钢冷轧厂压缩机厂房内有两台焦炉煤气压缩机 (一用一备)。新建一台压缩机设置在原压缩机厂房西侧，作为原来两台压缩机的备用机，运行方式变为两用一备，一台压缩机对应一套氢气提纯装置，原压缩机厂房西延 9 m。为保证厂房西延规划空间的合理利用，新建的压缩机由卧式改为立式，并采用辅助吊装工具用以弥补厂房天车高度的不足。

◆ 氢气和氮气提纯装置

新氢气提纯装置在一冷氢气提纯装置南端建设。紧邻一冷氢气提纯装置，由于两套氢气提纯装置生产性质一致，原料、产品气体互联互通，可以视为同一工艺装置，因此两套氢气提纯装置的距离只考虑满足维修和消防要求、满足安全规程要求。为尽量高效利用原氢气提纯装置南端的狭长空地，新氢气提纯装置根据场地情况，要求装置按 30 m×9 m 的“瘦长形”进行设备招投标，从源头上进行尺寸控制。

新的氮气纯化和液氮装置由于不受安全间距限制，布置在原氢气罐南侧。

◆ 氢气和氮气球罐

由于原压缩机厂房西延，原氢气球罐已不能满足与建筑物相距 15 m 的最小安全距离要求，故把一冷氢气球罐改为氮气球罐，并在一冷废水处理站的预留地(57 m×30 m) 设置两个氢气球罐。这样满足了安全规程对氢气球罐严格的安全间距要求。

实现互联互通

两套制氢装置毗邻建设，由邯钢气体厂统一管理，用户要求两套制氢装置应有较强备用性。需互相连通。由于邯钢冷轧厂产品热销，要求两套制氢装置不停产完成互联互通。制氢互联互通连接点主要有 4 处：压缩机一级进口-原料焦炉煤气进口管连通；压缩机二级进口-净化后焦炉煤气进口管连通；压缩机三级出口-焦炉煤气出口管连通；成品氢气出口管连通。

为达到管道的不停产互联互通，采用以下方法：在邯宝冷轧厂新制氢站的 4 根需要连接的新管上事先设计预留连通阀；新建制氢站投产后，首先将新制氢站成品氢气出口管与一冷制氢站成品氢气出口管的氮气吹扫管连接，成为临时氢气管道，并切断吹扫管前旧调压阀组阀门；然后，在旧调压阀前加装成品氢气出口连通阀，与新制氢站成品氢气出口连通阀相连。施工期间由新制氢站向邯钢冷轧厂和邯宝冷轧厂同时供气，气量不足部分由氢气球罐补充。新制氢站和氢气球罐能满足 16～20 h 用量，完全能满足连通接口对时间的要求。待新旧制氢成品氢气出口在调压阀处连通后，拆除临时氢气管道。

成品氢气出口管连通后，关闭旧调压阀前的阀门和旧氢气球罐阀门，就可连通其他 3 根管道，每根管道连通施工时，均由新制氢站和氢气球罐供气满足邯钢冷轧厂和邯宝冷轧厂的氢气需要。

效 果

节约节省土地 3705 m2；实现两套装置不停产互联互通；两个保护气体站巧妙地结合成为一个保护气体站，节省了压缩机及其厂房，节约了各种管道和控制设施的投资，降低了成本；节省操作人员 8 人；在邯钢冷轧厂和邯宝冷轧厂的氢气用量较少时，只开一套制氢设备，节约能源；由于氢气为“甲”类生产火灾危险，制氢区域的爆炸危险等级为 1 区，是最高类别的生产火灾危险和爆炸危险等级，因此制氢区域面积越小，其安全程度相应就越高。

邯宝冷轧厂保护气体站的改扩建项目已通过相关部门的安全审查，为今后建设同样的甲类设施提供了成功范例，为同类设施的综合治理扩展了思路。