任来锁 亓增艳
（山东泰山钢铁冷轧薄板厂.山东 莱芜 271100）
摘要：本文介绍了山东泰山钢铁集团冷轧薄板厂采用纯度为99.999%氢气和99.995%氮气相混合取代氨分解制取氮氢炉保护气的应用实践，并从安全、成本和对钢卷表面质量和物理性能影响等方面进行分析比较，进一步证明了氮气、氢气混合取代氨分解气的优越性。
关键词：氨分解站；氮氢保护退火炉；制氢站；氮氢混合站；
1 前言
山东泰山钢铁集团冷轧薄板厂（以下简称“泰钢冷轧厂”）于2006年建成投产了950冷轧生产线，该线配套建设有24组氮氢保护罩式退火炉，保护气采取氨分解方式制取。2008年又建成投产了1700冷轧生产线，该生产线配套建设有16组全氢罩式退火炉，其全氢气体由1500Nm3/h焦炉煤气变压吸附制氢装置提供。为减低液氨储存风险、稳定氮氢保护气成分、
提高氮氢炉产品质量，根据武钢、邯钢等单位镀锌线上氮氢混合的实践，我们新上1套氮氢混合装置用于将99.999%氢气和99.995%氮按比例混合取代氨分解制取保护气，经过一年半实践的生产应用证明设备运行可靠，使用效果良好。
2 氨分解气的制取原理和特点
2.1 氨分解气制取原理
氨分解气体发生装置以液氨为原料，经汽化后将液氨加热到一定温度，在镍催化剂作用下，氨发生分解成氮氢混合气体，氨分解的化学方程式如下：
2NH3=3H2+N2-22080卡
即在标准状况下，1kmol氨完全分解可产生氮氢混合气体44.8NM，并吸收热量11040卡。也就是1kg液氨完全分解能产生2.64NM氮氢混合气体。
根据化学方程式可以看出，氨分解气体有75%氢气和25%氮气组成，混合气的比例是确定的（4:3），不可调节的。
2.2 氨分解气生产特点
氨分解气的生产原料—液氨必须储存于阴凉、通风良好、不燃结构建筑的厂房。要远离火源和热源。虽然液氨在工业上应用广泛，但因其具有腐蚀性，且容易挥发，所以发生化学事故、泄露的概率相当高。在实际的储存和应用过程中经常发生局部泄漏结霜的情况。
泰钢冷轧厂为满足24组氮氢退火炉需要，建设了4台200Nm3/h氨分解炉，液氨有2台50吨液氨储罐采用地下管道输送。为保证安全液氨储罐在制氢站建成投产后二次搬迁至制氢站内。该液氨储罐是我公司的重大危险源点，也是莱芜市重点控制的危险源点，每年都要举行2次应急预案演练。
3 氮氢混合站工作原理和特点
3.1 氢气制取原理
16组全氢退火炉所需纯度为99.999%的氢气，是由泰钢冷轧厂制氢站提供，制氢工艺采用当今先进、成熟的焦炉煤气变压吸附制氢技术，焦炉煤气由集团公司焦化厂提供。装置产氢量为1500Nm3/h，纯度为99.999%，露点为-60℃，氢气产量调节范围：30%--100%。
制氢装置工艺流程由压缩程序、预处理程序、变压吸附程序和氢气净化程序组成，煤气经过原料气缓冲罐后，进入煤压机进行一级冷却和一级压缩后进入预处理系统除油，后自预处理塔顶部排出回压缩机二级入口。加压后的煤气进入下一工序-变压吸附氢提纯。提纯后的氢气经过脱氧塔后进入等压再生干燥系统，后经PV401稳压后送入球罐。
3.2 氮气制取原理
氮气有集团公司制氧厂提供，在制氢站配备有一套1000Nm2/h氮气纯化装置，从制氧厂输送至制氢站的氮气进入氮气纯化装置，由制氢装置产生的小部分氢气同时进入氮气纯化工序，与氮气中的氧气反应生成水，起到脱氧的作用。最终生成纯度为99.995%的氮气。
3.3 氮氢混合原理
氮气与氢气混合的原理很简单，其原理见下图1所示。
经减压的氮气和氢气分别经过相应的进口阀和流量计进入氮氢混合罐，在混合罐内氮气和氢气混合成一定比例（75％的氢气和25％的氮气，比例可调节）的产品气，并经相应的产品气出口阀送至退火炉。混合装置为自动配比装置，通过氢气分析仪检测混合后气体比例，
与设定值比较后给出标准信号到氢气管道上的流量调节阀组，从而控制混合量，保证后级气体中的混合比例在规定范围内。氢分析仪直接驱动流量调节阀实现氮氢比例配比，适用于大流量、精度要求百分比级的氮氢比例调节。
为就地取材，氮氢混合装置也设置在制氢站内，混合后的混合气经管道送至950退火炉区。
图一 氮氢混合原理图
4 用氮氢混合气取代液氨分解气的应用效果
4.1提高操作安全性
针对氨分解气的特点及液氨储存、使用的高危险性，结合我厂制氢能力富裕、氮气纯化装置氮气处理能力也富裕的实际，使用氮气、氢气混合取代氨分解制取保护气，是安全可行的。它只是在原有设备基础上，进行改造，添加了一套混合管道和控制装置，混合后的混合气采用管道输送至950生产线的氮氢保护退火炉即可，将大大降低安全隐患，提高职工操作的安全性。
通过两年时间的使用告诉我们，制氢站产生的氢气纯度高，氮气氢气混合比例可以根据生产情况进行一定的调节，以增加钢卷表面的光亮度，更好的避免黑、黄斑的产生。950退火炉内压力稳定性也得到了很好的控制。
4.2 混合比例可调节
为着眼于长远，考虑氮氢炉改造全氢炉的可能，同时稳定、提高氮氢炉产品质量，在建设氮氢混合站时，我们要求氢气与氮气的混合比例要可调，即要保证氢气的混合比例在75%~100%范围内任意调节。在实际生产中，根据产品质量要求，我们曾有目的的将保护气中氢气比例提高到85%左右，发现产品表面光洁度大幅提高，产品性能也进一步改善提高。
4.3使用成本低
使用氨分解气和氮氢混合气的成本对比见表1：
表1：成本对比表
项目 | 氨分解气 | 氮氢混合气 |
耗量 | 成本 | 耗量 | 成本 |
每方气耗电 | 0.82kw.h | 0.42元 | 0.53kw.h | 0.27元 |
每方气原料消耗 | 耗液氨0.43kg | 1.02元 | 耗焦气1.7m3 耗氮气0.3 m3 | 0.87元 |
每方气耗蒸汽 | 0 | 0 | 0.4kg | 0.02元 |
其它消耗 | 触煤 | 0.01 | 吸附剂、触煤 | 0.02 |
成本合计： | 1.47元 | 1.18元 |
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2009年1月－2009年11月，退火炉吨钢耗保护气量为10.77 m3，按照950退火机组年产量30万吨计算，氮氢混合取代氨分解后年产生效益：
（1.47元－1.18元）×10.77 m3×30万吨＝93.70万元
另外，制氢过程中会产生解吸气，其产量与氢气相当，这部分气体用于与高炉煤气混合，提高高炉煤气热值，也可创造一定的经济效益。
4.4 对钢卷物理性能的影响
以氮气、氢气混合取代氨分解气后同规格、同炉钢卷之间的性能比较见表2：
表2:采用两种保护气钢卷性能对比
炉台号（堆垛号） | 钢种 | 规格 | 屈服强度 | 抗拉强度 | 延伸率 | 备注 |
12#（①） | SPCC | 1.0*800 | 335 | 390 | 38 | 使用氨分解气作为保护气体 |
12#（②） | SPCC | 1.0*800 | 210 | 365 | 44 |
12#（③） | SPCC | 1.0*800 | 300 | 375 | 40 |
12#（④） | SPCC | 1.0*800 | 315 | 370 | 42 |
炉台号（堆垛号） | 钢种 | 规格 | 屈服强度 | 抗拉强度 | 延伸率 | 备注 |
12#（①） | SPCC | 1.0*800 | 290 | 325 | 42 | 使用氮气、氢气混合气作为保护气 |
12#（②） | SPCC | 1.0*800 | 305 | 335 | 42 |
12#（③） | SPCC | 1.0*800 | 305 | 325 | 40 |
12#（④） | SPCC | 1.0*800 | 295 | 335 | 40 |
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由以上数据可以看出使用氮气、氢气混合气以后，同种规格钢卷的屈服强度、抗拉强度等均匀稳定性提高了，总体物理性能有了一定改善。
5 结束语
泰钢采用氮气与氢气混合保护气取代氨分解气用于氮氢保护退火炉后，产品质量明显提升，重大安全隐患彻底消除，取得了良好的经济效益和安全效益，具有极大的推广应用价值。下一步，我们将在生产实践中逐步摸索提高氮氢混合气中氢气比例在改进产品质量、缩短退火周期等方面的影响，待时机成熟后将氮氢退火炉改造成全氢退火炉，实现低碳生产。
