閆培，孫如意，陳云，黃在京

（廣西北港新材料有限公司，廣西 北海 536000）

1 前言

氬氣是一種重要的工業(yè)用氣，特別是在金屬冶煉時，氬吹煉技術(shù)是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼的重要措施，每煉1t 鋼的氬氣消耗量約為3m3，部分不銹鋼企業(yè)噸鋼的氬氣消耗量甚至達(dá)到14m3，在煉鋼是氬氣消耗最多的產(chǎn)業(yè)。煉鋼廠外購的氬氣呈液態(tài)，溫度在-189.2 ～-185.9℃，需充入貯槽中儲存，在充裝過程當(dāng)?shù)蜏匾后w氬的壓力降低到低于原液體溫度所對應(yīng)的飽和壓力時，會有部分液體汽化，這樣的過程就叫“閃蒸”。氣化的氬氣積聚在液氬貯槽上方，導(dǎo)致液氬貯槽內(nèi)部壓強(qiáng)增加，有罐體開裂、爆炸的安全隱患。北港新材料通過在液氬貯槽頂部安裝氣壓單向閥門解決貯槽內(nèi)壓力增大的問題，當(dāng)液氬貯槽頂部壓強(qiáng)達(dá)到15kPa 時，閥門自動打開，將氣化的氬氣直接放散到空氣中，造成大量的氬氣資源損失，據(jù)統(tǒng)計每小時的放散量約為200m3，累計放散損失的氬氣約占外購液氬的7.5%。若是將氣化的液氬回收能夠大幅度提高液氬儲存、使用經(jīng)濟(jì)性。

2 氬氣回收原理

氬氣回收主要有兩條途徑。一是種將氣化的氬氣重新壓縮為液態(tài)。氬氣的臨界壓力為49MPa，臨界溫度為-122.29℃，其物理性質(zhì)導(dǎo)致了氬氣從氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)是及其困難的，對回收設(shè)備提出了非常高的要求，并且貯槽中液氬的氣化是持續(xù)性的，短時間內(nèi)氣化量少，難以進(jìn)行液化回收；另一種途徑是通過設(shè)備調(diào)整氣化的氬氣的溫度、壓強(qiáng)至滿足使用條件后直接輸送至工廠氬氣管網(wǎng)回收使用。顯然正向調(diào)整的難度遠(yuǎn)低于氬氣存在狀態(tài)逆向轉(zhuǎn)變的難度。因此，公司建設(shè)安裝一套氬氣回收系統(tǒng)，將液氬貯槽頂部的氣態(tài)氬氣回收后直接注入氬氣管網(wǎng)供煉鋼使用。

3 氬氣回收需解決的問題

由于貯槽頂部氬氣具有低溫、壓力低于管網(wǎng)內(nèi)氬氣壓力、氣量不穩(wěn)定的特點(diǎn)，在設(shè)計氬氣回收系統(tǒng)時，必須考慮以下問題。

（1）煉鋼氬氣管網(wǎng)內(nèi)氬氣壓力為1.8 ～1.9MPa，而貯槽頂部氬氣壓力低于15kPa，因此需要通過某種方式將氣態(tài)氬氣的壓力升高至可用范圍，同時要保證氬氣的純凈度。

（2）氣態(tài)氬氣壓力波動大，如何使氬氣壓力滿足系統(tǒng)工作要求。

（3）貯槽頂部氣態(tài)氬氣的產(chǎn)生呈現(xiàn)出連續(xù)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，頂部壓力處于動態(tài)變化過程，回收系統(tǒng)功率應(yīng)隨著氣態(tài)氬氣的壓力自動做出動態(tài)調(diào)整，滿足節(jié)能要求。

（4）該系統(tǒng)必須能夠在低溫環(huán)境下工作或者能夠?qū)鍤馍郎刂料到y(tǒng)能夠正常工作的溫度范圍。

（5）當(dāng)系統(tǒng)主要設(shè)備故障或檢修應(yīng)當(dāng)保證氬氣回收工作繼續(xù)進(jìn)行。

（6）設(shè)備參數(shù)應(yīng)滿足氬氣回收需求。

（7）經(jīng)處理后的氬氣純度應(yīng)符合使用需求。

（8）應(yīng)避免高壓氬氣回流，影響回收系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（9）氬氣輸送過程中需克服管道阻力，為使氬氣達(dá)到壓縮機(jī)時仍有足夠大的壓力，應(yīng)適當(dāng)選用管徑較大的管道。

針對以上問題，氬氣回收系統(tǒng)的建設(shè)采用汽化裝置將氬氣升溫，緩沖裝置調(diào)節(jié)氬氣壓力滿足系統(tǒng)工作需求，2 臺變頻式氬氣壓縮機(jī)滿足節(jié)能、應(yīng)急使用、升高氬氣壓力大于2.0MPa的條件，各單體設(shè)備按需求安裝單向閥、密封部件保證回收氬氣的純凈度。同時，采用了大量的溫度傳感器、壓力傳感器、電磁閥等設(shè)備保證系統(tǒng)的自動化控制運(yùn)行。以下針對氬氣回收原理介紹一種氬氣回收系統(tǒng)，暫不詳細(xì)介紹設(shè)備選型。

4 一種氬氣回收系統(tǒng)

該氬氣回收系統(tǒng)由液氬儲罐、汽化器、緩沖罐、壓縮機(jī)、控制柜、閥門、單向截止閥、管道、壓力表、電磁閥、流量計、含氧量檢測儀等部分組成。見圖1。

圖1 氬氣回收系統(tǒng)布置圖

將500m3液氬貯槽頂部的直通放散管道改為三通管道，三通管道口包括一個進(jìn)氣口，兩個排氣口，氬氣儲罐頂部的一個排氣口連接壓力閥門，用于特殊情況下的氬氣放散；另一個排氣口通過管道連接氬氣壓縮系統(tǒng)的進(jìn)氣口，該段管道上安裝有手動閥門，該手動閥門常開，并且該段管道包裹有防水隔熱棉，避免管道外壁結(jié)冰；進(jìn)氣管道連接汽化器，汽化器工作原理是通過大幅度增加氬氣與外界環(huán)境的熱交換面積與熱交換時長，使-180℃的氬氣經(jīng)過汽化器后溫度升高至15 ～20℃，保證壓縮機(jī)正常運(yùn)行。

升溫后的氬氣通過管道送入緩沖器，該段管道上安裝有測溫裝置，氬氣在緩沖器積聚，起到穩(wěn)定緩沖罐出氣口壓力的作用，同時大容量緩沖罐也能夠減少液氬貯槽頂部壓力超過15kPa，從而導(dǎo)致氬氣放散的頻率，緩沖器內(nèi)安裝有壓力表，底部有放散管道，管道上安裝有單向截止閥和手動閥，保證維修時，能夠排放緩沖器內(nèi)的氬氣。

從緩沖罐出氣口的管道通過三通管道連接壓縮機(jī)，三通與緩沖罐之間安裝有電磁閥，并根據(jù)測度計和緩沖罐壓力計反饋數(shù)值進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，進(jìn)而反向調(diào)節(jié)氬氣溫度和緩沖罐內(nèi)氬氣壓力。

共安裝兩臺變頻式氬氣壓縮機(jī)，一臺工作，另一臺應(yīng)急使用，正常工作時壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力3 ～10kPa，進(jìn)氣溫度15 ～20℃，排氣壓力3.0MPa。當(dāng)進(jìn)氣壓力高于7kPa 值時，壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，低于7kPa 值時開始降頻減負(fù)荷，當(dāng)進(jìn)氣壓力持續(xù)下降到3kPa 值時，聯(lián)鎖停掉壓縮機(jī)。兩臺壓縮機(jī)出口連接有排氣支管，兩條排氣支管合并一處連接排氣總管，通向氬氣球罐，經(jīng)氬氣球罐緩沖后將氬氣壓力調(diào)節(jié)至1.8 ～1.9MPa，按需要輸送至管網(wǎng)供給煉鋼使用，兩條排氣支管上和球罐入口處均安裝有單向截止閥避免球罐內(nèi)氬氣回流，影響壓縮機(jī)正常工作。

2 臺壓縮機(jī)排氣管均設(shè)有放空支管，放空支管上分別安裝單向截止閥，保證切換工作壓縮機(jī)時無空氣回流；兩條放空支管經(jīng)三通匯聚成一條排氣放空總管，總管上安裝有電磁閥，用于自動控制放散氬氣。

系統(tǒng)各主要設(shè)備兩端均安裝有手動閥門，便于開展維修工作。兩臺壓縮機(jī)放空支管后，排氣總管前均安裝有壓力表，排氣總管上安裝有電磁閥、流量表、含氧量檢測儀。通過以上儀表監(jiān)測壓縮機(jī)排出的氬氣壓力，當(dāng)壓力過低時，通過減小排氣總管上的電磁閥開度，提高氬氣壓力。利用含氧量檢測儀監(jiān)控管道密封情況，若含氧量升高，則發(fā)出警報聲，提示工作人員檢查管道各部分密封情況。流量表則是為了統(tǒng)計回收氬氣的數(shù)量。系統(tǒng)的自動化運(yùn)行通過配電柜控制。

5 氬氣回收系統(tǒng)使用效果

自投入生產(chǎn)以來，機(jī)組能夠保持持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，夜間貯槽蒸發(fā)量少時，也在壓縮機(jī)變頻可控負(fù)荷范圍內(nèi)，機(jī)組進(jìn)口壓力保持在3.2 ～9.6kPa，液體貯槽的壓力保持在8.2 ～15kPa 壓力超過15kPa 時液體貯槽自動放空閥自動打開放空），實現(xiàn)了夜間貯槽完全不放空，夜間蒸發(fā)的氬氣全回收。選取10 天的運(yùn)行數(shù)據(jù)，壓縮機(jī)累積壓縮氬氣量38733m3，平均每小時約149.5m3；液氬貯槽累積放空量12939m3，平均每小時約50m3。

壓縮氣量和放空氣量兩者合計184.5m3，之所以稍少于前文所述之平均每小時氬氣放空量約200m3，是因為壓縮機(jī)所取的數(shù)據(jù)是冬季運(yùn)行數(shù)據(jù)，溫度較低，貯槽蒸發(fā)量相對較少。

氬氣回收系統(tǒng)投入使用后，根據(jù)統(tǒng)計測算，氬氣回收率約75%，每天回收量為6.75t，液氬采購價約1200元/噸，一年按運(yùn)行330 天計算267.3 萬元。回收成本主要是電力消耗和設(shè)備日常維護(hù)消耗，年費(fèi)用約24 萬元。該系統(tǒng)正常工作情況下，每年可創(chuàng)造效益243.3 萬元。

6 結(jié)語

該氬氣回收系統(tǒng)能夠使氣態(tài)氬氣升溫至15 ～20℃，調(diào)節(jié)氬氣進(jìn)入壓縮機(jī)前的壓力處于5 ～10kPa，壓縮后的壓力約3.0MPa，經(jīng)處理后的氬氣經(jīng)球罐緩沖后能直接供給煉鋼使用。氬氣回收系統(tǒng)能夠回收75%的氣態(tài)氬氣，減少了5.625%液氬損失，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、自動化運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。