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氢冶金时代 探秘氢阀选型

2023-3-24 19:52| 发布者: 永一阀门| 查看: 142| 评论: 0

中国政府提出了中国碳达峰碳中和新的3060目标,即二氧化碳排放在2030年前达峰,到2060年前实现碳中和。氢冶金是钢铁产业和冶金行业低碳转型的重要途径和方向。全球范围内,为了实现碳中和目标,氢冶金正逐渐成为各大钢铁企业重点关注和倾力发展的方向,氢气直接还原作为氢冶金重要的技术路径,其研发和示范应用也在不断加快。


从整体上看,氢气作为高效、清洁、零碳的可持续能源,十分契合钢铁产业绿色低碳转型的发展诉求,将氢气代替碳作为还原剂,能真正做到零碳排放,是钢铁产业发展低碳经济的最佳选择。

目前国内外很多企业及设计院已经开始研究及试验氢冶炼工艺,在这些方案中,多数企业比较认可竖炉冶炼工艺。

炉体上部设为还原区,铁矿石在通过加热后与氢气进行反应,生产出铁;炉体的中间部分是炉体过渡区,从而隔离出还原区和冷却区,进而将冷却气和还原气隔离在炉体的上下两个部分;炉体的下部为冷却区,即采用冷气体将热的铁冷却到较低温度,避免热的铁在空气中被氧化。

竖炉法已经制取的氢气为还原剂,将氢气通过换热器进行加热,热的氢气进入竖炉与加热铁矿石进行反应,此时热氢气从竖炉的下部还原区进入,与自上向下的铁矿石相向而行,氢气和铁矿石能充分地进行还原反应。铁矿山被还原成铁后就进入竖炉下部的冷却区,再通过冷的气体将铁进行冷却,最后冷却后的铁通过排料机构流出竖炉进入下一道工艺。正常情况下,需要将还原后生成热的铁水进行炼钢,竖炉可不设冷却区,热的铁水直接排出竖炉装入密封罐装运到炼钢车间去冶炼。

从竖炉排出的气体,都要进行洗涤除尘工艺,出去其中的灰尘,此时有两个工艺可以选择,若采用蒸汽转化法,排出的气体还要去除CO2,若采用顶气转化法的竖炉可不脱除CO2,净化后的气体进入到下一个循环利用,通过提取其中的有用氢气,进行提纯后在进行还原利用。

以上为氢冶炼的基本工艺,相对与碳冶炼更清洁环保,必将成为新一代冶炼工艺。


对于氢冶炼用氢气的来源,目前主要有如下几种方式:

① 电解水制氢的纯度大于99.9%,目前钢厂使用的电解水制取氢气纯度99.999%;

② 煤制氢的纯度一般99.5%,一般氢气纯度92%即可满足使用要求,经济效益最好,供钢厂使用的煤制氢氢气纯度97.5%-98.5%;通过PSA氢提纯装置可以实现99.9%以上至99.99%;焦炉煤气-脱硫脱萘-压缩预处理-变压吸附制氢-脱氧干燥等工艺,实现氢气纯度99.999%,可用于燃料电池。

氢气的物理性能:氢气是一种易燃且易爆的气体,在正常状态下,氢气是一种无色、无味、无毒的气体,无腐蚀性,但有很强的渗透性,而且氢气的密度为0.09kg/m3,低于空气。

氢气的化学性能:

① 可燃性:氢气极易燃烧,氢气在空气中的爆炸极限为4.2%~74%,在氧气中的爆炸极限为5.0%~94.3%。

② 还原性:能从氧化物中热还原出中等活泼或不活泼金属粉末,还可以对带钢上的铁锈具有还原作用。


氢气对阀门的要求:

目前国内设计院对氢气系统阀门的选型多采用《氢气站设计规范》GB50177-2005的推荐,阀门的材质选用耐氢腐蚀的材料,另外根据氢气纯度不同,选用的材料也有所不同,所以需要从氢气的纯度、氢气的流速和氢气的压力分别说明对阀门材质的影响。


氢气的纯度:

① 气体纯度≥99.999%时,需要选用内壁电抛光的低碳316L不锈钢管或内壁电抛光的304不锈钢管。

② 气体纯度≥99.99%时,需要选用内壁电抛光的304不锈钢管或者无缝钢管。

③ 气体纯度<99.99%,选用无缝钢管即可,但是要注意氢原子与钢中的碳发生反应,引起表面脱碳以及微裂纹,所以优选不锈钢和低合金钢(16MnR和15CRMoR,铸件推荐WCB和WC6),因为钢中的Cr和Mo能形成稳定的碳化物,减少碳与氢的化学反应机会,从而避免甲烷气体的产生,为避免氢脆产生,需要采用衬里等保护层。

氢阀门选型推荐:

根据氢气站设计标准要求,低于99.9%氢气纯度对材质及结构要求并不高,本文针对氢气纯度大于或等于99.99%进行方案制作,阀门结构推荐的球阀和截止阀,考虑到阀门内件磨损对介质产生的影响,所以首选截止阀,球阀次之。


对于截止阀首先要考虑阀杆密封性,避免介质外漏造成的危险,阀杆密封建议选用波纹管密封和增强四氟填料两种方式,阀杆采用导向机构,防止阀板动作时对波纹管的转动。阀门的推荐口径为DN25-DN150。

阀体与阀盖之间采用法兰连接,端盖与阀体之间采用凹凸面结构,将波纹管的上端面置于阀盖与阀体的密封面之间,考虑到密封性,分别增加一道四氟垫片。不能选用橡胶垫片,橡胶垫片,因为橡胶垫片容易老化,影响阀门使用寿命。阀体与阀盖之间的螺栓应采用8.8级以上材质,阀体与阀盖之间的可靠密封,避免了此处的泄露,从而提高整个阀门的可靠性。


为避免高纯度氢气产生的氢腐蚀问题,在阀体及阀芯外表面喷涂镍基合金涂层,涂层喷涂后再进行表面抛光处理,提高表面光洁度,避免氢气穿透涂层与基体直接接触,此方案在降低了本体材料制作同时提高阀门的可靠性。


为了防止氢气逸散造成危险,在阀杆轴封处设计了波纹管密封和填料密封,通过双重密封结构,避免氢气可能通过填料函产生的外漏发生。此外对于波纹管的选材也要选用高镍合金材质,如304L不锈钢具有一定的氢损伤倾向。波纹管也要保证寿命强度要求,通常需要在常温下,阀体内承压最大工作压力,阀门完成关-开-关完整的启闭次数1万次。

为了避免阀板与阀座之间的摩擦损伤,增加阀杆导向机构,阀板运动可靠,避免密封副磨损造成流体污染。


氢气阀门及管道的安装要求:

阀门本身的制造及验收已经在厂家完成,因为氢气的易燃易爆特点,所以必须注意阀门与管道的安装满足工艺规范的要求。首先从造成氢气管道爆炸两个条件出发:一是管道内氢气与空气或氧气形成的混合气体,而且氢气与空气含量爆炸极限为4.2%~74%,极易引起爆炸;二是氢气燃烧需要的火源。所以为防止氢气爆炸事故的发生,就要消除或避免这两个情况的发生。根据这两个原则,若氢气管道中有铁锈、焊渣等杂物,当被高速氢气流带动与管壁摩擦产生火源,特别是管道内壁有毛刺、焊渣突出物时,将更容易引起爆炸的发生,为避免事故发生,必须采用措施消除上述问题。

 考虑到氢气的逸散性,阀门安装后,需要对氢气管道进行强度试验、气密性试验和泄漏量试验,也是检验施工安装质量的必要方法。相对于一般管道强度试验以液压进行,考虑到液压试验后,若水分去除不彻底则造成管道内壁锈蚀,造成安全隐患。《氢气站设计规范》GB50177-2005中规定对压力小于3.0 MPa的氢气管道可以做气压强度试验;若压力大于等于3.0 MPa的管道,为了保证安全,可以选用水压强度试验。当采用气压做强度试验时,应制定严密的安全措施,避免意外事故的发生。


氢冶炼作为下一代炼铁工艺的核心技术,对冶金行业的节能减排将起到关键的作用,必将成为各国竞争的核心技术。氢气用阀门材料的正确设计是氢气系统安全的关键,应根据氢气的工艺参数特点,并选择可靠的阀门结构,避免氢气的外漏,保证氢冶炼的正常运行。



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