郝廣春
（河鋼宣鋼檢修公司 河北省張家口市 075100）
摘 要：我國已成為世界上CO2排放量最大的國家，鋼鐵行業(yè)是資源能源和CO2 排放密集型產(chǎn)業(yè)[1]。為早日實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰及2060年前碳中和的目標(biāo)，河鋼集團(tuán)公司，建設(shè)一個(gè)55萬噸還原鐵年產(chǎn)能，世界上第一個(gè)基于富氫焦?fàn)t煤氣的生產(chǎn)工廠，工廠主要包括直接還原豎爐，還原鐵冷卻器[2]。詳細(xì)介紹了還原鐵冷卻系統(tǒng)特點(diǎn)，熱的還原鐵被裝入這個(gè)冷卻系統(tǒng)。壓縮的冷卻氮?dú)馐菑倪€原鐵冷卻器圓錐段的低點(diǎn)被噴入的，氮?dú)獗粐娙胗靡蕴嵘鋮s效果。冷卻氮?dú)饣芈钒粋€(gè)急冷/洗滌系統(tǒng)，用來冷卻和洗滌離開反應(yīng)器的冷卻區(qū)域的冷卻氮?dú)狻?/p>
關(guān)鍵詞：直接還原豎爐；還原鐵冷卻系統(tǒng)；復(fù)雜控制技術(shù)；氫冶金
1 還原鐵冷卻系統(tǒng)工藝流程
還原鐵冷卻器的主要作用是將豎爐反應(yīng)器排出的 600℃的直接還原鐵冷卻至 60℃以下。冷卻氣體介質(zhì)采用氮?dú)?sup>[3]。氮?dú)鈴睦鋮s器下部通入，穿過冷卻器，通過熱直接還原鐵的傳熱效應(yīng)溫度提高。再經(jīng)過冷卻、洗滌、凈化和加壓后實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。冷卻氣體的出口位于還原鐵冷卻器的上部。冷卻氣體回路包含一個(gè)急冷/洗滌系統(tǒng)，用來冷卻和洗滌離開冷卻器的氣體。還原鐵冷卻系統(tǒng)如圖1所示。
冷卻氣體急冷器位于還原鐵冷卻器的冷卻氣體出口處。由兩個(gè)同心管組成一個(gè)水套，工藝?yán)鋮s水通過位于內(nèi)水套管上的孔供給。熱冷卻氣體離開還原鐵冷卻器，穿過冷卻氣急冷器。由直接接觸水冷卻，被快速冷卻并降溫。
冷卻氣體之后進(jìn)入文氏管，霧化和凝聚過程在文氏管內(nèi)進(jìn)行, 冷卻氣體首先在收縮管內(nèi)加速用以提供較高的喉部流速，冷卻水通過沿喉管周邊的噴嘴噴入，液滴在喉管被高速氣流沖擊進(jìn)一步霧化成更細(xì)小的液滴，這一過程稱為霧化。
在喉管中氣液兩相得到充分混合，氣體濕度達(dá)到飽和，使塵粒被水潤濕。塵粒與水滴，或塵粒與塵粒之間發(fā)生激烈的凝聚。在擴(kuò)散管中氣流速度減小，凝聚成較大的含塵液滴，更易于捕集。水滴與粉塵顆粒凝聚成較大的含塵液滴過程稱為凝聚過程。
含塵冷卻氣體隨后進(jìn)入冷卻氣分離器進(jìn)行氣液分離，達(dá)到除塵目的，這一過程稱為分離除塵過程。冷卻氣分離器將夾帶固體的水從氣流中分離出來。液態(tài)水和固體在重力作用下流向分離器底部。與此同時(shí)，已凈化的氣體則流向分離器頂部。冷卻水被源源不斷注入，用以改善氣體的潔凈度。向冷卻氣分離器錐體持續(xù)注水可避免固體在管壁中積聚[4]。
在冷卻氣冷卻塔中，冷卻氣體由塔的底部進(jìn)入，循環(huán)水通過塔頂?shù)膰娮煨纬蓢婌F，下降時(shí)與向上流動(dòng)的冷卻氣體接觸。由于冷卻氣體的溫度高于循環(huán)水溫度，因此循環(huán)水會(huì)吸收來自冷卻氣體的熱量，并且部分水會(huì)蒸發(fā)到冷卻氣體中。而清潔氣體則流向冷卻塔頂部。隨著循環(huán)水的蒸發(fā)，冷卻氣體的溫度會(huì)逐漸下降而冷卻氣體的含濕量會(huì)增加。塔內(nèi)冷卻氣體中固體顆粒以及酸性氣體被清洗掉。夾帶固體的水從氣流中分離出來。在重力作用下流向容器底部，然后送至水處理車間。
冷卻氣脫水包的功能是在冷卻氣體進(jìn)入冷卻氣體壓縮機(jī)之前，脫除冷卻氣體攜帶的剩余水滴。水收集在脫水包底部，然后然后送至水處理廠。
冷卻氣體壓縮機(jī)將氣體壓縮，并將冷卻氣體再循環(huán)至還原鐵冷卻器的冷卻段。
冷卻氣體壓縮機(jī)后冷器是一種管殼式換熱器。當(dāng)壓縮機(jī)壓縮冷卻氮?dú)鈺r(shí)，冷卻氮?dú)鉁囟壬撸诶鋮s氮?dú)馑椭吝€原鐵冷卻器之前需要冷卻下來。后冷器入口處氣體溫度 64.9°C，出口氣體溫度40 °C。運(yùn)行壓力899 kPa(g) 。
冷卻器脫水罐位于冷卻氣體壓縮機(jī)后冷器的下游。冷卻器脫水罐具有在冷卻氮?dú)膺M(jìn)入還原鐵冷卻器前，從中除去霧或冷凝水的功能。
氮?dú)庥米骼鋮s氣體循環(huán)里的補(bǔ)充氣體。補(bǔ)充的氣體和回收的冷卻氣體混合，氣體混合物經(jīng)幾個(gè)位于還原鐵冷卻器圓錐段下部的噴嘴被噴入。
圖1 還原鐵冷卻系統(tǒng)工藝流程
Fig. 1 Process flow diagram of DRI cooling system
2 還原鐵冷卻系統(tǒng)復(fù)雜控制技術(shù)應(yīng)用
復(fù)雜控制技術(shù)是單回路結(jié)構(gòu)加多變量協(xié)調(diào)。單回路結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)和核心，前饋控制克服過程側(cè)擾動(dòng)，串級(jí)控制克服控制側(cè)擾動(dòng)。比值控制保持兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系，如空燃比，摩爾比。實(shí)質(zhì)為前饋控制，運(yùn)用的高難階段為雙交叉限幅控制。多變量協(xié)調(diào)包括超馳控制，實(shí)現(xiàn)控制權(quán)切換。分程控制實(shí)現(xiàn)操縱變量切換。閥位控制實(shí)現(xiàn)操縱變量優(yōu)化。
串級(jí)控制系統(tǒng)是復(fù)雜控制系統(tǒng)的一種，串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路作為定值控制系統(tǒng)，副回路作為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，對進(jìn)入副回路的擾動(dòng)帶來的影響具有快速和較強(qiáng)的克服能力。
串級(jí)控制系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別，即它在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。內(nèi)層的閉環(huán)稱為副回路或副環(huán)，在控制過程中起著“粗調(diào)”的作用。外層的閉環(huán)稱為主回路或主環(huán)，用來完成“細(xì)調(diào)”任務(wù)，以最終保證被控量滿足工藝要求。
2.1 冷卻氣冷卻塔出口溫度控制器與冷卻氣冷卻塔進(jìn)水流量控制器串級(jí)控制
圖2 冷卻氣冷卻塔進(jìn)水流量控制器串級(jí)控制
Fig.2 Cascade control diagram for inlet water flow of cooling gas quench tower
冷卻氣冷卻塔出口溫度控制器(TIC420502)：與冷卻氣冷卻塔進(jìn)水流量控制器組成串級(jí)控制。冷卻氣冷卻塔出口溫度控制器是主控制器，接受冷卻塔出口溫度作為過程變量，操作員給出設(shè)定值，輸出值連接到冷卻氣冷卻塔進(jìn)水流量控制器設(shè)定值（如圖2所示）。
冷卻氣冷卻塔進(jìn)水流量控制器(FIC420501)：接受冷卻氣冷卻塔出口溫度控制器輸出值作為設(shè)定值，但它有底限，水流量不能為零。(例如不少于20 %)。過程變量是冷卻氣冷卻塔進(jìn)水流量實(shí)際值。輸出值連接到調(diào)節(jié)閥(FV420501)。調(diào)節(jié)冷卻氣冷卻塔進(jìn)水流量。
2.2 冷卻氣急冷器進(jìn)水流量控制器與冷卻氣文氏管出口溫度控制器超馳控制
超馳控制也稱選擇性控制或軟保護(hù)控制，由正?？刂苹芈?，取代控制回路與邏輯判斷部分組成。邏輯判斷部分設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)判別選擇合適的控制器，達(dá)到合理控制目標(biāo)，避免工藝過程進(jìn)入危險(xiǎn)操作區(qū)域。
圖3 冷卻氣文氏管出口溫度超馳控制
Fig.3 Override control diagram for output temperature of cooling gas venturi
冷卻氣急冷器進(jìn)水流量控制器(FIC410601)：它接受冷卻氣急冷器進(jìn)水流量作為過程變量，操作員給出設(shè)定值，并且輸出連接到超馳高選擇器。因此如果冷卻氣急冷器進(jìn)水流量增加，為了保持過程變量在設(shè)定值，控制器輸出將減少。
冷卻氣文氏管出口溫度控制器(TIC410601)：這是溫度限制控制，為了防止熱工藝氣引起熱膨脹而損壞設(shè)備，它接受冷卻氣文氏管出口溫度(TI410601)作為過程變量，操作員給出設(shè)定值，并且輸出連接到超馳高選擇器。因此如果冷卻氣文氏管出口溫度增加，控制器輸出將增加。當(dāng)冷卻氣文氏管出口溫度高于設(shè)計(jì)高限，冷卻氣文氏管出口溫度控制器將超馳高選擇器。
超馳高選擇器(FY410601)：超馳高選擇器選擇兩個(gè)輸入較高者，兩個(gè)輸入是冷卻氣急冷器進(jìn)水流量控制器和冷卻氣文氏管出口溫度控制器，它輸出連接到冷卻氣急冷器進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥(FV410601)。調(diào)節(jié)冷卻氣急冷器進(jìn)水流量。
2.3 冷卻氣離心式壓縮機(jī)喘振控制
冷卻氮?dú)鈴娜肟谶M(jìn)入壓縮機(jī)，通過葉輪的加速后，由于離心力的作用被壓出葉輪，進(jìn)入具有擴(kuò)壓作用的擴(kuò)壓器中，使冷卻氮?dú)馑俣冉档偷珘毫μ岣吡耍@樣通過幾級(jí)葉輪壓縮并在經(jīng)擴(kuò)壓器升壓后，達(dá)到用戶需要的壓力，完成冷卻氮?dú)獾膲嚎s。壓縮機(jī)壓縮冷卻氮?dú)馐箽怏w升壓，實(shí)際上是一個(gè)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能的過程[5]。
在離心壓縮機(jī)的流道中，由于工況改變，出口流量顯著減小，形成突變的失速，此時(shí)的冷卻氮?dú)饬鲃?dòng)情況會(huì)大大惡化。這時(shí)葉輪雖仍在旋轉(zhuǎn)，對氣體作功，但卻不能提高氣體的壓力，于是壓縮機(jī)出口壓力顯著下降?？赡艹霈F(xiàn)管網(wǎng)中壓力反大于壓縮機(jī)出口處壓力的情況，因而管網(wǎng)中的氣體就向壓縮機(jī)倒流，一直到管網(wǎng)中的壓力下降到壓縮機(jī)出口壓力為止。在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫壓縮機(jī)的喘振。在整個(gè)過程中，壓縮機(jī)組強(qiáng)烈震動(dòng)，伴有異常噪聲，對壓縮機(jī)內(nèi)部的密封、軸承和葉輪等附屬設(shè)施造成極大的損傷，嚴(yán)重時(shí)壓縮機(jī)會(huì)受到損壞，是正常工況下絕對不允許出現(xiàn)的情況。
在離心壓縮機(jī)的出口到入口的管線上安裝防喘振控制閥。通過壓縮機(jī)的防喘振控制閥將高壓側(cè)的冷卻氮?dú)馑腿氲蛪簜?cè)，以代替部分負(fù)荷，從而使壓縮機(jī)的吸氣壓力不低于最低的極限值。防喘振系統(tǒng)的任務(wù)就是在出口流量降到某一安全下限時(shí)，自動(dòng)地將回流到進(jìn)口的防喘振控制閥打開，增大經(jīng)過壓縮機(jī)的流量，防止進(jìn)入喘振區(qū)。如圖3
由于離心壓縮機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)是通過改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的，在不同的轉(zhuǎn)速下其喘振最小流量是一個(gè)變量。防喘振控制器應(yīng)沿著喘振線工作，取流量安全下限作為防喘振控制器的設(shè)定值。當(dāng)出口流量實(shí)際值值高于設(shè)定值時(shí)，防喘振控制閥全關(guān)。當(dāng)實(shí)際值值低于設(shè)定值時(shí)，防喘振控制器輸出信號(hào)，將防喘振控制閥開啟，使離心壓縮機(jī)出口流量增加[6]。
冷卻氣壓縮機(jī)出口防喘振流量控制器(FIC430103)：當(dāng)冷卻氣離心壓縮機(jī)出口氮?dú)饬髁康蜁r(shí)，增加冷卻氣壓縮機(jī)防喘振調(diào)節(jié)閥開度，從而加大冷卻氣壓縮機(jī)出口到冷卻氣冷卻塔進(jìn)口氮?dú)饣亓髁?。過程變量是冷卻氣壓縮機(jī)出口氮?dú)庋a(bǔ)償后流量實(shí)際值。設(shè)定值來自防喘振曲線計(jì)算形成。冷卻氣壓縮機(jī)出口防喘振流量控制器輸出值到超馳高選器。
冷卻氣脫水罐出口氮?dú)饬髁靠刂破?FIC455801)：當(dāng)冷卻氣脫水罐出口氮?dú)饬髁康蜁r(shí)，增加冷卻氣脫水罐出口氮?dú)饬髁靠刂破鏖_度，從而加大冷卻氣壓縮機(jī)出口到冷卻氣冷卻塔進(jìn)口氮?dú)饣亓髁俊Ｍ瑫r(shí)控制冷卻氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。過程變量是冷卻氣脫水罐出口氮?dú)饬髁繉?shí)際值。設(shè)定值由操作員給定。輸出值到超馳高選器(FY430103A)。
超馳高選器(FY430103A)：選擇冷卻氣壓縮機(jī)出口防喘振流量控制器與冷卻氣脫水罐出口氮?dú)饬髁靠刂破鲾?shù)值較大者，輸出值到冷卻氣壓縮機(jī)防喘振調(diào)節(jié)閥(FV430103)。調(diào)節(jié)冷卻塔進(jìn)口氮?dú)饣亓髁俊?/p>
2.4 冷卻氣離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制
冷卻氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制器(IIC430101)：冷卻氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值作為過程變量，操作員給出設(shè)定值，并且輸出連接到超馳低選器(SY430107) 如圖2所示。
超馳低選器(SY430107)：選擇冷卻氣脫水罐出口氮?dú)饬髁靠刂破?FIC455801)與冷卻氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制器(IIC430101)數(shù)值較低值到冷卻氣壓縮機(jī)速度設(shè)定值?？刂评鋮s氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。從而控制冷卻氣壓縮機(jī)出口氮?dú)饬髁俊?/p>
2.5 還原鐵冷卻器錐體入口冷卻氮?dú)鉁囟瓤刂?/p>
冷卻氣后冷器與脫水罐旁路溫度控制器(TIC455801)：由于冷卻氣后冷器入口氮?dú)鉁囟雀哂诶鋮s氣脫水罐出口溫度，通過增加冷卻氣后冷器與脫水罐旁路溫度調(diào)節(jié)閥(TV455503)開度，從而增加冷卻氣脫水罐出口溫度，達(dá)到控制進(jìn)入還原鐵冷卻器錐體冷卻氮?dú)鉁囟鹊哪康摹＠鋮s氣脫水罐出口溫度(TI455801)作為過程變量。操作員給出設(shè)定值，輸出值送到冷卻氣后冷器與脫水罐旁路溫度調(diào)節(jié)閥(TV455503)。
2.6 冷卻氣壓縮機(jī)進(jìn)口氮?dú)鉁囟瓤刂?/p>
冷卻氣壓縮機(jī)進(jìn)口氮?dú)鉁囟瓤刂破?TIC430101)：由于冷卻氣壓縮機(jī)出口氮?dú)鉁囟却笥谶M(jìn)口溫度，當(dāng)冷卻氣壓縮機(jī)進(jìn)口氮?dú)鉁囟?TI430101)低時(shí)，增加冷卻氣壓縮機(jī)進(jìn)口氮?dú)鉁囟日{(diào)節(jié)閥(TV430101)開度，可以提高冷卻氣壓縮機(jī)進(jìn)口氮?dú)鉁囟?。冷卻氣壓縮機(jī)進(jìn)口氮?dú)鉁囟?TI430101)作為過程變量。來自冷卻氣脫水包出口氮?dú)鉁囟?TI425801)對應(yīng)函數(shù)計(jì)算值加上操作員手動(dòng)設(shè)定值作為控制器設(shè)定值。輸出值送到到冷卻氣壓縮機(jī)進(jìn)口氮?dú)鉁囟日{(diào)節(jié)閥。
3 結(jié)束語
本文詳細(xì)介紹了直接還原豎爐還原鐵冷卻系統(tǒng)功能以及相關(guān)復(fù)雜控制技術(shù)。以串級(jí)控制為基礎(chǔ)，結(jié)合前饋控制、比值控制、超馳控制，由此演變出復(fù)雜控制技術(shù)。直接還原豎爐還原鐵冷卻系統(tǒng)及相關(guān)復(fù)雜控制技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，在許多行業(yè)具備推廣價(jià)值。
由于直接還原豎爐是世界上第一個(gè)基于富氫COG的生產(chǎn)工廠，大部分技術(shù)處于保密期，復(fù)雜控制技術(shù)描述簡單，還原鐵冷卻系統(tǒng)的工藝流程介紹粗略，敬請諒解。
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