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，鋼鐵行業是資源能源和CO2 排放密集型產業[1]。為早日實現2030年前碳達峰及2060年前碳中和的目標，河鋼集團公司，建設一個55萬噸還原鐵年產能，世界上第一個基于富氫焦爐煤氣的生產工廠，工廠主要包括直接還原豎爐，還原鐵冷卻器[2]。詳細介紹了還原鐵冷卻系統特點，熱的還原鐵被裝入這個冷卻系統。壓縮的冷卻氮氣是從還原鐵冷卻器圓錐段的低點被噴入的，氮氣被噴入用以提升冷卻效果。冷卻氮氣回路包含一個急冷/洗滌系統，用來冷卻和洗滌離開反應器的冷卻區域的冷卻氮氣。
關鍵詞：直接還原豎爐；還原鐵冷卻系統；復雜控制技術；氫冶金
1 還原鐵冷卻系統工藝流程
還原鐵冷卻器的主要作用是將豎爐反應器排出的 600℃的直接還原鐵冷卻至 60℃以下。冷卻氣體介質采用氮氣[3]。氮氣從冷卻器下部通入，穿過冷卻器，通過熱直接還原鐵的傳熱效應溫度提高。再經過冷卻、洗滌、凈化和加壓后實現循環利用。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急冷/洗滌系統，用來冷卻和洗滌離開冷卻器的氣體。還原鐵冷卻系統如圖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。由兩個同心管組成一個水套，工藝冷卻水通過位于內水套管上的孔供給。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。
冷卻氣體之后進入文氏管，霧化和凝聚過程在文氏管內進行, 冷卻氣體首先在收縮管內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一步霧化成更細小的液滴，這一過程稱為霧化。
在喉管中氣液兩相得到充分混合，氣體濕度達到飽和，使塵粒被水潤濕。塵粒與水滴，或塵粒與塵粒之間發生激烈的凝聚。在擴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入冷卻氣分離器進行氣液分離，達到除塵目的，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。液態水和固體在重力作用下流向分離器底部。與此同時，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入，循環水通過塔頂的噴嘴形成噴霧，下降時與向上流動的冷卻氣體接觸。由于冷卻氣體的溫度高于循環水溫度，因此循環水會吸收來自冷卻氣體的熱量，并且部分水會蒸發到冷卻氣體中。而清潔氣體則流向冷卻塔頂部。隨著循環水的蒸發，冷卻氣體的溫度會逐漸下降而冷卻氣體的含濕量會增加。塔內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入冷卻氣體壓縮機之前，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。
冷卻氣體壓縮機將氣體壓縮，并將冷卻氣體再循環至還原鐵冷卻器的冷卻段。
冷卻氣體壓縮機后冷器是一種管殼式換熱器。當壓縮機壓縮冷卻氮氣時，冷卻氮氣溫度升高，在冷卻氮氣送至還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。運行壓力899 kPa(g) 。
冷卻器脫水罐位于冷卻氣體壓縮機后冷器的下游。冷卻器脫水罐具有在冷卻氮氣進入還原鐵冷卻器前，從中除去霧或冷凝水的功能。
氮氣用作冷卻氣體循環里的補充氣體。補充的氣體和回收的冷卻氣體混合，氣體混合物經幾個位于還原鐵冷卻器圓錐段下部的噴嘴被噴入。
圖1 還原鐵冷卻系統工藝流程
Fig. 1 Process flow diagram of DRI cooling system
2 還原鐵冷卻系統復雜控制技術應用
復雜控制技術是單回路結構加多變量協調。單回路結構是基礎和核心，前饋控制克服過程側擾動，串級控制克服控制側擾動。比值控制保持兩個以上參數符合一定比例關系，如空燃比，摩爾比。實質為前饋控制，運用的高難階段為雙交叉限幅控制。多變量協調包括超馳控制，實現控制權切換。分程控制實現操縱變量切換。閥位控制實現操縱變量優化。
串級控制系統是復雜控制系統的一種，串級控制系統的主回路作為定值控制系統，副回路作為隨動控制系統，對進入副回路的擾動帶來的影響具有快速和較強的克服能力。
串級控制系統和簡單系統有一個顯著的區別，即它在結構上形成了兩個閉環。內層的閉環稱為副回路或副環，在控制過程中起著“粗調”的作用。外層的閉環稱為主回路或主環，用來完成“細調”任務，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水流量控制器串級控制
圖2 冷卻氣冷卻塔進水流量控制器串級控制
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)：與冷卻氣冷卻塔進水流量控制器組成串級控制。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，操作員給出設定值，輸出值連接到冷卻氣冷卻塔進水流量控制器設定值（如圖2所示）。
冷卻氣冷卻塔進水流量控制器(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水流量實際值。輸出值連接到調節閥(FV420501)。調節冷卻氣冷卻塔進水流量。
2.2 冷卻氣急冷器進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控制，由正常控制回路，取代控制回路與邏輯判斷部分組成。邏輯判斷部分設置關鍵參數，進行自動判別選擇合適的控制器，達到合理控制目標，避免工藝過程進入危險操作區域。
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
冷卻氣急冷器進水流量控制器(FIC410601)：它接受冷卻氣急冷器進水流量作為過程變量，操作員給出設定值，并且輸出連接到超馳高選擇器。因此如果冷卻氣急冷器進水流量增加，為了保持過程變量在設定值，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。當冷卻氣文氏管出口溫度高于設計高限，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輸入較高者，兩個輸入是冷卻氣急冷器進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水流量調節閥(FV410601)。調節冷卻氣急冷器進水流量。
2.3 冷卻氣離心式壓縮機喘振控制
冷卻氮氣從入口進入壓縮機，通過葉輪的加速后，由于離心力的作用被壓出葉輪，進入具有擴壓作用的擴壓器中，使冷卻氮氣速度降低但壓力提高了，這樣通過幾級葉輪壓縮并在經擴壓器升壓后，達到用戶需要的壓力，完成冷卻氮氣的壓縮。壓縮機壓縮冷卻氮氣使氣體升壓，實際上是一個將動能轉換成壓力能的過程[5]。
在離心壓縮機的流道中，由于工況改變，出口流量顯著減小，形成突變的失速，此時的冷卻氮氣流動情況會大大惡化。這時葉輪雖仍在旋轉，對氣體作功，但卻不能提高氣體的壓力，于是壓縮機出口壓力顯著下降。可能出現管網中壓力反大于壓縮機出口處壓力的情況，因而管網中的氣體就向壓縮機倒流，一直到管網中的壓力下降到壓縮機出口壓力為止。在整個系統中發生了周期性的氣流振蕩現象，這種現象叫壓縮機的喘振。在整個過程中，壓縮機組強烈震動，伴有異常噪聲，對壓縮機內部的密封、軸承和葉輪等附屬設施造成極大的損傷，嚴重時壓縮機會受到損壞，是正常工況下絕對不允許出現的情況。
在離心壓縮機的出口到入口的管線上安裝防喘振控制閥。通過壓縮機的防喘振控制閥將高壓側的冷卻氮氣送入低壓側，以代替部分負荷，從而使壓縮機的吸氣壓力不低于最低的極限值。防喘振系統的任務就是在出口流量降到某一安全下限時，自動地將回流到進口的防喘振控制閥打開，增大經過壓縮機的流量，防止進入喘振區。如圖3
由于離心壓縮機的負荷調節是通過改變壓縮機的轉速實現的，在不同的轉速下其喘振最小流量是一個變量。防喘振控制器應沿著喘振線工作，取流量安全下限作為防喘振控制器的設定值。當出口流量實際值值高于設定值時，防喘振控制閥全關。當實際值值低于設定值時，防喘振控制器輸出信號，將防喘振控制閥開啟，使離心壓縮機出口流量增加[6]。
冷卻氣壓縮機出口防喘振流量控制器(FIC430103)：當冷卻氣離心壓縮機出口氮氣流量低時，增加冷卻氣壓縮機防喘振調節閥開度，從而加大冷卻氣壓縮機出口到冷卻氣冷卻塔進口氮氣回流量。過程變量是冷卻氣壓縮機出口氮氣補償后流量實際值。設定值來自防喘振曲線計算形成。冷卻氣壓縮機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氣流量控制器(FIC455801)：當冷卻氣脫水罐出口氮氣流量低時，增加冷卻氣脫水罐出口氮氣流量控制器開度，從而加大冷卻氣壓縮機出口到冷卻氣冷卻塔進口氮氣回流量。同時控制冷卻氣壓縮機轉速。過程變量是冷卻氣脫水罐出口氮氣流量實際值。設定值由操作員給定。輸出值到超馳高選器(FY430103A)。
超馳高選器(FY430103A)：選擇冷卻氣壓縮機出口防喘振流量控制器與冷卻氣脫水罐出口氮氣流量控制器數值較大者，輸出值到冷卻氣壓縮機防喘振調節閥(FV430103)。調節冷卻塔進口氮氣回流量。
2.4 冷卻氣離心式壓縮機轉速控制
冷卻氣壓縮機轉速控制器(IIC430101)：冷卻氣壓縮機轉速實際值作為過程變量，操作員給出設定值，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氣流量控制器(FIC455801)與冷卻氣壓縮機轉速控制器(IIC430101)數值較低值到冷卻氣壓縮機速度設定值。控制冷卻氣壓縮機轉速。從而控制冷卻氣壓縮機出口氮氣流量。
2.5 還原鐵冷卻器錐體入口冷卻氮氣溫度控制
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氣溫度高于冷卻氣脫水罐出口溫度，通過增加冷卻氣后冷器與脫水罐旁路溫度調節閥(TV455503)開度，從而增加冷卻氣脫水罐出口溫度，達到控制進入還原鐵冷卻器錐體冷卻氮氣溫度的目的。冷卻氣脫水罐出口溫度(TI455801)作為過程變量。操作員給出設定值，輸出值送到冷卻氣后冷器與脫水罐旁路溫度調節閥(TV455503)。
2.6 冷卻氣壓縮機進口氮氣溫度控制
冷卻氣壓縮機進口氮氣溫度控制器(TIC430101)：由于冷卻氣壓縮機出口氮氣溫度大于進口溫度，當冷卻氣壓縮機進口氮氣溫度(TI430101)低時，增加冷卻氣壓縮機進口氮氣溫度調節閥(TV430101)開度，可以提高冷卻氣壓縮機進口氮氣溫度。冷卻氣壓縮機進口氮氣溫度(TI430101)作為過程變量。來自冷卻氣脫水包出口氮氣溫度(TI425801)對應函數計算值加上操作員手動設定值作為控制器設定值。輸出值送到到冷卻氣壓縮機進口氮氣溫度調節閥。
3 結束語
本文詳細介紹了直接還原豎爐還原鐵冷卻系統功能以及相關復雜控制技術。以串級控制為基礎，結合前饋控制、比值控制、超馳控制，由此演變出復雜控制技術。直接還原豎爐還原鐵冷卻系統及相關復雜控制技術應用范圍廣泛，在許多行業具備推廣價值。
由于直接還原豎爐是世界上第一個基于富氫COG的生產工廠，大部分技術處于保密期，復雜控制技術描述簡單，還原鐵冷卻系統的工藝流程介紹粗略，敬請諒解。
參考文獻
[1] 王新東.基于富氫焦爐煤氣零重整的氫冶金工程技術.《鋼鐵》，2023(5): P1-P11.
[2] 曹朝真.焦爐煤氣生產直接還原鐵關鍵技術分析. 第八屆中國鋼鐵年會論文集，2011：
[3] 于恒.氣基豎爐直接還原煉鐵流程重構優化. 中國冶金，第31卷 第1期 2021:P31-P35.
[4] 梁之凱.焦爐煤氣豎爐法生產DRI的煤氣用量及利用率. 中國冶金，第27卷第11期：
[5] 邱梓洋.典型的氣基豎爐直接還原工藝. 第十一屆全國能源與熱工學術年會：P629-P632.
[6] 張建國.談談我國直接還原鐵技術的發展之路[J]. 中國廢鋼鐵，2015(3)：P42-P47.