郝广春
（河钢宣钢检修公司 河北省张家口市 075100）
摘 要：我国已成为世界上CO2排放量最大的国家，钢铁行业是资源能源和CO2 排放密集型产业[1]。为早日实现2030年前碳达峰及2060年前碳中和的目标，河钢集团公司，建设一个55万吨还原铁年产能，世界上第一个基于富氢焦炉煤气的生产工厂，工厂主要包括直接还原竖炉，还原铁冷却器[2]。详细介绍了还原铁冷却系统特点，热的还原铁被装入这个冷却系统。压缩的冷却氮气是从还原铁冷却器圆锥段的低点被喷入的，氮气被喷入用以提升冷却效果。冷却氮气回路包含一个急冷/洗涤系统，用来冷却和洗涤离开反应器的冷却区域的冷却氮气。
关键词：直接还原竖炉；还原铁冷却系统；复杂控制技术；氢冶金
1 还原铁冷却系统工艺流程
还原铁冷却器的主要作用是将竖炉反应器排出的 600℃的直接还原铁冷却至 60℃以下。冷却气体介质采用氮气[3]。氮气从冷却器下部通入，穿过冷却器，通过热直接还原铁的传热效应温度提高。再经过冷却、洗涤、净化和加压后实现循环利用。冷却气体的出口位于还原铁冷却器的上部。冷却气体回路包含一个急冷/洗涤系统，用来冷却和洗涤离开冷却器的气体。还原铁冷却系统如图1所示。
冷却气体急冷器位于还原铁冷却器的冷却气体出口处。由两个同心管组成一个水套，工艺冷却水通过位于内水套管上的孔供给。热冷却气体离开还原铁冷却器，穿过冷却气急冷器。由直接接触水冷却，被快速冷却并降温。
冷却气体之后进入文氏管，雾化和凝聚过程在文氏管内进行, 冷却气体首先在收缩管内加速用以提供较高的喉部流速，冷却水通过沿喉管周边的喷嘴喷入，液滴在喉管被高速气流冲击进一步雾化成更细小的液滴，这一过程称为雾化。
在喉管中气液两相得到充分混合，气体湿度达到饱和，使尘粒被水润湿。尘粒与水滴，或尘粒与尘粒之间发生激烈的凝聚。在扩散管中气流速度减小，凝聚成较大的含尘液滴，更易于捕集。水滴与粉尘颗粒凝聚成较大的含尘液滴过程称为凝聚过程。
含尘冷却气体随后进入冷却气分离器进行气液分离，达到除尘目的，这一过程称为分离除尘过程。冷却气分离器将夹带固体的水从气流中分离出来。液态水和固体在重力作用下流向分离器底部。与此同时，已净化的气体则流向分离器顶部。冷却水被源源不断注入，用以改善气体的洁净度。向冷却气分离器锥体持续注水可避免固体在管壁中积聚[4]。
在冷却气冷却塔中，冷却气体由塔的底部进入，循环水通过塔顶的喷嘴形成喷雾，下降时与向上流动的冷却气体接触。由于冷却气体的温度高于循环水温度，因此循环水会吸收来自冷却气体的热量，并且部分水会蒸发到冷却气体中。而清洁气体则流向冷却塔顶部。随着循环水的蒸发，冷却气体的温度会逐渐下降而冷却气体的含湿量会增加。塔内冷却气体中固体颗粒以及酸性气体被清洗掉。夹带固体的水从气流中分离出来。在重力作用下流向容器底部，然后送至水处理车间。
冷却气脱水包的功能是在冷却气体进入冷却气体压缩机之前，脱除冷却气体携带的剩余水滴。水收集在脱水包底部，然后然后送至水处理厂。
冷却气体压缩机将气体压缩，并将冷却气体再循环至还原铁冷却器的冷却段。
冷却气体压缩机后冷器是一种管壳式换热器。当压缩机压缩冷却氮气时，冷却氮气温度升高，在冷却氮气送至还原铁冷却器之前需要冷却下来。后冷器入口处气体温度 64.9°C，出口气体温度40 °C。运行压力899 kPa(g) 。
冷却器脱水罐位于冷却气体压缩机后冷器的下游。冷却器脱水罐具有在冷却氮气进入还原铁冷却器前，从中除去雾或冷凝水的功能。
氮气用作冷却气体循环里的补充气体。补充的气体和回收的冷却气体混合，气体混合物经几个位于还原铁冷却器圆锥段下部的喷嘴被喷入。
图1 还原铁冷却系统工艺流程
Fig. 1 Process flow diagram of DRI cooling system
2 还原铁冷却系统复杂控制技术应用
复杂控制技术是单回路结构加多变量协调。单回路结构是基础和核心，前馈控制克服过程侧扰动，串级控制克服控制侧扰动。比值控制保持两个以上参数符合一定比例关系，如空燃比，摩尔比。实质为前馈控制，运用的高难阶段为双交叉限幅控制。多变量协调包括超驰控制，实现控制权切换。分程控制实现操纵变量切换。阀位控制实现操纵变量优化。
串级控制系统是复杂控制系统的一种，串级控制系统的主回路作为定值控制系统，副回路作为随动控制系统，对进入副回路的扰动带来的影响具有快速和较强的克服能力。
串级控制系统和简单系统有一个显著的区别，即它在结构上形成了两个闭环。内层的闭环称为副回路或副环，在控制过程中起着“粗调”的作用。外层的闭环称为主回路或主环，用来完成“细调”任务，以最终保证被控量满足工艺要求。
2.1 冷却气冷却塔出口温度控制器与冷却气冷却塔进水流量控制器串级控制
图2 冷却气冷却塔进水流量控制器串级控制
Fig.2 Cascade control diagram for inlet water flow of cooling gas quench tower
冷却气冷却塔出口温度控制器(TIC420502)：与冷却气冷却塔进水流量控制器组成串级控制。冷却气冷却塔出口温度控制器是主控制器，接受冷却塔出口温度作为过程变量，操作员给出设定值，输出值连接到冷却气冷却塔进水流量控制器设定值（如图2所示）。
冷却气冷却塔进水流量控制器(FIC420501)：接受冷却气冷却塔出口温度控制器输出值作为设定值，但它有底限，水流量不能为零。(例如不少于20 %)。过程变量是冷却气冷却塔进水流量实际值。输出值连接到调节阀(FV420501)。调节冷却气冷却塔进水流量。
2.2 冷却气急冷器进水流量控制器与冷却气文氏管出口温度控制器超驰控制
超驰控制也称选择性控制或软保护控制，由正常控制回路，取代控制回路与逻辑判断部分组成。逻辑判断部分设置关键参数，进行自动判别选择合适的控制器，达到合理控制目标，避免工艺过程进入危险操作区域。
图3 冷却气文氏管出口温度超驰控制
Fig.3 Override control diagram for output temperature of cooling gas venturi
冷却气急冷器进水流量控制器(FIC410601)：它接受冷却气急冷器进水流量作为过程变量，操作员给出设定值，并且输出连接到超驰高选择器。因此如果冷却气急冷器进水流量增加，为了保持过程变量在设定值，控制器输出将减少。
冷却气文氏管出口温度控制器(TIC410601)：这是温度限制控制，为了防止热工艺气引起热膨胀而损坏设备，它接受冷却气文氏管出口温度(TI410601)作为过程变量，操作员给出设定值，并且输出连接到超驰高选择器。因此如果冷却气文氏管出口温度增加，控制器输出将增加。当冷却气文氏管出口温度高于设计高限，冷却气文氏管出口温度控制器将超驰高选择器。
超驰高选择器(FY410601)：超驰高选择器选择两个输入较高者，两个输入是冷却气急冷器进水流量控制器和冷却气文氏管出口温度控制器，它输出连接到冷却气急冷器进水流量调节阀(FV410601)。调节冷却气急冷器进水流量。
2.3 冷却气离心式压缩机喘振控制
冷却氮气从入口进入压缩机，通过叶轮的加速后，由于离心力的作用被压出叶轮，进入具有扩压作用的扩压器中，使冷却氮气速度降低但压力提高了，这样通过几级叶轮压缩并在经扩压器升压后，达到用户需要的压力，完成冷却氮气的压缩。压缩机压缩冷却氮气使气体升压，实际上是一个将动能转换成压力能的过程[5]。
在离心压缩机的流道中，由于工况改变，出口流量显著减小，形成突变的失速，此时的冷却氮气流动情况会大大恶化。这时叶轮虽仍在旋转，对气体作功，但却不能提高气体的压力，于是压缩机出口压力显著下降。可能出现管网中压力反大于压缩机出口处压力的情况，因而管网中的气体就向压缩机倒流，一直到管网中的压力下降到压缩机出口压力为止。在整个系统中发生了周期性的气流振荡现象，这种现象叫压缩机的喘振。在整个过程中，压缩机组强烈震动，伴有异常噪声，对压缩机内部的密封、轴承和叶轮等附属设施造成极大的损伤，严重时压缩机会受到损坏，是正常工况下绝对不允许出现的情况。
在离心压缩机的出口到入口的管线上安装防喘振控制阀。通过压缩机的防喘振控制阀将高压侧的冷却氮气送入低压侧，以代替部分负荷，从而使压缩机的吸气压力不低于最低的极限值。防喘振系统的任务就是在出口流量降到某一安全下限时，自动地将回流到进口的防喘振控制阀打开，增大经过压缩机的流量，防止进入喘振区。如图3
由于离心压缩机的负荷调节是通过改变压缩机的转速实现的，在不同的转速下其喘振最小流量是一个变量。防喘振控制器应沿着喘振线工作，取流量安全下限作为防喘振控制器的设定值。当出口流量实际值值高于设定值时，防喘振控制阀全关。当实际值值低于设定值时，防喘振控制器输出信号，将防喘振控制阀开启，使离心压缩机出口流量增加[6]。
冷却气压缩机出口防喘振流量控制器(FIC430103)：当冷却气离心压缩机出口氮气流量低时，增加冷却气压缩机防喘振调节阀开度，从而加大冷却气压缩机出口到冷却气冷却塔进口氮气回流量。过程变量是冷却气压缩机出口氮气补偿后流量实际值。设定值来自防喘振曲线计算形成。冷却气压缩机出口防喘振流量控制器输出值到超驰高选器。
冷却气脱水罐出口氮气流量控制器(FIC455801)：当冷却气脱水罐出口氮气流量低时，增加冷却气脱水罐出口氮气流量控制器开度，从而加大冷却气压缩机出口到冷却气冷却塔进口氮气回流量。同时控制冷却气压缩机转速。过程变量是冷却气脱水罐出口氮气流量实际值。设定值由操作员给定。输出值到超驰高选器(FY430103A)。
超驰高选器(FY430103A)：选择冷却气压缩机出口防喘振流量控制器与冷却气脱水罐出口氮气流量控制器数值较大者，输出值到冷却气压缩机防喘振调节阀(FV430103)。调节冷却塔进口氮气回流量。
2.4 冷却气离心式压缩机转速控制
冷却气压缩机转速控制器(IIC430101)：冷却气压缩机转速实际值作为过程变量，操作员给出设定值，并且输出连接到超驰低选器(SY430107) 如图2所示。
超驰低选器(SY430107)：选择冷却气脱水罐出口氮气流量控制器(FIC455801)与冷却气压缩机转速控制器(IIC430101)数值较低值到冷却气压缩机速度设定值。控制冷却气压缩机转速。从而控制冷却气压缩机出口氮气流量。
2.5 还原铁冷却器锥体入口冷却氮气温度控制
冷却气后冷器与脱水罐旁路温度控制器(TIC455801)：由于冷却气后冷器入口氮气温度高于冷却气脱水罐出口温度，通过增加冷却气后冷器与脱水罐旁路温度调节阀(TV455503)开度，从而增加冷却气脱水罐出口温度，达到控制进入还原铁冷却器锥体冷却氮气温度的目的。冷却气脱水罐出口温度(TI455801)作为过程变量。操作员给出设定值，输出值送到冷却气后冷器与脱水罐旁路温度调节阀(TV455503)。
2.6 冷却气压缩机进口氮气温度控制
冷却气压缩机进口氮气温度控制器(TIC430101)：由于冷却气压缩机出口氮气温度大于进口温度，当冷却气压缩机进口氮气温度(TI430101)低时，增加冷却气压缩机进口氮气温度调节阀(TV430101)开度，可以提高冷却气压缩机进口氮气温度。冷却气压缩机进口氮气温度(TI430101)作为过程变量。来自冷却气脱水包出口氮气温度(TI425801)对应函数计算值加上操作员手动设定值作为控制器设定值。输出值送到到冷却气压缩机进口氮气温度调节阀。
3 结束语
本文详细介绍了直接还原竖炉还原铁冷却系统功能以及相关复杂控制技术。以串级控制为基础，结合前馈控制、比值控制、超驰控制，由此演变出复杂控制技术。直接还原竖炉还原铁冷却系统及相关复杂控制技术应用范围广泛，在许多行业具备推广价值。
由于直接还原竖炉是世界上第一个基于富氢COG的生产工厂，大部分技术处于保密期，复杂控制技术描述简单，还原铁冷却系统的工艺流程介绍粗略，敬请谅解。
参考文献
[1] 王新东.基于富氢焦炉煤气零重整的氢冶金工程技术.《钢铁》，2023(5): P1-P11.
[2] 曹朝真.焦炉煤气生产直接还原铁关键技术分析. 第八届中国钢铁年会论文集，2011：
[3] 于恒.气基竖炉直接还原炼铁流程重构优化. 中国冶金，第31卷 第1期 2021:P31-P35.
[4] 梁之凯.焦炉煤气竖炉法生产DRI的煤气用量及利用率. 中国冶金，第27卷第11期：
[5] 邱梓洋.典型的气基竖炉直接还原工艺. 第十一届全国能源与热工学术年会：P629-P632.
[6] 张建国.谈谈我国直接还原铁技术的发展之路[J]. 中国废钢铁，2015(3)：P42-P47.