摘要：本文介紹了MS煤氣噴霧冷卻系統在2500m3高爐上的應用。并對其系統組成及自動化控制部分做了簡介。
      關鍵詞：高爐  噴霧冷卻 煤氣

The Application of Gas Spray Cooling System to 2500M3 BF
Guo Yixiang  Wang Longjiang  Fong Guoliang

Shaosteel Ironmaking Plant
      Abstract: This thesis introduces the application of MS gas spray cooling system to 2500M3 BF and also gives a brief introduction of the composition of the system especially its automatic control part.
      Key words: BF  Spray cooling  Gas

      1 前言：
      高爐在冶煉過程中，由于煤氣流的上升，爐頂溫度通常在150-300℃之間。當爐況的波動引起爐頂溫度變化超過300℃時，為保護爐頂設備和布袋除塵器，傳統的方法是增設爐頂水冷灑水裝置。韶鋼2500m3高爐自2005年開爐以來，采用了傳統的爐頂水冷灑水裝置。這種方式的缺點主要有：灑水時水量控制不準確，冷卻不均勻，氮氣量度消耗大，往往造成后續煤氣用戶煤氣壓力波動大；水珠被帶入布袋，造成布袋粘結；爐內壓差大，影響爐料下行，降低生鐵產量；噴嘴易堵塞。為解決上述問題，決定對其進行改造。

      2 改造方案
      采用MS煤氣噴霧冷卻系統代替原爐頂水冷灑水裝置，新增一套自動化控制系統，中控樓內設遠程控制站及人機界面HMI，現場安裝控制柜并設模擬觸摸屏。該系統的優點：當噴霧時，噴嘴伸出；噴霧完畢，噴嘴縮進噴槍，避免高溫、高粉塵煤氣的沖刷，防止噴嘴由于高爐粉塵的附著、燒結導致的噴嘴堵塞；系統自診斷，能判斷噴嘴和水泵的工作狀態，及時報警；水泵與風口高壓水管形成常用、備用關系，自動檢測切換，滿足高爐的應急要求；定期清洗噴嘴，防止系統長期不動作而導致閥門銹死。運行成本低，系統不消耗氮氣。

      3 系統組成及工作原理
      3.1系統組成
      中控樓PLC包括一臺工控機和S7-300PLC，硬件 CPU315一塊，307電源一塊，16點輸入模塊三塊，16點輸出模塊三塊，8點模擬量輸入模塊2塊，及電氣控制系統。PLC控制圖中虛線連接的設備，其中上升管溫度、布袋除塵器溫度信號通過工業以太網傳送。如圖1  MS高爐煤氣噴霧冷卻系統工藝流程圖，沿爐喉圓周均布8支噴槍，圖中僅例出兩條噴槍。其中4支較大流量（15m³/h）噴槍（D型噴槍），4支較小流量（10m³/h）噴槍（X型噴槍），大小間隔均勻布置。K1、K2單向閥，防止系統在停止狀態爐內煤氣倒灌。為保證噴霧水的清潔，在水泵前增加過濾器；F1、F2是單條吹管過濾器。FK11、FK12流量開關。用于檢測該回路是否通暢。電磁流量計Z10實測量系統的總水流量。水泵與風口高壓水管形成常用、備用關系。自力式調節閥Z01，自動調節系統壓力。M7、M8高壓單相細水霧自動噴槍。

 
圖1  MS高爐煤氣噴霧冷卻系統工藝流程圖，

      （1） T1、T2、T3、T4為高爐煤氣上升管溫度，T5為重力除塵器出口溫度。
      （2） F1、F2為過濾器
      （3） K1、K2為單向閥
      （4） FK11、FK12為流量開關
      （5） V100、V120、V130、V140、為氣動球閥。
      （6） Z10為電磁流量計。
      （7） S1—S8為手動球閥
      （8） Z01 自力式調節閥
      （9） M7、M8自動噴槍

      3.2工作原理
      3.2.1噴霧原理：
      當高爐爐頂溫度超出設定溫度時（300℃）時，傳感器將信號通過工業以太網送到本控制系統，裝置發出報警，同時啟動電機（水泵），打開主球閥，短暫延時后水壓達到一定壓力（1.5-2.2MPA系統壓力由自力式調節閥自動調節)，打開預定分氣動球閥，噴槍伸出并噴霧（噴嘴受壓力感應自動伸縮，僅在噴霧時伸出噴槍，停噴時噴嘴收回噴槍，避免高粉塵煤氣的沖刷造成噴嘴外流道堵塞）。隨著爐內溫度的升/降，系統自動增加/減少分氣動球閥開啟的數量來控制噴霧量，經過時間的推移，溫度逐漸下降，系統關閉部分噴嘴以減小噴霧量，當溫度下降到250℃時，關閉所有球閥，停水泵。降溫完成。圖3  自動噴霧軟件控制框圖
      3.2.2吹掃原理：
      系統長時間未曾噴霧時，為防止噴嘴內流道堵塞，程序定期以脈沖方式對噴嘴進行吹掃，操作人員可在上位機或人機界面設定噴吹周期和脈沖時間。吹掃期間將進行噴嘴檢查，系統將噴嘴堵塞情況報警，提示操作人員進行處理。

      4 自動化控制部分
      4.1 為保持與上位機PLC一致，選用西門子S7-300作為MS噴霧冷卻系統的控制器；并入上位工業以太網。操作模式采用遠程上位監控操作（中控樓）與控制柜本地操作兩種（控制級別上中控樓高于控制柜本地操作）。如圖2 自動控制框圖。

 
                    圖2 自動控制框圖

      4.2 控制方式；
      4.2.1噴霧控制方式分手動/自動。手動控制方式：手動操作開關可隨時直接起停水泵、通過手動操作氣動球閥開關數量來控制噴霧量。自動控制方式：PLC程序根據上升管平均溫度的高低自動起動水泵及開啟閥門（同時重力除塵器溫度檢測作為備用檢測點）。自動將上升管溫度控制在相應范圍內（預設溫度在監控畫面上設定）。圖3自動噴霧軟件控制框圖，啟噴溫度，停噴溫度在人機界面可調；預設啟噴模式有降料線模式、異常高溫模式和正常降溫模式。選擇不同模式首次開啟的噴嘴球閥數量不同。

 
                 圖3  自動噴霧軟件控制框圖

      4.3噴霧異常處理
      4.3.1水泵故障：當系統發出“起動水泵”3秒后，主管路水壓低于1.5MPa，視為水泵故障，系統自動打開“V120”采用備用高壓水進行噴霧降溫。
      4.3.2異常高溫（如開爐、停爐）：在高爐開爐、停爐期間，當煤氣溫度超過600℃時，可手動選擇備用高壓水管供水。
      4.3.3噴嘴堵塞：在噴霧冷卻和噴嘴吹掃期間將進行噴嘴檢查，如出現噴嘴堵塞現象，觸摸屏及控制電腦的顯示屏顯示堵塞的噴槍位置，并提示報警。計算機將會調整噴霧模式，彌補該噴槍堵塞后噴霧量。
      4.3.4噴霧系統斷電應急設計，當高爐出現供電停電時，由備用電源供電（UPS向噴霧系統的控制柜、所有氣動球閥提供電源），使噴霧系統自動或手動切換動備用高壓水源供水進行噴霧降溫，避免出現布袋除塵器燒毀事故發生。

      5、調試中考慮的問題
      5.1 選擇合適水霧滴直徑以及提高水霧射流的穿透力是快速降溫的關鍵，大型高爐爐喉直徑在（9m）徑向布料偏析出現幾率較大，水霧射向中心區域時，將穿過高爐邊緣強煤氣流，如果水霧射流動能不足，將無法到達爐喉中心區域進行降溫。當爐況失常時，煤氣從透氣性較好的料柱部分“快速竄向”爐頂，形成“管道”。造成煤氣分布不均，溫差大。要求細水霧穿透火焰或灼熱浮升氣體到達降溫目的物。必須有一個合適的水霧直徑，粒徑過小的霧滴就無法到達灼熱的降溫目的物。水霧直徑越細，吸熱效率越高，本次改造選用的D型和X型噴槍（1.8-2.2MPa壓力下）噴槍噴霧射程5-7m，噴出水霧直徑為（D32≤200μm）。可保證爐頂溫度迅速下降。
      5.2僅強調降溫速率而忽視降溫熱功率自動調節就會出現爐頂溫度呈現脈沖式變化，導致進入布袋除塵器的煤氣中機械水含量波動，造成布袋板結。操作人員可以根據經驗設置啟噴溫度，調整對爐頂溫度的響應節律，噴霧量可在25t/h—150t/h之間平滑調整，溫度梯度可在50-100℃之間調整。由計算機控制D型噴槍（15m3/h）和X型噴槍（10m3/h）開閉數目，用D型噴槍的穿透性和X型噴槍的更細霧化粒徑實現整個爐喉截面均勻的水霧覆蓋。

      6、改造前后比較
      表1   改造前后比較

      7 結束語
      MS高爐煤氣噴霧冷卻系統自2007年投入運行以來，效果良好。爐況順行，高爐產量明顯提高，沒因此發生爐頂、布袋設備損壞事故。并在另一座750M3高爐及一座在建的3200M3高爐上得到推廣應用。

       參考文獻：《MS高爐煤氣噴霧冷卻系統說明書》