一、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎產(chǎn)業(yè)，是國家經(jīng)濟水平和綜合國力的重要標志。中國已成為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國和消費國，鋼產(chǎn)量和消費量占世界50%以上。鋼鐵行業(yè)污染物排放具排放量大、排污點多、工況差異大、污染因子種類多等特征，治理難度大，任重而道遠。
2019年生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展和改革委員會等五部委聯(lián)合發(fā)布《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，正式開啟了我國鋼鐵行業(yè)超低排放改造進程，近年來大氣治理成效顯著，環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善，為打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)提供有力支撐。在超低排放改造過程中，各種煙氣治理技術百花齊放，確保了超低排放目標的穩(wěn)步實現(xiàn)。煙氣脫硫脫硝是超低排放改造的核心環(huán)節(jié)，而活性焦脫硫脫硝工藝由于具有優(yōu)異的煙氣凈化效果、無二次固廢產(chǎn)生以及實現(xiàn)硫資源高效回收等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)獲得了快速的發(fā)展，成為應用范圍最廣的煙氣凈化技術。
在鋼鐵煙氣凈化領域，雖然國內(nèi)已有數(shù)百套活性焦脫硫脫硝裝置成功投入運行，但在已投運的裝置中，普遍存在活性焦著火導致熱點事故頻發(fā)、解析塔腐蝕嚴重導致活性焦無法充分解析再生、床層板結導致模塊透氣性快速變差等問題，嚴重影響活性焦工藝的穩(wěn)定高效低成本運行。
按照國家環(huán)保要求，沙鋼結合企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營和工藝裝備特點，2017年啟動超低排放相關技術的研究及應用工作，并于2018年開始全面開展超低排放改造。經(jīng)過充分論證和研究，沙鋼將活性焦煙氣凈化工藝作為煙氣治理的主要選擇，于2019年-2020年先后投運了9套活性焦煙氣脫硫脫硝裝置，其中燒結球團4套、焦化5套。在活性焦煙氣凈化工藝的運行過程中，以上問題在各套系統(tǒng)中均先后出現(xiàn)，給超低排放工作的穩(wěn)步推進帶來了極大的困難。雖然以上問題為業(yè)內(nèi)共性難題，但尚未找到系統(tǒng)性的解決方法，相關公開的研究報道很少。
基于沙鋼實際情況及行業(yè)共性難題，沙鋼聯(lián)合相關單位開展了活性焦煙氣凈化工藝控制模型研發(fā)及穩(wěn)定應用項目，對如何通過模型控制實現(xiàn)活性焦系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行進行了深入的研究和創(chuàng)新實踐，并對活性焦工藝生產(chǎn)運行中存在的共性問題提出了系統(tǒng)性的解決方案。本項目在活性焦煙氣脫硫脫硝工藝優(yōu)化與改進方面做出了大量開創(chuàng)性的工作，尤其是自動噴氨、循環(huán)速度優(yōu)化等控制模型的開發(fā)填補了行業(yè)空白。各類模型和工藝技術優(yōu)化工作不僅解決了沙鋼自身出現(xiàn)的問題，也率先申報了相關技術專利，可為活性焦煙氣凈化工藝的進一步發(fā)展和創(chuàng)新優(yōu)化提供參考和借鑒，助力我國鋼鐵行業(yè)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。
二、解決問題的思路與技術方案
1、解決問題的思路
本項目圍繞“活性焦煙氣凈化工藝控制模型研發(fā)及穩(wěn)定應用”展開研究，首先研究燒結過程主要污染生成機理，通過燒結過程參數(shù)預測污染物生成濃度；然后基于污染物濃度預測，開發(fā)活性焦循環(huán)速度計算模型和氨水流量預測模型；最后將模型應用于現(xiàn)場一級操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對活性焦系統(tǒng)操作的在線指導，保證系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定超低排放并降低關鍵物料消耗。各個階段分步驟逐步推進，保證基礎理論與工業(yè)實施循序漸進。項目總體研究思路如圖1所示。
圖1項目研究技術路線
2、技術方案
2.1開展燒結過程SO2和NOx濃度預測研究，指導活性焦工藝參數(shù)及時優(yōu)化調(diào)整。
（1）基于硫平衡的SO2濃度預測模型開發(fā)
對于活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)，煙氣中的硫95%以上會進入到硫酸，因此可以用硫酸中的硫作為基準，通過硫平衡預測SO2濃度。通過在線數(shù)據(jù)推算混合料硫含量與實際偏差較大時，可以判定在線儀表數(shù)據(jù)異常，如圖2所示。當在線儀表正常時預測濃度與實測濃度基本一致，偏差在2%左右，當在線儀表數(shù)據(jù)異常時，使用預測濃度指導操作同樣可以達到較高精度。
圖2某段時間內(nèi)在線檢測SO2濃度和預測濃度對比，mg/m3
（2）NOx濃度預測模型開發(fā)
①不同參數(shù)對NOx濃度的影響
燒結過程參數(shù)較多，結合反應機理，通過數(shù)據(jù)挖掘，最終發(fā)現(xiàn)了焦粉、上料量、煙氣量、氧含量等四個參數(shù)對NOx濃度的影響具有較為明顯的規(guī)律。
圖3焦粉對NOx濃度的影響，mg/m3圖4煙氣量對NOx濃度的影響，mg/m3
焦粉對NOx濃度的影響規(guī)律如圖3所示，隨著焦粉用量的增加，煙氣NOx濃度呈現(xiàn)先升高后降低趨勢。日常生產(chǎn)中焦粉用量與上料量調(diào)整步調(diào)一致，因而上料量對NOx濃度的影響與焦粉類似。
煙氣量對NOx濃度的影響如圖4所示，隨著煙氣量的增加NOx濃度逐步升高，然后趨于穩(wěn)定。當煙氣量較低時，隨著煙氣量增大焦粉和含鐵料用量也會增加，因而NOx生產(chǎn)逐步增多。當煙氣量增大到一定程度后，焦粉和含鐵料用量增加比例將低于煙氣量，因此NOx增加幅度降低，NOx濃度趨于穩(wěn)定。
圖5氧含量對NOx濃度的影響，mg/m3
氧含量對NOx濃度的影響如圖5所示，在氧含量較低時NOx濃度隨氧含量升高有一定升高趨勢，在氧含量較高階段NOx濃度隨氧含量升高而逐步降低。
②NOx濃度預測模型
在述四個參數(shù)基礎上，進一步結合溫度和濕度等參數(shù)開發(fā)了NOx濃度離線預測模型，誤差基本可控制在2%左右。以歷史某一段運行數(shù)據(jù)為例說明模型功能和效果，如圖6所示。
圖6在線檢測濃度與模型計算結果對比
2.2開發(fā)了活性焦循環(huán)速度閉環(huán)控制模型，通過在線診斷調(diào)整改善了系統(tǒng)透氣性降低了活性焦消耗。
開發(fā)了活性焦循環(huán)速度閉環(huán)控制模型，指導活性焦循環(huán)速度調(diào)整。煙氣帶入的總硫和硫酸中的硫必須接近才能維持系統(tǒng)的正常運行，否則會導致活性焦硫含量升高或降低，進而影響脫硫脫硝性能或增加消耗。以此為基準，根據(jù)硫酸中的硫和煙氣總硫量對比，提供了長軸卸料器轉(zhuǎn)速調(diào)整建議。
圖7SO2濃度預測與長軸轉(zhuǎn)速調(diào)整畫面
由于在線檢測數(shù)據(jù)用于循環(huán)速度計算精度較差，因而又利用原燃料硫含量開發(fā)了SO2濃度預測模型，然后根據(jù)預測數(shù)據(jù)計算煙氣硫含量，在線運行畫面如圖7所示。除了對長軸轉(zhuǎn)速提供反饋建議，在線模型還對其他操作進行了診斷，模型在線運行畫面如圖8所示。
圖8不同循環(huán)速度對比及診斷反饋
2.3開發(fā)燒結噴氨閉環(huán)控制模型，提高NOx排放控制精度，降低了氨水消耗。
（1）不同噴氨閉環(huán)控制模型
首次開發(fā)出了燒結噴氨閉環(huán)控制模型，根據(jù)工藝原理可分為兩大類，兩種新方法與傳統(tǒng)控制方法對比如圖9和圖10所示。
圖9不同噴氨控制方法機理對比
圖10不同噴氨控制方法氨水流量曲線
原有噴氨控制方法只考慮了進出、出口在線檢測數(shù)據(jù)，由于煙道內(nèi)氣流波動大，檢測結果經(jīng)常出現(xiàn)與實際濃度偏差較大的情況，因而將該數(shù)據(jù)用于氨水計算多數(shù)情況均會帶來過大的偏差，在模型應用前氨水平均流量為483kg/h。
新方法1通過氮含量、轉(zhuǎn)化率預測氨水平均流量，然后根據(jù)進出口NOx濃度變化在一定范圍內(nèi)調(diào)整氨水，氨水流量曲線穩(wěn)定性提高，平均值下降至424kg/h。
新方法2通過燒結參數(shù)預測煙氣NOx濃度，然后根據(jù)運行狀態(tài)設定氨氮比，進而確定氨水流量，氨水流量曲線穩(wěn)定性進一步提高，平均值也下降至370kg/h。
圖11自動噴氨在線運行畫面
圖12噴氨閉環(huán)控制模型投運初期預測曲線與實際曲線對比
新方法2涉及的參數(shù)均為在線采集，因而通過程序化開發(fā)可以實現(xiàn)在線指導氨水流量調(diào)整，在線模型運行界面如圖11所示。閉環(huán)控制模型投運初期預測曲線與實際曲線對比如圖12所示，隨著投運時間延長，預測曲線與實際曲線逐步趨于一致，小時均值長期統(tǒng)計偏差在5%左右。
2.4建立活性焦運行狀態(tài)評價體系，減少潛在隱患，提高系統(tǒng)穩(wěn)定運行率和超低排放率。
（1）工藝分析平臺開發(fā)
燒結生產(chǎn)和脫硫脫硝是相對獨立的兩個系統(tǒng)，以往對兩個系統(tǒng)間不同參數(shù)的規(guī)律性分析只能依賴于人工記錄，對于日常問題的處理分析和技術的進一步提升非常不利。為了實現(xiàn)燒結和活性焦系統(tǒng)的協(xié)同控制，開發(fā)了燒結和活性焦工藝關鍵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、查詢、導出，以及趨勢線繪制等功能，系統(tǒng)設計原理如圖13所示。同時通過對部分關鍵數(shù)據(jù)制定判斷規(guī)則，實現(xiàn)了對脫硫脫硝系統(tǒng)的監(jiān)測功能，部分運行界面如圖14至圖16所示。
圖13工藝分析系統(tǒng)內(nèi)容及功能
圖14脫硫脫硝分析系統(tǒng)主畫面
圖15核心參數(shù)監(jiān)測及數(shù)據(jù)導出畫面
②運行狀態(tài)評價體系開發(fā)
活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)復雜影響因素較多，并且外界因素變化對系統(tǒng)的影響存在較長的滯后性，造成實際運行中很難對系統(tǒng)的運行狀態(tài)做出準確的判斷，往往會在問題變得嚴重后才做出反應，給實際生產(chǎn)帶來了巨大的困擾?；诖矊訙囟取姲绷髁?、系統(tǒng)壓差、污染物負荷、活性焦循環(huán)速度及性能變化等因素，實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)評價及熱點預報，進一步結合反饋措施改善系統(tǒng)運行狀態(tài)，對于實際生產(chǎn)意義重大。運行狀態(tài)評價體系工作原理如圖17所示。
圖16運行狀態(tài)評價體系工作原理
通過將規(guī)則程序化，開發(fā)了運行狀態(tài)評價模型，實現(xiàn)了對系統(tǒng)運行狀態(tài)的在線實時監(jiān)測，運行狀態(tài)評價體系在線運行界面如圖18所示?；谶\行狀態(tài)評價又進一步開發(fā)了模塊溫度監(jiān)測系統(tǒng)，運行畫面及報警信息如圖19和圖20所示。
圖17模塊溫度監(jiān)測和異常升溫報警界面
圖18熱點事故模型判斷時間與人工判斷時間對比
三、主要創(chuàng)新性成果
（1）基于原燃料與燒結過程污染物生成規(guī)律的系統(tǒng)研究，建立了SO2和NOx濃度預測模型，為活性焦系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整提供了先決條件。研究了燒結過程SO2和NOx生成規(guī)律，結合大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了實際生產(chǎn)條件下的SO2和NOx濃度預測，通過現(xiàn)場連續(xù)取樣檢測比對，濃度預測誤差＜3%，為控制模型的研發(fā)和穩(wěn)定應用建立了基礎。
（2）基于硫平衡計算，開發(fā)了活性焦循環(huán)速度閉環(huán)控制模型，改善了系統(tǒng)透氣性，降低了活性焦消耗。研究了硫元素在活性焦工藝中的遷移規(guī)律，并基于硫平衡首次提出了活性焦循環(huán)速度控制模型，實現(xiàn)了煙氣硫負荷和活性焦硫含量的協(xié)同精準控制，噸礦活性焦消耗由2.0kg以上降低至1.3kg/t。
（3）開發(fā)了燒結煙氣在線噴氨控制模型，實時優(yōu)化控制噴氨參數(shù)，提高了NOx排放控制精度，降低氨水消耗。首次提出了活性焦噴氨脫硝存在的“滯后性”反應特征，實現(xiàn)了NOx生成和活性焦氨吸附在時間維度上的高度耦合，開發(fā)了在線自動噴氨控制系統(tǒng)，氨水消耗由1.5kg以上降低至0.85kg/t。
（4）建立了活性焦運行狀態(tài)評價體系，有效減少了潛在隱患，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定運行率和超低排放率，其中穩(wěn)定運行率達到99.7%以上，超低排放率實現(xiàn)100%。
項目研發(fā)及應用期間共申報專利25件，獲得授權專利16件，其中發(fā)明專利8件、實用新型8件，發(fā)表論文7篇。項目成果成功應用于沙鋼9套活性焦脫硫脫硝裝置，運行成本、超低排放率以及穩(wěn)定運行率等指標均達到了國內(nèi)同類型裝置的領先水平。此外，系統(tǒng)氨逃逸長期低于2mg/m3，遠低于8mg/m3的環(huán)保要求。項目近三年累計創(chuàng)效超8.8億元，相關成果可為活性焦工藝的運行優(yōu)化及改進提供參考和借鑒。
四、應用情況與效果
在項目研發(fā)過程中，關于活性焦循環(huán)速度控制、氨水流量調(diào)整、運行狀態(tài)診斷等形成了多項具有獨立知識產(chǎn)權的模型化操作控制技術。研發(fā)成果成功應用于沙鋼原料燒結廠和焦化廠，不僅實現(xiàn)了長期穩(wěn)定的超低排放，也有效降低了系統(tǒng)運行成本。2024年設備穩(wěn)定運行率達到99.7%以上，超低排放率實現(xiàn)100%，綜合運行成本較2021年也取得了明顯下降，其中燒結活性焦噸礦運行成本下降約7.79元，焦化活性焦噸礦運行成本下降約3.32元。
（1）超低排放率和穩(wěn)定作業(yè)率
圖19近三年活性焦系統(tǒng)平均超低排放率（左）和穩(wěn)定作業(yè)率（右）%
近三年以來超低排放率從97.8%進一步提高到100%，設備穩(wěn)定運行率由93.1%提高到99.7%。
（2）項目實施以來各項消耗變化
燒結活性焦主要消耗變化焦化活性焦主要消耗變化
圖20項目實施以來燒結（上）和焦化（下）活性焦系統(tǒng)主要消耗變化
以模型控制為主要措施，隨著運行穩(wěn)定性的提高系統(tǒng)各項消耗也出現(xiàn)了明顯下降，近四年以來各項消耗變化如圖22所示。
①通過活性焦循環(huán)速度在線診斷調(diào)整，維持了合理的循環(huán)速度降低了活性焦消耗。與2021年相比，燒結結噸礦活性焦消耗由2.52kg下降至1.34kg，降幅為46.8%，焦化噸焦活性焦消耗由0.55kg下降至0.44kg，降幅為20.0%。
②通過氨水流量在線診斷調(diào)整，氨水消耗逐步降低。與2021年相比，燒結噸礦氨水消耗由1.42kg下降至0.85kg，降幅為40.1%，焦化噸焦氨水消耗由0.55kg下降至0.44kg，降幅為56.4%。
③通過運行狀態(tài)診斷有效保證了系統(tǒng)的透氣性，隨著透氣性改善系統(tǒng)電耗也逐步下降，與2021年相比，燒結噸礦電耗由7.75kwh下降至5.87kwh，降幅為24.3%，焦化噸焦電耗由10.90kwh下降至8.92kwh，降幅為18.2%。
信息來源：江蘇沙鋼集團有限公司
