一、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。中國(guó)已成為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，鋼產(chǎn)量和消費(fèi)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(diǎn)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(yuǎn)。
2019年生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，正式開啟了我國(guó)鋼鐵行業(yè)超低排放改造進(jìn)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(lán)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(shù)百花齊放，確保了超低排放目標(biāo)的穩(wěn)步實(shí)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(shí)現(xiàn)硫資源高效回收等優(yōu)點(diǎn)，近年來在國(guó)內(nèi)獲得了快速的發(fā)展，成為應(yīng)用范圍最廣的煙氣凈化技術(shù)。
在鋼鐵煙氣凈化領(lǐng)域，雖然國(guó)內(nèi)已有數(shù)百套活性焦脫硫脫硝裝置成功投入運(yùn)行，但在已投運(yùn)的裝置中，普遍存在活性焦著火導(dǎo)致熱點(diǎn)事故頻發(fā)、解析塔腐蝕嚴(yán)重導(dǎo)致活性焦無法充分解析再生、床層板結(jié)導(dǎo)致模塊透氣性快速變差等問題，嚴(yán)重影響活性焦工藝的穩(wěn)定高效低成本運(yùn)行。
按照國(guó)家環(huán)保要求，沙鋼結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和工藝裝備特點(diǎn)，2017年啟動(dòng)超低排放相關(guān)技術(shù)的研究及應(yīng)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(yùn)了9套活性焦煙氣脫硫脫硝裝置，其中燒結(jié)球團(tuán)4套、焦化5套。在活性焦煙氣凈化工藝的運(yùn)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(jìn)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(guān)公開的研究報(bào)道很少。
基于沙鋼實(shí)際情況及行業(yè)共性難題，沙鋼聯(lián)合相關(guān)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(yīng)用項(xiàng)目，對(duì)如何通過模型控制實(shí)現(xiàn)活性焦系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行了深入的研究和創(chuàng)新實(shí)踐，并對(duì)活性焦工藝生產(chǎn)運(yùn)行中存在的共性問題提出了系統(tǒng)性的解決方案。本項(xiàng)目在活性焦煙氣脫硫脫硝工藝優(yōu)化與改進(jìn)方面做出了大量開創(chuàng)性的工作，尤其是自動(dòng)噴氨、循環(huán)速度優(yōu)化等控制模型的開發(fā)填補(bǔ)了行業(yè)空白。各類模型和工藝技術(shù)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(bào)了相關(guān)技術(shù)專利，可為活性焦煙氣凈化工藝的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新優(yōu)化提供參考和借鑒，助力我國(guó)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(shù)方案
1、解決問題的思路
本項(xiàng)目圍繞“活性焦煙氣凈化工藝控制模型研發(fā)及穩(wěn)定應(yīng)用”展開研究，首先研究燒結(jié)過程主要污染生成機(jī)理，通過燒結(jié)過程參數(shù)預(yù)測(cè)污染物生成濃度；然后基于污染物濃度預(yù)測(cè)，開發(fā)活性焦循環(huán)速度計(jì)算模型和氨水流量預(yù)測(cè)模型；最后將模型應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)活性焦系統(tǒng)操作的在線指導(dǎo)，保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定超低排放并降低關(guān)鍵物料消耗。各個(gè)階段分步驟逐步推進(jìn)，保證基礎(chǔ)理論與工業(yè)實(shí)施循序漸進(jìn)。項(xiàng)目總體研究思路如圖1所示。
圖1項(xiàng)目研究技術(shù)路線
2、技術(shù)方案
2.1開展燒結(jié)過程SO2和NOx濃度預(yù)測(cè)研究，指導(dǎo)活性焦工藝參數(shù)及時(shí)優(yōu)化調(diào)整。
（1）基于硫平衡的SO2濃度預(yù)測(cè)模型開發(fā)
對(duì)于活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)，煙氣中的硫95%以上會(huì)進(jìn)入到硫酸，因此可以用硫酸中的硫作為基準(zhǔn)，通過硫平衡預(yù)測(cè)SO2濃度。通過在線數(shù)據(jù)推算混合料硫含量與實(shí)際偏差較大時(shí)，可以判定在線儀表數(shù)據(jù)異常，如圖2所示。當(dāng)在線儀表正常時(shí)預(yù)測(cè)濃度與實(shí)測(cè)濃度基本一致，偏差在2%左右，當(dāng)在線儀表數(shù)據(jù)異常時(shí)，使用預(yù)測(cè)濃度指導(dǎo)操作同樣可以達(dá)到較高精度。
圖2某段時(shí)間內(nèi)在線檢測(cè)SO2濃度和預(yù)測(cè)濃度對(duì)比，mg/m3
（2）NOx濃度預(yù)測(cè)模型開發(fā)
①不同參數(shù)對(duì)NOx濃度的影響
燒結(jié)過程參數(shù)較多，結(jié)合反應(yīng)機(jī)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(gè)參數(shù)對(duì)NOx濃度的影響具有較為明顯的規(guī)律。
圖3焦粉對(duì)NOx濃度的影響，mg/m3圖4煙氣量對(duì)NOx濃度的影響，mg/m3
焦粉對(duì)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(shì)。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(duì)NOx濃度的影響與焦粉類似。
煙氣量對(duì)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(dāng)煙氣量較低時(shí)，隨著煙氣量增大焦粉和含鐵料用量也會(huì)增加，因而NOx生產(chǎn)逐步增多。當(dāng)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(duì)NOx濃度的影響，mg/m3
氧含量對(duì)NOx濃度的影響如圖5所示，在氧含量較低時(shí)NOx濃度隨氧含量升高有一定升高趨勢(shì)，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(yù)測(cè)模型
在述四個(gè)參數(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合溫度和濕度等參數(shù)開發(fā)了NOx濃度離線預(yù)測(cè)模型，誤差基本可控制在2%左右。以歷史某一段運(yùn)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(cè)濃度與模型計(jì)算結(jié)果對(duì)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(dǎo)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(yùn)行，否則會(huì)導(dǎo)致活性焦硫含量升高或降低，進(jìn)而影響脫硫脫硝性能或增加消耗。以此為基準(zhǔn)，根據(jù)硫酸中的硫和煙氣總硫量對(duì)比，提供了長(zhǎng)軸卸料器轉(zhuǎn)速調(diào)整建議。
圖7SO2濃度預(yù)測(cè)與長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)速調(diào)整畫面
由于在線檢測(cè)數(shù)據(jù)用于循環(huán)速度計(jì)算精度較差，因而又利用原燃料硫含量開發(fā)了SO2濃度預(yù)測(cè)模型，然后根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算煙氣硫含量，在線運(yùn)行畫面如圖7所示。除了對(duì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)速提供反饋建議，在線模型還對(duì)其他操作進(jìn)行了診斷，模型在線運(yùn)行畫面如圖8所示。
圖8不同循環(huán)速度對(duì)比及診斷反饋
2.3開發(fā)燒結(jié)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(jié)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(duì)比如圖9和圖10所示。
圖9不同噴氨控制方法機(jī)理對(duì)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(jìn)出、出口在線檢測(cè)數(shù)據(jù)，由于煙道內(nèi)氣流波動(dòng)大，檢測(cè)結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)與實(shí)際濃度偏差較大的情況，因而將該數(shù)據(jù)用于氨水計(jì)算多數(shù)情況均會(huì)帶來過大的偏差，在模型應(yīng)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(yù)測(cè)氨水平均流量，然后根據(jù)進(jìn)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(jié)參數(shù)預(yù)測(cè)煙氣NOx濃度，然后根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定氨氮比，進(jìn)而確定氨水流量，氨水流量曲線穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，平均值也下降至370kg/h。
圖11自動(dòng)噴氨在線運(yùn)行畫面
圖12噴氨閉環(huán)控制模型投運(yùn)初期預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際曲線對(duì)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(shí)現(xiàn)在線指導(dǎo)氨水流量調(diào)整，在線模型運(yùn)行界面如圖11所示。閉環(huán)控制模型投運(yùn)初期預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際曲線對(duì)比如圖12所示，隨著投運(yùn)時(shí)間延長(zhǎng)，預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際曲線逐步趨于一致，小時(shí)均值長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)偏差在5%左右。
2.4建立活性焦運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)體系，減少潛在隱患，提高系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行率和超低排放率。
（1）工藝分析平臺(tái)開發(fā)
燒結(jié)生產(chǎn)和脫硫脫硝是相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，以往對(duì)兩個(gè)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(duì)于日常問題的處理分析和技術(shù)的進(jìn)一步提升非常不利。為了實(shí)現(xiàn)燒結(jié)和活性焦系統(tǒng)的協(xié)同控制，開發(fā)了燒結(jié)和活性焦工藝關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、導(dǎo)出，以及趨勢(shì)線繪制等功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖13所示。同時(shí)通過對(duì)部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)制定判斷規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脫硫脫硝系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)功能，部分運(yùn)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(cè)及數(shù)據(jù)導(dǎo)出畫面
②運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)體系開發(fā)
活性焦脫硫脫硝系統(tǒng)復(fù)雜影響因素較多，并且外界因素變化對(duì)系統(tǒng)的影響存在較長(zhǎng)的滯后性，造成實(shí)際運(yùn)行中很難對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)做出準(zhǔn)確的判斷，往往會(huì)在問題變得嚴(yán)重后才做出反應(yīng)，給實(shí)際生產(chǎn)帶來了巨大的困擾?；诖矊訙囟?、噴氨流量、系統(tǒng)壓差、污染物負(fù)荷、活性焦循環(huán)速度及性能變化等因素，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)及熱點(diǎn)預(yù)報(bào)，進(jìn)一步結(jié)合反饋措施改善系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)意義重大。運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)體系工作原理如圖17所示。
圖16運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)體系工作原理
通過將規(guī)則程序化，開發(fā)了運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)體系在線運(yùn)行界面如圖18所示?；谶\(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)又進(jìn)一步開發(fā)了模塊溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)行畫面及報(bào)警信息如圖19和圖20所示。
圖17模塊溫度監(jiān)測(cè)和異常升溫報(bào)警界面
圖18熱點(diǎn)事故模型判斷時(shí)間與人工判斷時(shí)間對(duì)比
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
（1）基于原燃料與燒結(jié)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(yù)測(cè)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(jié)過程SO2和NOx生成規(guī)律，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際生產(chǎn)條件下的SO2和NOx濃度預(yù)測(cè)，通過現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)取樣檢測(cè)比對(duì)，濃度預(yù)測(cè)誤差＜3%，為控制模型的研發(fā)和穩(wěn)定應(yīng)用建立了基礎(chǔ)。
（2）基于硫平衡計(jì)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(shí)現(xiàn)了煙氣硫負(fù)荷和活性焦硫含量的協(xié)同精準(zhǔn)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(jié)煙氣在線噴氨控制模型，實(shí)時(shí)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(yīng)特征，實(shí)現(xiàn)了NOx生成和活性焦氨吸附在時(shí)間維度上的高度耦合，開發(fā)了在線自動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)體系，有效減少了潛在隱患，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行率和超低排放率，其中穩(wěn)定運(yùn)行率達(dá)到99.7%以上，超低排放率實(shí)現(xiàn)100%。
項(xiàng)目研發(fā)及應(yīng)用期間共申報(bào)專利25件，獲得授權(quán)專利16件，其中發(fā)明專利8件、實(shí)用新型8件，發(fā)表論文7篇。項(xiàng)目成果成功應(yīng)用于沙鋼9套活性焦脫硫脫硝裝置，運(yùn)行成本、超低排放率以及穩(wěn)定運(yùn)行率等指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)內(nèi)同類型裝置的領(lǐng)先水平。此外，系統(tǒng)氨逃逸長(zhǎng)期低于2mg/m3，遠(yuǎn)低于8mg/m3的環(huán)保要求。項(xiàng)目近三年累計(jì)創(chuàng)效超8.8億元，相關(guān)成果可為活性焦工藝的運(yùn)行優(yōu)化及改進(jìn)提供參考和借鑒。
四、應(yīng)用情況與效果
在項(xiàng)目研發(fā)過程中，關(guān)于活性焦循環(huán)速度控制、氨水流量調(diào)整、運(yùn)行狀態(tài)診斷等形成了多項(xiàng)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模型化操作控制技術(shù)。研發(fā)成果成功應(yīng)用于沙鋼原料燒結(jié)廠和焦化廠，不僅實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期穩(wěn)定的超低排放，也有效降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。2024年設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行率達(dá)到99.7%以上，超低排放率實(shí)現(xiàn)100%，綜合運(yùn)行成本較2021年也取得了明顯下降，其中燒結(jié)活性焦噸礦運(yùn)行成本下降約7.79元，焦化活性焦噸礦運(yùn)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(jìn)一步提高到100%，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行率由93.1%提高到99.7%。
（2）項(xiàng)目實(shí)施以來各項(xiàng)消耗變化
燒結(jié)活性焦主要消耗變化焦化活性焦主要消耗變化
圖20項(xiàng)目實(shí)施以來燒結(jié)（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(yùn)行穩(wěn)定性的提高系統(tǒng)各項(xiàng)消耗也出現(xiàn)了明顯下降，近四年以來各項(xiàng)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(jié)結(jié)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(jié)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(yùn)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(jié)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(tuán)有限公司
