科技新进展：活性焦烟气净化工艺控制模型研发及稳定应用

一、研究的背景与问题

钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是国家经济水平和综合国力的重要标志。中国已成为世界上最大的钢铁生产国和消费国，钢产量和消费量占世界50%以上。钢铁行业污染物排放具排放量大、排污点多、工况差异大、污染因子种类多等特征，治理难度大，任重而道远。

2019年生态环境部、国家发展和改革委员会等五部委联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，正式开启了我国钢铁行业超低排放改造进程，近年来大气治理成效显著，环境空气质量持续改善，为打赢蓝天保卫战提供有力支撑。在超低排放改造过程中，各种烟气治理技术百花齐放，确保了超低排放目标的稳步实现。烟气脱硫脱硝是超低排放改造的核心环节，而活性焦脱硫脱硝工艺由于具有优异的烟气净化效果、无二次固废产生以及实现硫资源高效回收等优点，近年来在国内获得了快速的发展，成为应用范围最广的烟气净化技术。

在钢铁烟气净化领域，虽然国内已有数百套活性焦脱硫脱硝装置成功投入运行，但在已投运的装置中，普遍存在活性焦着火导致热点事故频发、解析塔腐蚀严重导致活性焦无法充分解析再生、床层板结导致模块透气性快速变差等问题，严重影响活性焦工艺的稳定高效低成本运行。

按照国家环保要求，沙钢结合企业生产经营和工艺装备特点，2017年启动超低排放相关技术的研究及应用工作，并于2018年开始全面开展超低排放改造。经过充分论证和研究，沙钢将活性焦烟气净化工艺作为烟气治理的主要选择，于2019年-2020年先后投运了9套活性焦烟气脱硫脱硝装置，其中烧结球团4套、焦化5套。在活性焦烟气净化工艺的运行过程中，以上问题在各套系统中均先后出现，给超低排放工作的稳步推进带来了极大的困难。虽然以上问题为业内共性难题，但尚未找到系统性的解决方法，相关公开的研究报道很少。

基于沙钢实际情况及行业共性难题，沙钢联合相关单位开展了活性焦烟气净化工艺控制模型研发及稳定应用项目，对如何通过模型控制实现活性焦系统高效稳定运行进行了深入的研究和创新实践，并对活性焦工艺生产运行中存在的共性问题提出了系统性的解决方案。本项目在活性焦烟气脱硫脱硝工艺优化与改进方面做出了大量开创性的工作，尤其是自动喷氨、循环速度优化等控制模型的开发填补了行业空白。各类模型和工艺技术优化工作不仅解决了沙钢自身出现的问题，也率先申报了相关技术专利，可为活性焦烟气净化工艺的进一步发展和创新优化提供参考和借鉴，助力我国钢铁行业绿色低碳可持续发展。

二、解决问题的思路与技术方案

1、解决问题的思路

本项目围绕“活性焦烟气净化工艺控制模型研发及稳定应用”展开研究，首先研究烧结过程主要污染生成机理，通过烧结过程参数预测污染物生成浓度；然后基于污染物浓度预测，开发活性焦循环速度计算模型和氨水流量预测模型；最后将模型应用于现场一级操作系统，实现对活性焦系统操作的在线指导，保证系统实现稳定超低排放并降低关键物料消耗。各个阶段分步骤逐步推进，保证基础理论与工业实施循序渐进。项目总体研究思路如图1所示。

图1 项目研究技术路线

2、技术方案

2.1开展烧结过程SO₂和NO_x浓度预测研究，指导活性焦工艺参数及时优化调整。

（1）基于硫平衡的SO₂浓度预测模型开发

对于活性焦脱硫脱硝系统，烟气中的硫95%以上会进入到硫酸，因此可以用硫酸中的硫作为基准，通过硫平衡预测SO₂浓度。通过在线数据推算混合料硫含量与实际偏差较大时，可以判定在线仪表数据异常，如图2所示。当在线仪表正常时预测浓度与实测浓度基本一致，偏差在2%左右，当在线仪表数据异常时，使用预测浓度指导操作同样可以达到较高精度。

图2 某段时间内在线检测SO₂浓度和预测浓度对比，mg/m³

（2）NO_x浓度预测模型开发

①不同参数对NO_x浓度的影响

烧结过程参数较多，结合反应机理，通过数据挖掘，最终发现了焦粉、上料量、烟气量、氧含量等四个参数对NO_x浓度的影响具有较为明显的规律。

   图3 焦粉对NO_x浓度的影响，mg/m³  图4 烟气量对NOx浓度的影响，mg/m³

焦粉对NO_x浓度的影响规律如图3所示，随着焦粉用量的增加，烟气NO_x浓度呈现先升高后降低趋势。日常生产中焦粉用量与上料量调整步调一致，因而上料量对NO_x浓度的影响与焦粉类似。

烟气量对NO_x浓度的影响如图4所示，随着烟气量的增加NO_x浓度逐步升高，然后趋于稳定。当烟气量较低时，随着烟气量增大焦粉和含铁料用量也会增加，因而NO_x生产逐步增多。当烟气量增大到一定程度后，焦粉和含铁料用量增加比例将低于烟气量，因此NO_x增加幅度降低，NO_x浓度趋于稳定。

图5 氧含量对NO_x浓度的影响，mg/m³

氧含量对NO_x浓度的影响如图5所示，在氧含量较低时NO_x浓度随氧含量升高有一定升高趋势，在氧含量较高阶段NO_x浓度随氧含量升高而逐步降低。

②NO_x浓度预测模型

在述四个参数基础上，进一步结合温度和湿度等参数开发了NO_x浓度离线预测模型，误差基本可控制在2%左右。以历史某一段运行数据为例说明模型功能和效果，如图6所示。

图6 在线检测浓度与模型计算结果对比

2.2开发了活性焦循环速度闭环控制模型，通过在线诊断调整改善了系统透气性降低了活性焦消耗。

开发了活性焦循环速度闭环控制模型，指导活性焦循环速度调整。烟气带入的总硫和硫酸中的硫必须接近才能维持系统的正常运行，否则会导致活性焦硫含量升高或降低，进而影响脱硫脱硝性能或增加消耗。以此为基准，根据硫酸中的硫和烟气总硫量对比，提供了长轴卸料器转速调整建议。

图7 SO₂浓度预测与长轴转速调整画面

由于在线检测数据用于循环速度计算精度较差，因而又利用原燃料硫含量开发了SO₂浓度预测模型，然后根据预测数据计算烟气硫含量，在线运行画面如图7所示。除了对长轴转速提供反馈建议，在线模型还对其他操作进行了诊断，模型在线运行画面如图8所示。

图8 不同循环速度对比及诊断反馈

2.3开发烧结喷氨闭环控制模型，提高NO_x排放控制精度，降低了氨水消耗。

（1）不同喷氨闭环控制模型

首次开发出了烧结喷氨闭环控制模型，根据工艺原理可分为两大类，两种新方法与传统控制方法对比如图9和图10所示。

图9 不同喷氨控制方法机理对比

图10 不同喷氨控制方法氨水流量曲线

原有喷氨控制方法只考虑了进出、出口在线检测数据，由于烟道内气流波动大，检测结果经常出现与实际浓度偏差较大的情况，因而将该数据用于氨水计算多数情况均会带来过大的偏差，在模型应用前氨水平均流量为483kg/h。

新方法1通过氮含量、转化率预测氨水平均流量，然后根据进出口NOx浓度变化在一定范围内调整氨水，氨水流量曲线稳定性提高，平均值下降至424kg/h。

新方法2通过烧结参数预测烟气NOx浓度，然后根据运行状态设定氨氮比，进而确定氨水流量，氨水流量曲线稳定性进一步提高，平均值也下降至370kg/h。

图11 自动喷氨在线运行画面

图12 喷氨闭环控制模型投运初期预测曲线与实际曲线对比

新方法2涉及的参数均为在线采集，因而通过程序化开发可以实现在线指导氨水流量调整，在线模型运行界面如图11所示。闭环控制模型投运初期预测曲线与实际曲线对比如图12所示，随着投运时间延长，预测曲线与实际曲线逐步趋于一致，小时均值长期统计偏差在5%左右。

2.4建立活性焦运行状态评价体系，减少潜在隐患，提高系统稳定运行率和超低排放率。

（1）工艺分析平台开发

烧结生产和脱硫脱硝是相对独立的两个系统，以往对两个系统间不同参数的规律性分析只能依赖于人工记录，对于日常问题的处理分析和技术的进一步提升非常不利。为了实现烧结和活性焦系统的协同控制，开发了烧结和活性焦工艺关键数据采集系统，实现了数据存储、查询、导出，以及趋势线绘制等功能，系统设计原理如图13所示。同时通过对部分关键数据制定判断规则，实现了对脱硫脱硝系统的监测功能，部分运行界面如图14至图16所示。

图13 工艺分析系统内容及功能

图14 脱硫脱硝分析系统主画面

图15 核心参数监测及数据导出画面

②运行状态评价体系开发

活性焦脱硫脱硝系统复杂影响因素较多，并且外界因素变化对系统的影响存在较长的滞后性，造成实际运行中很难对系统的运行状态做出准确的判断，往往会在问题变得严重后才做出反应，给实际生产带来了巨大的困扰。基于床层温度、喷氨流量、系统压差、污染物负荷、活性焦循环速度及性能变化等因素，实现系统运行状态评价及热点预报，进一步结合反馈措施改善系统运行状态，对于实际生产意义重大。运行状态评价体系工作原理如图17所示。

图16 运行状态评价体系工作原理

通过将规则程序化，开发了运行状态评价模型，实现了对系统运行状态的在线实时监测，运行状态评价体系在线运行界面如图18所示。基于运行状态评价又进一步开发了模块温度监测系统，运行画面及报警信息如图19和图20所示。

图17 模块温度监测和异常升温报警界面

图18 热点事故模型判断时间与人工判断时间对比

三、主要创新性成果

（1）基于原燃料与烧结过程污染物生成规律的系统研究，建立了SO₂和NO_x浓度预测模型，为活性焦系统优化调整提供了先决条件。研究了烧结过程SO₂和NO_x生成规律，结合大数据分析，实现了实际生产条件下的SO₂和NO_x浓度预测，通过现场连续取样检测比对，浓度预测误差＜3%，为控制模型的研发和稳定应用建立了基础。

（2）基于硫平衡计算，开发了活性焦循环速度闭环控制模型，改善了系统透气性，降低了活性焦消耗。研究了硫元素在活性焦工艺中的迁移规律，并基于硫平衡首次提出了活性焦循环速度控制模型，实现了烟气硫负荷和活性焦硫含量的协同精准控制，吨矿活性焦消耗由2.0kg以上降低至1.3kg/t。

（3）开发了烧结烟气在线喷氨控制模型，实时优化控制喷氨参数，提高了NOx排放控制精度，降低氨水消耗。首次提出了活性焦喷氨脱硝存在的“滞后性”反应特征，实现了NO_x生成和活性焦氨吸附在时间维度上的高度耦合，开发了在线自动喷氨控制系统，氨水消耗由1.5kg以上降低至0.85kg/t。

（4）建立了活性焦运行状态评价体系，有效减少了潜在隐患，提高了系统稳定运行率和超低排放率，其中稳定运行率达到99.7%以上，超低排放率实现100%。

项目研发及应用期间共申报专利25件，获得授权专利16件，其中发明专利8件、实用新型8件，发表论文7篇。项目成果成功应用于沙钢9套活性焦脱硫脱硝装置，运行成本、超低排放率以及稳定运行率等指标均达到了国内同类型装置的领先水平。此外，系统氨逃逸长期低于2mg/m³，远低于8mg/m³的环保要求。项目近三年累计创效超8.8亿元，相关成果可为活性焦工艺的运行优化及改进提供参考和借鉴。

四、应用情况与效果

在项目研发过程中，关于活性焦循环速度控制、氨水流量调整、运行状态诊断等形成了多项具有独立知识产权的模型化操作控制技术。研发成果成功应用于沙钢原料烧结厂和焦化厂，不仅实现了长期稳定的超低排放，也有效降低了系统运行成本。2024年设备稳定运行率达到99.7%以上，超低排放率实现100%，综合运行成本较2021年也取得了明显下降，其中烧结活性焦吨矿运行成本下降约7.79元，焦化活性焦吨矿运行成本下降约3.32元。

（1）超低排放率和稳定作业率

图19 近三年活性焦系统平均超低排放率（左）和稳定作业率（右）%

近三年以来超低排放率从97.8%进一步提高到100%，设备稳定运行率由93.1%提高到99.7%。

（2）项目实施以来各项消耗变化

烧结活性焦主要消耗变化 焦化活性焦主要消耗变化

图20 项目实施以来烧结（上）和焦化（下）活性焦系统主要消耗变化

以模型控制为主要措施，随着运行稳定性的提高系统各项消耗也出现了明显下降，近四年以来各项消耗变化如图22所示。

①通过活性焦循环速度在线诊断调整，维持了合理的循环速度降低了活性焦消耗。与2021年相比，烧结结吨矿活性焦消耗由2.52kg下降至1.34kg，降幅为46.8%，焦化吨焦活性焦消耗由0.55kg下降至0.44kg，降幅为20.0%。

②通过氨水流量在线诊断调整，氨水消耗逐步降低。与2021年相比，烧结吨矿氨水消耗由1.42kg下降至0.85kg，降幅为40.1%，焦化吨焦氨水消耗由0.55kg下降至0.44kg，降幅为56.4%。

③通过运行状态诊断有效保证了系统的透气性，随着透气性改善系统电耗也逐步下降，与2021年相比，烧结吨矿电耗由7.75kwh下降至5.87kwh，降幅为24.3%，焦化吨焦电耗由10.90kwh下降至8.92kwh，降幅为18.2%。

信息来源：江苏沙钢集团有限公司