一、研究的背景与问题
随着“双碳”战略推进、极致能效工程实施以及行业下行压力增大，钢铁企业面临环保、成本与节能的三重挑战。在超低排放已成为“刚需”的背景下，如何实现烟气净化系统的低成本、低能耗、稳定运行，成为行业亟待突破的共性难题。时至如今，系统依然普遍存在以下突出问题：一是运行能耗偏高，电耗、煤气及蒸汽消耗量大；二是前端生产波动导致入口烟气量与物性变化剧烈，影响末端治理设施的稳定运行；三是缺乏与生产系统协同的智能调控手段，应对复杂工况能力不足。
国际上钢铁烟气治理以末端控制为主，且排放标准普遍低于国内，在超低排放条件下的经济运行技术并非其关注重点。国内自全面推行超低排放以来，技术重点多集中在“达标排放”，在系统节能降耗、工况适应性提升、与生产协同优化等方面尚未形成体系化解决方案。当时常见问题包括：循环流化床脱硫塔在变工况下易失稳，导致脱硫效率波动与能耗上升；脱硝系统多依赖外供蒸汽蒸氨，存在堵塞风险且运行成本高；整体系统自动化、智能化水平有限，无法实现污染物浓度与经济成本的协同优化控制；净化系统与烧结、球团主工艺之间缺乏联动，难以实现全局能效最优。
在此背景下，首钢京唐公司联合首钢技术研究院开展了面向超低排放的烧结球团烟净系统极低成本耦合技术研究与应用项目。本项目于2020年正式开始，紧紧围绕系统降低运行成本、提升系统效率、工艺节能优化与工艺智能生产控制等方面开展系统性技术研发，从半干法脱硫+SCR脱硝工艺基础理论出发，相继开展了脱硫塔循环流化床稳态精准控制技术、脱硝系统余热循环利用降耗控本技术、烟气脱硫智能控制降本降耗技术和输气系统变频降阻综合节能技术等研究，在此基础上完成了对京唐烧结球团脱硫脱硝系统的技术改造升级。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目以“超低排放、极低成本、高效协同”为目标，针对钢铁行业烧结球团烟气净化系统在超低排放条件下运行成本高、工况适应性差、与前端生产协同不足等关键难题，开展了系统性研究与技术集成创新。在烟气净化系统能效提升方面，深入解析了变工况下循环流化床内气固流场稳态形成机制，开发了基于最优烟气风速的风量精准调控技术，解决了因前端烟气循环利用导致的入口流量剧烈波动与塔体结构不匹配问题；针对脱硝系统蒸汽消耗大、易堵塞的痛点，通过机理研究揭示了氨水蒸发与结垢规律，创新提出了利用脱硫后净烟气低温余热进行蒸氨的全新工艺路径，彻底取代了传统外供蒸汽模式；面向复杂原料条件下SO2排放的精准控制需求，融合过程预测与智能反馈，开发了脱硫剂动态精准投加智能模型，实现了极低排放约束下的运行成本最优化；为提升整体能效，通过主抽风机变频改造与烟气系统全局降阻优化，构建了“生产-净化”高效协同节能体系。通过上述技术的耦合集成与工程应用，形成了可在超低排放刚性约束下实现稳定、经济、协同运行的烟气治理系统解决方案，为钢铁行业绿色低碳转型提供了关键技术支撑。
图1 项目总体思路图
三、主要创新性成果
在钢铁行业全面实施超低排放及推进“双碳”战略的背景下，实现环保达标与运行成本的经济性平衡已成为烧结球团工序可持续发展的核心课题。与国内外同类技术相比，本项目的先进性与创新性主要体现在：
1、研发了基于最优烟气风速的脱硫塔风量精准控制技术，解决了入口烟气量与脱硫塔结构不匹配难题，成功将脱硫系统循环风比例降至0，电耗降低幅度达10.6%，高炉煤气消耗降低4.6%。
在技改前工况下，由于烟气量从1300000 m³/h减少至1000000 m³/h而烟道尺寸未相应调整，进口速度从17m/s增加至18.26m/s，导致流动动能增加，湍流强度增大。技改前、后吸收塔总体流场分布均比较均匀，而在吸收塔直管段出现较为激烈的湍流，满足吸收塔高湍高混化学反应要求；吸收塔主要压降发生在文丘里段区域，技改后流速有所提高，压降会比之前大一些。技改前、后总体压降都在500~600pa左右，整体符合设计要求。
图2 改造前后系统各主要参数变化对比
从时域响应特性分析，MPC控制的上升时间从28.5秒缩短至12.3秒，意味着系统对负荷变化的响应速度大幅提升。调节时间从45.2秒减少到18.7秒，改善幅度达58.6%，这表明系统能够更快地进入稳定运行状态，减少了过渡过程中的能量损耗和运行不稳定期。
表1 风量控制性能指标对比
实施精准控制技术后，系统在不同负荷工况下均能保持最佳风量配比，避免了过量的烟气再循环，降低了风机能耗，同时提高了脱硫效率的稳定性，结果如表1所示。数据显示，采用MPC控制后，床层压降的波动标准差减少了42%，进口SO2浓度的波动幅度降低了35%。这种运行参数的稳定化不仅降低了操作人员的干预频次，还为长期稳定运行奠定了基础。
2、明晰了脱硝喷氨系统堵塞机制，开发了净烟气余热蒸氨技术，脱硝系统蒸汽用量降至0。
首先明晰了蒸氨介质、温度和水分对蒸氨过程的影响，并分析了喷氨系统堵塞机制，发现使用过热蒸汽进行氨水气化存在蒸汽耗量大、气化后含水量大等技术弊端，不利于脱硝系统的节能降耗。同时，由于工艺设计等原因，造成氨空混合器内结垢严重。因此，设计利用净烟气的低温余热作为蒸氨热源，取代传统外供蒸汽。通过优化换热流程与汽化器结构，实现氨水高效、均匀蒸发，同时避免局部过热结晶。该技术不仅实现蒸氨蒸汽“零消耗”，还从根本上解决了喷氨系统结垢堵塞问题，使用汽化炉后日均蒸汽消耗较原来使用氨水蒸发器降低21.8吨，降幅达61.6%，喷氨量波动幅度极大降低，提升了脱硝稳定性。
图3 改造前后蒸氨主要指标对比
3、构建了融合深度学习的脱硫脱硝一体化智能调控系统，实现了脱硫剂投加、喷氨量与加热炉温度的多变量智能化自适应协同优化，脱硫剂消耗降低17.1%，氨水消耗减少2t/d。
开发了烧结烟气脱硫剂的智能调控系统及方法，通过多源数据协同预测与双环控制机制，解决人工操作滞后性、脱硫剂过量消耗及SO2排放波动大的问题。烧结烟气脱硫剂的智能调控系统，包括实时监测单元、智能决策单元和执行控制单元。
通过采用前馈和后馈相结合的串级双闭环梯级控制，开发了自动喷氨脱硝控制功能。氨水压力控制采用PID控制，氨水设定压力，是根据脱硫进口烟气NOx浓度自动选择的（可以通过参数设定修改，分5档）；进口NOx浓度高时，氨水压力也增大，保证喷氨量足够，进口NOx浓度低时，氨水压力减小，防止喷氨量过多。
通过监控吸收塔出口温度变化（90～130℃），跟踪环保指标波动情况，设置温度波动范围，温度升高或降低在波动范围内不再对控制温度进行调整；监测SO2变化趋势控制温度降低、保持、升高；通过钙硫比控制。
图4 智能控制模型原理图
应用后，岗位操作频次减少90%，温度波动频次降低80%，煤气消耗降低4.3%，消石灰日消耗量降低25.5%，脱硫过程钙硫比降低21.4%，脱硝氨水消耗量降低25%，脱硫脱硝系统稳定性也大幅提高。
图5 智能控制模型投用前后脱硫脱硝成本对比
4、通过烧结主抽变频和烟气输气系统降阻优化，烟道阻损降低260Pa。
为了提升系统效能、节约电耗，项目开展了主抽风机变频技术改造。通过主抽风机变频改造，风机运行效率得到明显提升。变频后风机实际运行效率约85%，与改变频前相比，风机本身效率可提高5%-7%。
烧结主抽风机出口至脱硫入口烟道利用旧部分原脱硫入口烟道，由于场地紧张，均在原烟道开孔驳接，烟道弯管多，烟气流场不顺，脱硫烟道与原烟道驳接采用直连形式，影响了气流的均匀性，在运行中造成较大阻力，且烟道存在震动情况。利用CFD仿真软件对该管道进行模拟计算，结果如图6所示
3#主抽风机出口烟道将驳接口由直连改为弯头连接，并增加导流板；拆除现场部分烟道，将接出管段改为直管，消除上下弯，改造后降低系统阻力150Pa。4#主抽风机出口烟道，拆除现有烟道，改为从风机出口直接接出，与现有脱硫入口烟道驳接。减少弯头5处，并消除了急弯及连续弯，改造后降低系统阻力260Pa。
图6 烟道改造方案
四、应用情况与效果
面对钢铁行业环保压力持续加大与能源成本攀升的双重挑战，首钢京唐联合首钢技术研究院开展了面向超低排放的烟净系统极低成本运行技术研究与应用。项目围绕系统效率提升和智能生产控制等方面开展系统性技术研发，相继开展了脱硫塔循环流化床稳态精准控制技术、脱硝系统余热循环利用降耗控本技术等研究，自2022年1月份开始实施烟净系统极低成本运行技术之后，成功解决了原有系统能耗高、脱硫剂消耗量大等行业痛点，实现了经济效益与环境效益的显著提升。本项目以2021年1月至2021年12月作为基准期，2024年5月至2025年6月作为应用期。本项目完成单位应用情况与效果如下：
（1）行业大范围实施烧结烟气循环技术后，脱硫入口烟气量下降，造成脱硫系统被迫开大循环风档，稳定脱硫床。通过深入解析脱硫塔循环流化床稳态流场形成机理，提出基于最优烟气风速的脱硫塔风量精准控制技术，解决了入口烟气量与脱硫塔结构不匹配难题。
此项技术是国内首次应用于烧结脱硫塔改造，成功将脱硫系统循环风比例降至0%，对比其他企业脱硫循环风挡开度仍在40%以上，京唐烧结脱硫系统能耗大幅度降低，电耗降低幅度达10.6%（如图7所示），高炉煤气消耗降低4.6%（如图8所示）。
图7 稳态精准控制技术实施前后电耗对比
图8 稳态精准控制技术实施前后高炉煤气消耗对比
（2）通过分析氨水气化基本原理，明晰了脱硝喷氨系统堵塞机制，提出净烟气余热蒸氨的技术思路，实现脱硝系统的节能高效运行，使脱硝系统蒸汽用量降至0%。
烧结、球团脱硝蒸氨系统分别于2023年10月、2024年3月、2024年4月进行净烟气余热蒸氨改造，改造完成后蒸氨系统不易发生结垢，汽化效果稳定。
（3）针对脱硫过程脱硫剂消耗高、出口SO2浓度波动大等难题，开发了脱硫剂精确配给智能降本控制模型，实现了超低排放要求下的SO2稳定控制，脱硫剂消耗降低17.1%/tSO2，年节约成本超千万元。
针对人工操作滞后性及烟气SO2波动导致的脱硫剂过量消耗问题，采用控制模型后，脱硫剂调控响应时间缩短至45秒内，SO₂排放浓度波动范围由±20mg/Nm³收窄至±5mg/Nm³，排放稳定性提升53.8%，为钢铁企业降本增效、节能减排提供助力。
（4）通过烧结主抽变频和烟气输气系统降阻优化，有效提升了脱硫脱硝系统与上游主机系统的协同降耗降本能力，实现了极低排放条件下脱硫脱硝系统的极低成本运行。
主抽风机出口至脱硫入口烟道利旧部分原脱硫入口烟道，存在烟道振动，严重影响了气流的均匀性，进而影响主抽风机和脱硫风机的稳定运行。烧结主抽风机在2022年12月-2023年1月进行了变频改造，改造后烧结主抽风机吨矿电耗由22.45 kWh/t降低到19.08kWh/t，吨矿节电率为15.01%，节电效果显著。为进一步降低脱硫风机电耗，在2024年5月实施烟气输气系统降阻改造，改造后分别能降低烟气输气系统阻力150Pa、260Pa，降低了脱硫风机电量消耗。
信息来源：首钢京唐钢铁联合有限责任公司
