一种炼铁热风炉烟气二氧化硫排放源头管控方法与系统与流程

本发明属于冶金钢铁节能减排技术领域，具体涉及一种炼铁热风炉烟气二氧化硫排放源头管控方法与系统。

背景技术：

高炉炼铁单元污染物so2排放的主要环节是在热风炉，其加热燃烧含h2s等硫化物的高炉煤气或者混合煤气时，产生的烟气中将排放出so2。而高炉煤气中的硫化物又来源于高炉入炉的原辅材料中的s量，称之为入炉s负荷。也就是说，高炉单元入炉s负荷影响着高炉煤气中的s含量，也影响着热风炉排放的so2的浓度和产生量。

2019年4月，由国家生态环境部、发改委等五部委发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，其中要求全国新建(含搬迁)项目炼铁热风炉排放的污染物so2的排放浓度限值为50mg/m³，是目前执行的国家标准《炼铁工业大气污染物排放标准》gb(28663-2012)炼铁热风炉(新建、现有及特别地区)排放限值100mg/m³的一半。目前的钢铁厂存在热风炉燃烧排放的so2不能全时段稳定满足超低排放要求的现象。因此，有必要设置一套从高炉原料进行源头管控的系统，来帮助高炉进行源头s元素的管控，以减少入炉s负荷。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种炼铁热风炉烟气二氧化硫排放源头管控方法与系统，旨在解决高炉炼铁工序中的源头硫元素的管控问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种炼铁热风炉烟气二氧化硫排放源头管控系统，包括数据采集及传输模块、存储器、分析计算模块、数据监测模块、管控终端，数据采集及传输模块的输入端分别与数据监测模块及高炉本体自带的计量系统和成分检测系统相连接，其输出端分别与分析计算模块和管控终端相连接；数据采集及传输模块与存储器之间、分析计算模块与管控终端之间各自交互连接。

进一步，分析计算模块包括有用于计算出高炉煤气中含硫浓度值cbfg的高炉煤气硫浓度计算子模块，其计算公式为：

cbfg＝[(1-η1-η2)×lt-l尘泥]/gbfg；

其中，

lt＝ltotal/piron；

ltotal＝∑wi·υi；

η1为硫元素在铁水中的分配比；η2为硫元素在炉渣中的分配比；lt为单位铁水的硫负荷值；gbfg为单位铁水的高炉煤气发生量；l尘泥为取样高炉煤气除尘灰及出铁场除尘灰数据后计算得出的固定值；piron为生铁产量；ltotal为入炉总硫负荷值，是根据计量系统提供的高炉计量数据来计算，wi为物料i入炉的质量，kg；υi为物料i中含硫元素的质量占比。

进一步，硫元素分别在铁水和炉渣中的分配比率值是根据成分检测系统提供的成分检测数据来计算，且成分检测数据包括有铁水产量及其中的含硫量、炉渣产量及其中的含硫量。

进一步，高炉计量数据中的物料i包括有：焦炭入炉量、煤粉入炉量、混矿入炉量、石灰石及白云石入炉量。

进一步，分析计算模块还包括有根据二氧化硫排放模型计算出当前生产操作条件下满足热风炉烟气排放中二氧化硫排放标准浓度值c标的单位铁水的入炉硫负荷高值lmax的热风炉燃烧分析计算子模块。

进一步，二氧化硫排放模型是以高炉煤气中含硫浓度值cbfg及热风炉燃烧参数计算出热风炉燃烧烟气中的二氧化硫浓度值cso2与数据监测模块实际监测到的烟气中的二氧化硫浓度值进行量化建立，其计算公式为：

其中：

为煤气总硫含量，mg：cbfg为高炉煤气中含硫浓度值，mg/nm³；vbfg为热风炉燃烧所用高炉煤气的体积，nm³；vi为热风炉燃烧耗用高炉煤气以外的其他每种煤气的体积，nm³；α为过剩空气系数；为煤气燃烧的理论氧气需求量，nm³/nm³煤气；为理论空气量，nm³/nm³煤气；ci为燃用的其他煤气含硫浓度，mg/nm³；vy为单位煤气产生的实际烟气量，nm³/nm³煤气；为单位煤气产生的理论烟气量，nm³/nm³煤气。

进一步，管控终端包括与高炉煤气硫浓度计算子模块关联的入炉硫负荷实时分析管控子模块、与热风炉燃烧分析计算子模块关联的热风炉燃烧管控分析子模块。

本发明还提供一种炼铁热风炉烟气二氧化硫排放源头管控方法，采用上述的系统，包括以下步骤：

s1：采集高炉的实时监测值，并将其传输给分析计算模块和管控终端；

s2：分析计算模块计算出入炉总硫负荷值ltotal、单位铁水的硫负荷值lt及高炉煤气中含硫浓度值cbfg；

s3：以高炉煤气中含硫浓度值cbfg及热风炉燃烧参数对热风炉燃烧烟气中的二氧化硫浓度值cso2进行分析计算；

s4：建立基于入炉硫负荷值的热风炉烟气二氧化硫排放模型；

s5：根据二氧化硫排放模型计算出当前生产操作条件下满足热风炉烟气排放中二氧化硫排放标准浓度值c标的单位铁水的入炉硫负荷高值lmax；

s6：系统自动设定lmax为阈值，并判断实时单位铁水的入炉硫负荷值lt与阀值lmax的关系，并根据系统提示进行热风炉燃烧参数调整或者入炉原料调整。

优选的，步骤s6包括如下分步：

s61：判断lt与lmax的关系，若lt＜lmax，则维持现有参数设置及操作不变；

s62：若lt≥lmax，则进行报警提示，通过管控终端的界面调整热风炉燃烧参数，系统根据调整后的参数用二氧化硫排放模型预测出排放烟气中的二氧化硫浓度值cso2，并判断与二氧化硫排放标准浓度值c标的关系；

s63：若cso2＜c标，则系统建议按调整后的热风炉燃烧参数进行设置；若cso2≥c标，系统发出指令，提示是否改进入炉原燃料品质？如果选择否，则进入脱硫模式，系统自动计算出满足全时段达标的最低脱硫效率；如果选择是，则进入源头控制模式，系统自动提出，按照提示调整入炉原料，降低入炉总硫负荷ltotal，再进行步骤s61。

采用上述方案，本发明的炼铁热风炉烟气二氧化硫排放源头管控方法与系统，为钢铁企业提供了一套从原料及操作源头控制热风炉燃烧排放二氧化硫的系统及方法，通过对接现有的检测分析和成分分析系统，计算出特定条件下满足炼铁热风炉二氧化硫排放标准浓度的最佳入炉硫负荷值，从而对进入高炉的含硫原辅材料进行源头管控，以实现对个别时段超限的边界参数进行精准控制，实现全时段达标排放。

本发明的优点在于：本发明是从高炉原料及操作源头进行起源控制，实现了热风炉烟气中二氧化硫全时段达标排放的目的。具有管控动作少、时间短、节奏紧凑及生产效率高的特点。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的源头管控系统框架图。

图2为本发明的源头管控系统结构图。

图3为本发明的源头管控系统流程图。

附图标记：数据采集及传输模块1、存储器2、分析计算模块3、数据监测模块4、管控终端5、计量系统6、成分检测系统7；高炉煤气硫浓度计算子模块31、热风炉燃烧分析计算子模块32；入炉硫负荷实时分析管控子模块51、热风炉燃烧管控分析子模块52。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1、2所示，本实施例中提及的针对高炉炼铁工序热风炉烟气排放的二氧化硫进行源头管控的系统，包括有数据采集及传输模块1、存储器2、分析计算模块3、数据监测模块4、管控终端5。其中，数据采集及传输模块1的输入端分别与数据监测模块4及高炉本体自带的计量系统6和成分检测系统7相连接，其输出端分别与分析计算模块3和管控终端5相连接；数据采集及传输模块1与存储器2之间、分析计算模块3与管控终端5之间各自交互连接。这样，通过采集热风炉燃烧排放的二氧化硫的浓度值和烟气量中的二氧化硫浓度值的实时监测，并将从高炉系统自带的计量系统6、成分检测系统7得到的高炉计量数据和成分检测数据通过数据采集及传输模块1传输到本系统，再通过分析计算模块3和管控终端5分别进行分析计算和可视化显示，同时也将数据储存在存储器2中。分析计算模块3可以与管控终端5进行交互，分为高炉煤气硫浓度计算子模块31和热风炉燃烧分析计算子模块32，并根据系统从数据监控模块4中获取的监测数据以及管控终端5的交互信息进行分析计算，且计算结果在管控终端5进行可视化显示。管控终端5则通过构建计算机软件系统，分为入炉硫负荷实时分析管控子模块51和热风炉燃烧管控分析子模块52。

操作时，根据高炉输入端的入炉原辅材料含硫量、入炉量数据，以及输出端的铁水含硫量、炉渣含硫量以及产生量等在高炉工序生产周期内相关的完整数据，建立数学模型进行计算分析，预测热风炉排放的烟气中的二氧化硫浓度。再根据数据监测模块得出的热风炉烟气中实际排放的二氧化硫浓度和产生量，与预测数据进行比对分析，并通过数据挖掘和机器学习进行迭代，找出可量化的影响关系并建立基于高炉入炉负荷参数的热风炉烟气二氧化硫排放模型，再根据此二氧化硫排放模型，在生产操作因素不变的情况下，计算出满足炼铁热风炉二氧化硫排放标准浓度下的最佳入炉硫负荷，即原辅材料含硫量可选择按照最佳入炉硫负荷进行调控，从而对进入高炉的含硫原辅材料进行源头管控。

具体的，系统首先对接高炉的计量系统和成分检测系统，并从中采集到焦炭入炉量及含硫量，煤粉入炉量及含硫量、混矿入炉量及含硫量、石灰石和白云石入炉量及含硫量，及铁水产量、铁水含硫量、炉渣产量、炉渣含硫量、高炉煤气发生量等参数，利用高炉煤气硫浓度计算子模块来计算出高炉煤气中含硫浓度值cbfg，先按照本系统计算公式计算出入炉总硫负荷值ltotal及单位铁水的硫负荷值lt，即：ltotal＝∑wi·υi，lt＝ltotal/piron,其中wi为物料i入炉的质量，kg；υi为物料i中含硫元素的质量占比；piron为生铁产量。由于高炉生产过程中产生高炉煤气、炉渣、铁水以及高炉煤气除尘灰，在稳定的操作条件下，硫元素在铁水和炉渣中的分配比率基本保持不变。η1为硫元素在铁水中的分配比，η2为硫元素在炉渣中的分配比，则可计算出高炉煤气中含硫浓度值：cbfg＝[(1-η1-η2)×lt-l尘泥]/gbfg，其中，gbfg为单位铁水的高炉煤气发生量；l尘泥为取样高炉煤气除尘灰、出铁场除尘灰等数据后计算得出的固定值，手动输入。

热风炉燃烧分析计算子模块可根据计算得到的cbfg值，根据输入的热风炉燃烧参数和燃烧介质类型、用量、燃烧介质组分及其比例，计算出热风炉燃烧烟气中的二氧化硫浓度值cso2。计算方法为：其中：

为煤气总硫含量，mg：cbfg为高炉煤气中含硫浓度值，mg/nm³；vbfg为热风炉燃烧所用高炉煤气的体积，nm³；vi为热风炉燃烧耗用的高炉煤气以外的其他每种煤气的体积，nm³；α为过剩空气系数；为煤气燃烧的理论氧气需求量，nm³/nm³煤气；为理论空气量，nm³/nm³煤气；ci为燃用的其他煤气含硫浓度，mg/nm³；vy为单位煤气产生的实际烟气量，nm³/nm³煤气；为单位煤气产生的理论烟气量，nm³/nm³煤气。co、c2h4，o2等分别代表煤气中相应气体的体积分数，％。并通过数据监测模块实际监测到的烟气中二氧化硫的浓度，与理论计算出的二氧化硫浓度进行数据挖掘和机器学习，找出可量化的影响关系，建立基于高炉入炉负荷参数的热风炉烟气二氧化硫排放模型，且以此来计算出该生产操作条件下满足炼铁热风炉二氧化硫排放标准浓度的单位铁水的入炉硫负荷高值lmax。

入炉硫负荷实时分析管控子模块通过构建图、表等可视化界面展示进入高炉的不同含硫物料的名称、入炉量及其对应的入炉硫负荷的占比，计算单位铁水的硫负荷lt；系统自动设定计算得到的lmax为阈值，若lt≥lmax，则进行报警提示。

热风炉燃烧管控分析子模块通过构建交互界面，引导用户输入热风炉燃用的煤气类型(如高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气)和不同类型用量的占比以及除高炉煤气之外的其他煤气的组分含量、含硫量、空气过剩系数、理论燃烧温度等的预设分析条件，链接入炉硫负荷实时分析管控子模块中计算得到的lt值，通过二氧化硫排放模型预测热风炉烟气中二氧化硫的排放浓度值cso2，并通过计算机显示界面以表格形式进行结果展示，同时展示出cso2与二氧化硫排放标准浓度值c标的大小关系。其热风炉燃烧参数在系统中均设置合理的范围区间，这个范围区间根据热风炉理论燃烧温度进行自动设置，如果输入的燃烧参数超过系统计算得出的合理的范围区间，则系统显示“不能满足燃烧要求”，不参与后续计算。

再结合图3所示，下面详细介绍下本发明针对高炉炼铁工序中热风炉烟气排放的二氧化硫进行源头管控的方法，具体包括以下步骤：

s1：采集高炉的实时监测值，并将其传输给分析计算模块和管控终端；

s2：分析计算模块根据采集获取的高炉计量系统的铁水、炉渣、高炉煤气等产出量和含硫量数据进行计算，计算入炉总硫负荷ltotal，还通过采集铁水产量、铁水含硫量、炉渣产量、炉渣含硫量、高炉煤气发生量等参数，计算出高炉煤气中含硫浓度cbfg；

s3：通过获取或者输入热风炉燃烧介质、空气过剩系数等燃烧条件参数，实现热风炉排放的烟气中二氧化硫浓度的分析；

s4：建立基于高炉入炉硫负荷参数的热风炉烟气中的二氧化硫排放模型；

s5：根据二氧化硫排放模型计算出该生产操作条件下满足热风炉二氧化硫排放标准浓度值c标的单位铁水的最高的入炉硫负荷高值lmax；

s6：系统自动设定lmax为阈值，并判断计算得出的高炉实时单位铁水的入炉硫负荷值lt与lmax的关系，系统进行提示，如果lt超过阈值，则按系统提示进行热风炉燃烧参数调整或者入炉原料调整。

进一步，s6的具体步骤包括：

s61：判断lt与lmax的关系，若lt＜lmax，则维持现有参数设置及操作不变；

s62：若lt≥lmax，则进行报警提示，通过管控系统的界面，在一定范围内调整热风炉燃烧参数，根据调整后的参数用模型预测，系统自动输入预测出排放的二氧化硫浓度值cso2，并判断其与排放标准c标的关系；

s63：若cso2＜c标，则系统建议按调整后的热风炉燃烧参数进行设置；若cso2≥c标，系统发出指令，按照提示调整入炉原料，降低入炉总硫负荷ltotal，再进行步骤s61。

上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

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