燒結(jié)過程SO2排放預(yù)測模型研究

崔劍 巴合提努爾·巴贊 李書欽（馬鋼(集團)控股有限公司安徽工業(yè)大學(xué)中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司安徽馬鞍山400）

燒結(jié)過程SO2排放預(yù)測模型研究

崔劍1巴合提努爾·巴贊2李書欽3
（1馬鋼(集團)控股有限公司2安徽工業(yè)大學(xué)3中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司安徽馬鞍山24300）

本文以物料平衡法為基礎(chǔ)，對煉鐵廠燒結(jié)工序進行解析，結(jié)合經(jīng)驗估算法的分配因子，耦合生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、能量流，建立了燒結(jié)二氧化硫排放預(yù)測模型，并以馬鋼三鐵廠為例，驗證了該二氧化硫排放預(yù)測模型，并從操作參數(shù)和預(yù)測公式兩方面進行了排放模型的優(yōu)化。

物料平衡法；分配因子；二氧化硫；預(yù)測模型；模型優(yōu)化

引言

鋼鐵行業(yè)二氧化硫減排，不僅是實現(xiàn)控制全國SO2排放總量目標的重要保障，也是改善城市和區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。對排放量進行估算或預(yù)測是進行大氣污染控制的基礎(chǔ)性工作。二氧化硫排放量計算可采用預(yù)測和估算。預(yù)測一般采用灰色預(yù)測方法、回歸方法、產(chǎn)排污系數(shù)法等。其中灰色預(yù)測方法可根據(jù)預(yù)測對象的局部信息的歸納，找出與預(yù)測對象之間關(guān)系，從而做出預(yù)測。如王艷玲[2]通過結(jié)合灰色預(yù)測理論與馬爾科夫鏈理論，建立組合預(yù)測模型—灰色馬爾可夫預(yù)測模型。鄭艷琳等[3]利用線性回歸分析和方差分析的方法，建立了燃煤二氧化硫排放量的回歸測算模型。周曉明[4]通過結(jié)合灰色預(yù)測模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)測模型。估算一般采用現(xiàn)場實測法、物料衡算法、類比分析法等。對于SO2排放模型的研究已開展了相關(guān)工作。常衛(wèi)明等[5]總結(jié)二氧化硫排放總量的核定有三種方法：實測法、物料衡算法和排污系數(shù)法。寧玲等[6]通過對燒結(jié)工藝二氧化硫三種計算方法的分析對比。李軍旗等[7]并建立了工序的硫素流分析模型。本文基于物料衡算法，結(jié)合了馬鋼三鐵廠燒結(jié)A線的數(shù)據(jù)深入研究物流、能量流和硫素流，以及三者之間的耦合關(guān)系，建立煉鐵系統(tǒng)燒結(jié)工序的硫排放數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對二氧化硫排放的預(yù)測。

1 二氧化硫排放模型的建立

以物料平衡法為基礎(chǔ)，生產(chǎn)過程涉及硫素的10類物料，包括輸入項主原料質(zhì)量PA，燃料質(zhì)量PE，輔助料質(zhì)量PM，外返質(zhì)量PB，內(nèi)返質(zhì)量PC，輸出項返礦質(zhì)量PD，主產(chǎn)品質(zhì)量PF，廢氣質(zhì)量PG，除塵灰質(zhì)量PW，損失質(zhì)量PL。

1.1 物料平衡與硫平衡根據(jù)物料平衡可知輸入物量等于輸出物量，則有：

根據(jù)硫平衡可知輸入硫質(zhì)量等于輸出硫質(zhì)量，則有：

結(jié)合物料平衡和各成分的硫含量百分比則有：

1.2 分配因子

根據(jù)燒結(jié)工藝以及硫平衡可知，燒結(jié)主原料含硫量與廢氣含硫量有一定的線性關(guān)系，其余沒有線性關(guān)系量的比例約束為了方便也假設(shè)為線性關(guān)系。

則有：QA=QG（1+μD+μF+μW+μL）/（1+μE+μM+μB+ μC）=K1×QG

對于一個穩(wěn)定的工藝可知K1是一個常數(shù)，可以利用這個公式進行相關(guān)預(yù)測。

2 預(yù)測模型驗證

由于S元素貫穿鋼鐵生產(chǎn)工藝流程，為了能準確預(yù)測SO2排放量，根據(jù)物料平衡的方法，依據(jù)物流解析特點，建立SO2排放流的計算模型。圖1是馬鋼三鐵廠燒結(jié)工序物流解析圖。

圖1 馬鋼三鐵廠燒結(jié)工序物流解析圖

表1 物料與二氧化硫的擬合方程

由表1可知，云粉、外返、混勻礦以及焦粉對SO2濃度的影響比其他因素稍高。

通過前面的分析選定公式y(tǒng)=0.36542X9+2.6656對九個月的數(shù)據(jù)進行預(yù)測，將預(yù)測值與誤差統(tǒng)計于圖2中：

圖2 在1-9月份誤差

通過圖2可知，1-9月份的最大誤差是-144.23%，最小的誤差是175.88%，平均誤差為5.0633%?？紤]到生產(chǎn)波動、設(shè)備停檢修和儀器儀表精度，誤差在接受范圍內(nèi)，因此預(yù)測模型基本正確。

3模型優(yōu)化

3.1 操作參數(shù)的優(yōu)化

表2 操作參數(shù)擬合方程及擬合度

根據(jù)表2可知按照擬合度高低知，幾個影響因素高的依次是：二排空氣流量、總管煤氣流量與風箱負壓南（22#）。

將上面三種操作參數(shù)第二次擬合結(jié)果表示如下表3所示：

表3 三種參數(shù)的擬合方程與擬合度

根據(jù)表3可以知道，按照擬合度大小可以確定影響煙氣含硫量的主要操作參數(shù)是二排空氣流量與總管煤氣流量。由于二排空氣與總管煤氣是耦合關(guān)系，二排空氣流量雖然大于總管煤氣流量，但是由于總管煤氣流量的含硫量大，故而其產(chǎn)量偏大，以煙氣形式的排放量就偏大。因此最終確定影響煙氣含硫量的主要操作參數(shù)是總管煤氣流量。

3.2 預(yù)測公式的優(yōu)化

通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)的物質(zhì)流、硫素流分析，可以分析原料中帶入的硫，主要是焦粉與混勻礦的帶入硫分成兩股輸出。一股是燒結(jié)礦，另一股是煙氣，燒結(jié)礦受到燒結(jié)工藝的影響，其含量低，主要是通過煙氣輸出。所以可以揣測煙氣的含硫量隨著混勻礦與焦粉含硫量的增加而增加。因此，將煙氣含硫量與混勻礦加焦粉的含硫量進行二次擬合。

根據(jù)不同月份的擬合，選擇擬合效果較好的一月、三月、四月、五月和七月。將這五個月實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)重新擬合，并轉(zhuǎn)換為非線性關(guān)系。

圖3 非線性擬合圖

根據(jù)圖3可以知道優(yōu)化的預(yù)測公式為y= 0.17956x2-1.7246x+8.389，擬合度為0.57507。由圖可知，當混勻礦加焦粉含硫量大于5t時，煙氣含硫量隨著混勻礦加焦粉含硫量的增加而增加，與理論預(yù)測一樣。當混勻礦加焦粉含硫量小于5t時，因為此時處于小生產(chǎn)區(qū)域而且受到其他操作因素的影響，故而此部分為常數(shù)。綜合分析可以知道：可以分為兩部分，當混勻礦加焦粉含硫量大于5t時，為增長的曲線；當混勻礦加焦粉含硫量小于5t時，為一個常數(shù)，即一條平行直線。

結(jié)語

本文以馬鋼三鐵廠為例，開展關(guān)于二氧化硫排放模型的研究。通過分析二氧化硫的影響因素以及硫元素的比例，確定了混勻礦加焦粉的含硫量影響煙氣的含硫量，并推出了相應(yīng)的線性關(guān)系式，從而達到預(yù)測的目的。以馬鋼三鐵廠二氧化硫排放模型系統(tǒng)為例，驗證了該二氧化硫排放模型，從操作參數(shù)和預(yù)測公式兩方面進行了排放模型的優(yōu)化。

[1]趙欣,索林生,吳娟.我國燒結(jié)煙氣脫硫現(xiàn)狀分析[J].邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2011,(2):41-43.

[2]王艷玲.灰色馬爾可夫預(yù)測模型在工業(yè)SO2排放量中的應(yīng)用[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,(2):74-77.

[3]鄭艷琳,李福利.燃煤二氧化硫排放量的回歸測算模型[J].能源環(huán)境保護,2009,(3):47-50.

[4]周曉明.火電行業(yè)二氧化硫排放量預(yù)測研究[D].華北電力大學(xué),2011

[5]常衛(wèi)民,劉寧鍇.物料衡算法核定二氧化硫排放總量的一個關(guān)鍵點[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù),2004,(6):33.

[6]寧玲,文耀愛.關(guān)于燒結(jié)工藝SO2排放量的計算[J].環(huán)境工程,2001,(1):55-56.

[7]吳復(fù)忠,蔡九菊,李軍旗.煉鐵系統(tǒng)的硫素流分析[J].工業(yè)加熱,2008,(2):6-9.

崔劍（1971—），男，安徽省馬鞍山市人，大學(xué)本科，研究方向：環(huán)境保護。