侯建勇,嚴芳,王浩,程曉輝,嚴厚華,胡剛
(1 新疆大學商學院,新疆 烏魯木齊 830008;2 中冶華天工程技術有限公司,安徽 馬鞍山 243061)
石灰石膏法脫硫技術在鋼鐵冶煉煙氣脫硫中的應用主要借鑒燃煤電廠煙氣濕法脫硫。燒結/球團工序是鋼鐵工業中主要的SO污染物排放源,約占整個鋼鐵行業排放量的60%。石灰石膏法脫硫技術具有反應速率快、脫硫效率高、運行相對可靠、吸收劑易得、副產品可回收利用等優點,已廣泛應用在燒結/球團煙氣脫硫項目中,尤其是在含高濃度SO的煙氣中使用效果更佳。但根據脫硫系統的煙氣特點,系統運行受工藝、設備及運營狀況的影響,致使運行時出現磨損、腐蝕、堵塞等現象,影響整個系統的運行穩定性。
在前期針對脫硫系統分析和評價方法的選擇中,曹國慶等采用灰色層次分析理論,從技術、經濟、環保三類性能對脫硫系統進行了評價。孫冠中等采用層次分析法對燃煤電廠煙氣脫硫脫硝一體化的9種工藝進行了對比評價。但在復雜的脫硫系統運行時,存在著各種不確定性和模糊性,單純采用層次分析法并不能把系統失穩原因的模糊不確定性囊括在內。為了更完善地分析和評價脫硫系統運行狀態特征,現引入因果-模糊層次分析法(causal-fuzzy analytic hierarchy process, C-FAHP)對系統進行綜合評價。C-FAHP 法是先采用因果分析法對系統失穩原因進行分析和說明,再采用層次分析法對各影響因素進行權重計算,并引入模糊理論結合系統運行狀態評價模型對系統進行綜合評價。
本文通過對石灰石膏法脫硫系統運行中常見問題進行闡述,采用因果分析法進行影響因素分析,繪制魚骨圖構建出影響因素的結構,再采用模糊層次分析法(FAHP)建立運行狀態評價模型,進行權重分配和數學運算。結合實際運行案例和專家評語,得出案例運行穩定性的綜合評分以及評價等級。把綜合評價結果與現場監測結果進行對比,驗證C-FAHP法用于石灰石膏法脫硫系統運行穩定性綜合評價的適用性。采用C-FAHP法有助于脫硫所屬單位對項目運營狀態與效果的評估,節省因長期跟蹤監督而花費的人力物力。
根據鋼鐵企業煙氣脫硫系統的運行模式,結合萊蕪鋼鐵265m燒結煙氣脫硫案例,調查出影響系統穩定性的因素主要來自六個方面,包括工藝、設備管道、電氣、儀表自動化、公輔和運維管理等。系統運行失穩會帶來諸多不利,如運行成本增加、維修強度加大、人機協調不力、環保不達標、副產品不合格等。
1.1.1 燒結/球團煙氣特點
鋼鐵企業燒結/球團工序的煙氣與燃煤鍋爐煙氣特性有所不同,主要表現在以下幾個方面。
(1)煙氣量大且煙氣波動大。目前國內主力燒結機規模為180~600m,工況煙氣量(108~360)×10m/h。球團單機產能為(100~400)×10t/a,煙氣量(55~215)×10m/h。
(2)含硫量隨礦石的品質變化范圍大。鐵礦石中的硫大部分以硫酸鹽或硫化物的形式存在,SO多數在礦石焙燒的過程中生成,燒結煙氣中的SO濃度通常為500~2000mg/m,在采用高硫礦時可達到3000mg/m以上。
(3)煙氣溫度變化幅度大。正常運行時煙氣溫度為150~160℃,但生產中會出現機頭低溫、機尾高溫的狀況,最低時在80℃左右,最高時可接近
200℃。
(4)煙氣濕度大。一般燒結/球團煙氣含水量在10%~13%之間。
(5)煙氣含氧量高。燒結煙氣含氧量在16%左右,球團煙氣在18%左右。

1.1.2 石灰石膏法脫硫工藝簡介
在以石灰石膏法脫硫技術為主的燃煤鍋爐煙氣脫硫中,采用的吸收劑通常為CaCO,而燒結/球團煙氣石灰石膏法一般采用CaO為吸收劑,副產品均為石膏(CaSO·2HO)。吸收劑粉料加水攪拌后制成Ca(OH)漿液,由石灰漿液泵送至吸收塔。漿液在塔內由循環泵送至噴淋層,經噴嘴噴灑與煙氣逆向接觸,Ca(OH)與SO發生吸收反應,再經加氧后生成石膏漿液,達到一定密度后由石膏漿液泵送至石膏脫水子系統,經旋流分離、真空脫水后制成石膏。煙氣經塔頂濕電除塵器再次除塵后,經煙氣換熱器(GGH)換熱升溫后經煙囪排放,工藝流程見圖1。

圖1 石灰石膏法脫硫工藝流程
脫硫系統運行控制的主要工藝指標有:吸收劑活性、漿液pH、漿液密度、氯離子濃度、漿液氧化指標等。若工藝指標異常超限,則會對系統的正常運行產生抑制作用,帶來不利后果。
1.2.1 吸收劑的活性不足
吸收劑漿液質量分數一般為20%~25%,其活性與石灰的品質有關,主要指標包括:含鈣量、粒度、比表面積、孔隙結構等。石灰進場化驗要求純度不低于90%,粒徑小于200 目(74μm),根據郭瑞堂等對石灰活性實驗得出的結論:石灰石粉的粒度在43.5~63μm 時,其反應速率和球磨經濟性最優。經實驗測得三種不同粒徑的石灰石粉料溶解速率隨時間的變化關系見圖2。

圖2 三種粒徑的石灰石粉溶解速率隨時間的變化關系[13]
1.2.2 漿液運行pH過低
脫硫系統正常運行時漿液pH 控制在5.2~5.5之間為宜,馬雙忱等在脫硫效率與pH 關系實驗中得出:pH 適當下降可以節省部分石灰原料,但也會導致脫硫效率下降,正常運行時不宜低于4.5;祝杰等在對電廠濕法脫硫模型試驗中得出:當吸收劑原料為CaCO時,脫硫效率隨pH 的提高而增加,但超過5.5 后繼續增大會使CaCO在水中的溶解速率下降,抑制液相吸收SO的速率。pH與脫硫效率的關系曲線見圖3。

圖3 pH與SO2脫除效率的關系曲線
1.2.3 漿液密度超高
塔內漿液密度達到1200kg/m時,需開啟石膏漿液泵向石膏脫水系統送漿脫水,脫水后生成石膏產品。當塔內漿液密度繼續上升至1270kg/m后,會對Ca(OH)與SO的化學反應產生抑制作用,導致脫硫效率下降,塔內漿液密度與脫硫效率的對應關系如圖4所示。漿液密度過高也會使粉塵顆粒物在漿液內富集,以及致使石膏漿液顏色加深,影響石膏品質。

圖4 塔內漿液密度與脫硫效率的關系曲線
1.2.4 漿液內氯離子含量超標
Cl主要來自煙氣夾帶粉塵中的可溶氯化物、HCl 和工藝水。因Cl與Ca結合形成溶解性鈣鹽,會抑制CaCO的溶解,并且會干擾CaSO·2HO 的結晶。Cl還會造成設備腐蝕,尤其是對不銹鋼設備形成點蝕穿孔,繼而導致液體介質泄漏。因此,需要控制塔內漿液中的Cl濃度,通常采用外排廢水的方式將其濃度控制在10~20g/L。
1.2.5 漿液氧化指標不足


圖5 S(Ⅳ)-S(Ⅵ)-H2O體系E-pH圖[5]
脫硫設備故障主要有:除霧器壓差超標、設備腐蝕與磨損、石膏脫水設備故障等。
1.3.1 除霧器壓差超標
除霧器是布置在脫硫塔內噴淋層上部去除煙氣水分的重要設備,一般有折流板式、屋脊式等類型。由于煙氣與漿液逆向接觸,煙氣攜帶著粉塵與石膏顆粒物一起附著在除霧器表面。除霧器壓差指標能反映出其堵塞情況,通常控制在100Pa/層,當壓差超出控制指標時,需要用除霧器沖洗水進行沖洗。除霧器壓差受煙氣量和除霧器堵塞率的影響較大,當堵塞率>0.3時,應立即對除霧器進行沖洗。堵塞率、壓差與煙氣量的關系曲線如圖6所示。

圖6 堵塞率、壓差與煙氣量的關系曲線[22]
1.3.2 設備腐蝕與磨損
設備腐蝕主要源自化學腐蝕,包括酸堿腐蝕和電化學腐蝕。Ca(OH)溶液呈堿性,但腐蝕性并不強。主要的腐蝕來自于煙氣中SO、SO、HCl氣體腐蝕以及脫硫塔內的酸性漿液和Cl腐蝕。塔內漿液運行的pH波動范圍在4.5~5.8之間,呈酸性,漿液內存在粉塵夾帶溶解于漿液中的Fe、Na、K、Mg、Ca、Cu等陽離子,以及SO、SO、Cl、NO等陰離子,同時還會生成各種酸性鹽和氯鹽。塔內漿液中Cl會破壞不銹鋼表面的鈍化膜,鈍化膜不完整后會產生點蝕坑,促使坑中的金屬電勢增高,與坑外處于鈍化膜保護下的低電勢金屬形成微觀電池場,加速鈍化膜的消亡,從而金屬基體逐漸被其他腐蝕物質侵蝕,見圖7。

圖7 Cl-對不銹鋼鈍化膜破壞的示意圖[24]
設備磨損主要有風機葉輪磨損、泵葉輪磨損等。除塵后的煙氣經主抽風機進入脫硫系統,煙氣中依然夾帶有少量的物料粉塵,粉塵在葉輪快速轉動下與葉片沖刷,造成葉片的磨損。磨損程度主要與粉塵顆粒的粒徑、硬度、噴射角度、葉片材質、氣流速度等因素有關,陳倩萍在用石英砂對不同材質的葉片進行實驗后得到:四種材料在噴射角度為30°~45°時產生的磨損量最大,耐磨性能排序為16Mn 鋼>Q235A>球墨鑄鐵>鑄鋁合金,其在不同角度時耐磨性能曲線如圖8所示。實驗發現對葉片進行堆焊后可增強其耐磨度,堆焊材料性能排序為Fe-05>517>856>717,Q235A 葉片堆焊后的耐磨性能曲線對比見圖9。

圖8 四種材質不同角度的耐磨性能曲線[25]

圖9 Q235A葉片堆焊后耐磨性能曲線對比[25]
泵葉輪磨損主要有化學磨損和物理磨損。化學磨損主要來自腐蝕,物理磨損來自粉塵及其他雜質的摩擦與沖刷,腐蝕-磨損交互作用的磨損占總腐蝕磨損量的48.73%。在材料受到腐蝕與磨損共同作用時,會相互加劇各自的破壞速度,致使以Cr30A合金為材質的葉輪和泵殼內側腐蝕、葉輪效率下降甚至失效,況且燒結煙氣中的粉塵硬度大于電廠粉煤灰的硬度。目前鋼鐵企業濕法脫硫系統的漿液泵逐漸采用鑄鋼內襯高分子材料的工程塑料泵代替合金泵。
1.3.3 石膏脫水設備故障
真空皮帶脫水機是處理石膏產品的重要設備。按照煙氣脫硫石膏標準(GB/T 37785—2019)的規定,一級石膏含水率≤10%、Cl含量≤100mg/kg。影響脫水效果的因素主要有:石膏結晶粒度、濾餅厚度、濾布透孔率、皮帶及濾布跑偏、吸水真空度等。石膏脫水率對成品粒度有較大影響,含水率9%和18.7%時的粒度分布如圖10 所示。石膏濾餅厚度控制在20~25mm 為宜,保證濾布沖洗干凈以防堵塞,出現皮帶或濾布跑偏現象時及時調整。吸水真空度保持在-0.06MPa,可浮動偏差為±0.01MPa。皮帶運行速度為3~9m/min,運行中可根據實際情況進行調速。

圖10 兩種含水率的石膏漿液粒度分布[27]
脫硫系統中的電氣故障主要有增壓風機跳閘、聯鎖故障、控制系統(distributed control system,DCS 或programmable logic controller, PLC)斷 電 現象等。設計時配備保安電源和抽出式電控柜(motor control center, MCC),防止開關失壓脫扣。控制系統的供電接自不間斷電源(uninterrupted power supply,UPS)控制柜,采用“雙電源無擾快速自動切換裝置”進行電源切換,作為主路和備用電源之間的切換元件。電氣及控制元件應設計有足量冗余,作為日常備用。
儀表、自動化控制簡稱儀自控制。脫硫系統內的監測儀表主要有現場和遠傳兩種形式,遠傳儀表可實現數據遠傳至計算機畫面進行監測。主要的遠傳測點包括壓力、壓差、溫度、風量、pH、密度和煙氣進出口成分檢測(continuous emission monitoring system, CEMS)等,將監測數據引入控制系統。監測數據是操作人員執行決策的判斷依據,保證數據的準確性以及傳輸的可靠性是儀表自動化系統的基本要求。比如:操作人員可根據泵出口壓力判斷泵運行狀態,根據煙氣溫度決定是否開啟緊急噴淋降溫裝置來保護塔體防腐材料和除霧器,根據壓差判斷除霧器是否需要噴淋沖洗,根據pH 判斷是否需要添加吸收劑,根據密度值判斷是否外排漿液制取石膏,根據煙氣中SO進出口濃度調節系統參數等。
公輔工程包括系統的給水排水和壓縮空氣、蒸汽、燃氣的供應等。脫硫系統生產、生活用水來自廠區供水管網,生活污水須經處理至一級B標以上,燃煤電廠的脫硫廢水須處理后回用并達到零排放。在北方冬季寒冷地區應當預防水管凍結而導致破裂。壓縮空氣和蒸汽管道均屬于壓力管道,應當防止因局部疲勞損傷而導致爆炸事故的發生。
項目運行成本和設備使用壽命與日常運營維護的質量有直接聯系。富有責任心和生命力的運維團隊可在日常巡檢中及時發現隱患并加以排除,避免生產或安全事故的發生。
在運營過程中,在有毒有害氣體區域作業時,須佩戴防毒面具和隨身濃度檢測儀。在有火災風險區域進行動火作業,需要嚴格審批制度并做好防范措施。直接接觸腐蝕性介質作業時,須按照安全規定穿戴好防護用品,并且按照操作規程進行作業。
因果分析法也稱為魚骨圖法,由日本學者石川馨提出,是通過頭腦風暴搜集影響系統特性的原因,并與特性關聯后找出其中的主要原因。該方法層次分明、條理清晰,被廣泛應用于各行業系統特性影響因素的分析。
影響脫硫系統運行穩定性的因素可從六類進行分析,包括工藝、設備管道、電氣、儀表自動化、公輔、運維管理,繪制出魚骨圖分析各影響因素的結構,每類因素中又可找出不同的影響子項,詳見圖11。

圖11 脫硫系統運行失穩因素魚骨圖
系統運行穩定性除了要考慮以上六類因素以外,還需考慮人與事的模糊性以及不確定性,將人的日常管理考慮在內。基于以上分析對系統建立評價指標體系,把各影響因素按類別分為6個一級指標和24 個二級指標,如圖12 所示,按照“目標-指標-評價”三個層次建立運行狀態評價模型。根據評價模型設立模糊評價等級,共設定為五級(很穩定、比較穩定、基本穩定、欠穩定、不穩定)。根據指標中各評價對象發生的頻率,建立評語集,把各因素的權重與模糊關系進行合成運算,得出模糊綜合評價分數,根據評價層劃分的分值區域(表1)得出系統運行狀態的評價等級。

圖12 石灰石膏法脫硫系統運行穩定狀況模糊評價模型

表1 評價層分值區域定性等級劃分
采用層次分析法(AHP)展開定性與定量結合分析,可將專家評估思維過程系統化、數學化,通過專家評判、數據檢驗最終確定權重分配。把個評價因素排成一個階判斷矩陣,通過對因素的兩兩比較,確定各因素的對比值,見表2。

表2 重要性標度值1~9的含義
影響因素重要度對比的比值根據調查匯總后得出,調查對象包括項目工程師、操作員、巡檢員與機修工等。依據調查數據對模型中的兩級評價指標建立判斷矩陣,如表3~表9所示。

表3 一級指標U判斷矩陣

表4 二級指標F1判斷矩陣

表5 二級指標F2判斷矩陣

表6 二級指標F3判斷矩陣

表7 二級指標F4判斷矩陣

表8 二級指標F5判斷矩陣

表9 二級指標F6判斷矩陣
根據指標層~的矩陣,利用方差法計算二級指標f的權重,如式(1)所示。

對w需要進行對上層的歸一化處理,如式(2)所示。

經歸一化后的權重值需用式(3)計算一致性指標C.I.(consistency index),并把矩陣平均一致性指標R.I.(random index)(表10)代入式(4),算出一致性比例C.R.(consistency ratio)。若計算結果C.R.<0.1,則認為判斷矩陣的一致性可以接受;若C.R.≥0.1即為不可接受,需對矩陣進行重新修正。
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表10 部分平均隨機一致性指標[34]

根據向量集通式(5)可算得指標層中6組一級指標的權重向量集。

式中,f為該矩陣二級指標的起始因素;f為終止因素。
W=[0.4178,0.1776,0.1058,0.0556,0.2431];
W=[0.5774,0.0564,0.1517,0.2145];
W=[0.1422,0.3854,0.3854,0.0871];
W=[0.2583,0.6370,0.1047];
W=[0.5450,0.1385,0.2329,0.0837];
根據指標層的向量集,采用式(6)求出特征向量的最大值,見式(6)。

根據式(6)計算得到指標層的最大特征值分別為:()=5.132,()=4.202,()=4.021,()=3.039,()=4.051,()=4.058。
根據一致性指標式(3)可得出判斷矩陣~的C.I.值:C.I.()=0.033,C.I.()=0.067,C.I.()=0.007,C.I.()=0.019,C.I.()=0.017,C.I.()=0.019。
由一致性比例式(4)可得出判斷矩陣~的C.R.值:C.R.()=0.030,C.R.()=0.076,C.R.()=0.008,C. R.()=0.037,C.R.()=0.019,C.R.()=0.022。
由于六組C.R.數值均<0.1,一致性指標均可接受。
根據式(7)求出目標層的向量集W,歸一化后可得目標層的權重向量集。

根據式(6)計算得到目標層的最大特征值為()=6.398。根據一致性指標式(3)可得出判斷矩陣的C.I.值:C.I.()=0.080。由一致性比例式(4)可得出判斷矩陣的C.R.值:C.R.()=0.063<0.1,一致性指標可接受。脫硫系統AHP 法評價指標權重匯總見圖13。

圖13 脫硫系統AHP法評價指標權重匯總
模糊綜合評價是一種基于模糊數學的綜合評價法,應用模糊變換原理對受到多因素制約的事物或對象做出總體評價。評價可分為五步:因素集→評語集→權重向量→模糊關系矩陣→模糊綜合評價。模糊綜合評價實施步驟見圖14。

圖14 模糊綜合評價實施步驟
3.5.1 評價對象因素集
={,,,,,}
式中,F(=1,2,…,6)為影響評價對象的各種因素,即評價指標。
3.5.2 評價對象評語集
V={,,,,}
式中,v(=1,2,3,4,5)表示故障發生頻率等級,評語等級對應分值見表11。

表11 故障發生頻率等級對應分值
3.5.3 指標因素權重

3.5.4 模糊關系矩陣
模糊關系矩陣是得出綜合評價結果的矢量矩陣,矩陣形式為R=(r)×,見式(8)。

式中,r(=1,2,…,;=1,2,…,)表示指標因素f獲得v評語的權重,即f對v的隸屬關系。
3.5.5 模糊綜合評價
將評價指標因素的權重向量W與模糊關系矩陣R合成,得到目標層的模糊綜合評價矢量B,見式(9)。

式中,b(=1,2,…,5)表示被評價主體對模糊子集元素v的隸屬度。
目標層總體模糊評價關系B,結合評語集V,求得綜合評分,見式(10)。

山東萊鋼某265m燒結煙氣脫硫系統采用石灰石膏法脫硫技術,煙氣脫硫前已經電除塵器進行了降塵,煙氣量為96×10m/h。該系統投產于2013年,實際運行過程中出現過各種影響系統穩定性的問題,燒結車間在大修期間對該工段進行了修理,運行班組配備專業運維人員進行巡檢和維護。
采用FAHP 法對該項目進行模糊層次綜合評價,系統運行穩定狀況模糊評價模型以圖12 為依據,各因素的權重值如圖13所示。
邀請10 名與該脫硫項目相關的專家(包括管理、設計、施工、技術、運行、巡檢、維修等專業),對24種影響因素的發生頻率進行對應選擇打分,經對選填人數統計后得出統計結果,如表12所示。

表12 影響因素發生頻率專家評判結果統計
根據專家評分統計結果,根據式(8)對指標因素建立6 個模糊關系矩陣,r的值由式(11)確定。

首先對一級指標的模糊關系矩陣進行單因素模糊判斷,把判斷矩陣的權重向量與模糊關系矩陣的隸屬度進行合成(∧,∨)運算,可以得到歸一化后的六個模糊評價結果。

根據6組一級指標的模糊評價結果,組合得出目標層的模糊矩陣,如式(12)。

再對目標層的模糊綜合評價進行合成運算得到,如式(13)。

由W=[0.16720.0907,0.2616,0.4141,0.0426,0.0238]的值大小對比可得,影響脫硫系統運行穩定性的6 類一級指標因素重要度排序為:電氣故障>儀自控制故障>工藝指標異常>設備故障>公輔供應失穩>日常運維管理。
由B=(0.0934,0.1428,0.2234,0.1868,0.3537) 的值可看出,結合一級指標因素的權重和專家評語,對案例項目的故障發生頻率進行認定,五種故障發生頻率的專家評估比例統計結果如表13所示。

表13 故障發生頻率專家評估影響份額
根據模糊綜合評價式(10)和對應分值(表11),求出該項目運行穩定性的綜合得分為:=[B×V]=77.75。結合表1 劃分的分值區域,該項目的運行穩定狀態評價定性等級為“基本穩定/三級”,項目運維穩定程度還需進一步優化和提高。
為了驗證該脫硫項目模糊綜合評價的準確性,調查人員對項目進行為期1年的跟蹤記錄。從2019年8 月份開始至2020 年7 月份結束,歷經春、夏、秋、冬四季,跟蹤調查的內容包括:故障發生所屬范圍、故障名稱及原因、故障處理及結果等,統計數據見表14。

表14 項目跟蹤調查數據記錄
由項目跟蹤記錄和后果嚴重情況可以看出,當電氣設施發生故障時,對脫硫系統運行穩定性影響最大,其他依次為儀表自動化設施、工藝運行參數、設備與管道、公輔供應,若對人的管理不到位也會使系統積勞成疾。及時發現故障并及時處理,可使系統維持良好的運行狀態。調查結果與采用C-FAHP 法的評價結果一致,符合項目實際運行情況,表明了C-FAHP 法的準確性和適用性。

續表14
本文以萊鋼燒結煙氣脫硫系統為例,采用因果分析法分析了石灰石膏法脫硫系統運行穩定性影響因素,并基于模糊層次分析法建立了運行穩定狀況評價模型,對該系統進行綜合評價并得出以下結論。
(1)對6 類一級指標因素進行分析和權重計算,得到脫硫系統運行穩定性影響程度排序為:電氣設施、儀表自動化控制、工藝運行參數、設備管道、公輔供應、日常運行維護。
(2)對案例進行模糊綜合評價后,得到該項目綜合評分為77.75,運行穩定狀態評價等級為“基本穩定/三級”,系統穩定性還需進一步優化與改進。
(3)與跟蹤調查的結果比對,項目1年內系統影響因素重要程度與采用C-FAHP法進行綜合分析的結果一致,驗證了該方法用于石灰石膏法脫硫系統運行穩定性綜合評價具有較好的適用性。