基于回歸模型的焦爐煤氣脫硫脫氰工藝優(yōu)化研究

趙世杰

（伊吾疆納新材料有限公司，新疆 哈密 839300）

0 引言

中國焦炭需求隨著鋼鐵行業(yè)的迅速發(fā)展逐漸加大，使得我國已成為全球焦炭供應量最大的生產(chǎn)地。與此同時，對于焦化技術(shù)的要求也越來越高[1-3]。煤中含有大量的硫，在煉焦的過程中會產(chǎn)生硫化物氣體進入到大氣中，嚴重污染環(huán)境，進而影響到不斷吸收大氣空氣的人類的健康[4-7]。而其中的H2S 腐蝕性十分強，在煤氣凈化過程中流通會不斷接觸生產(chǎn)設備，影響設備壽命[8-9]。對于相關工藝的優(yōu)化也一直是學者們重點研究的方向。閆驍瑾等通過比對多種焦爐煤氣濕式氧化法脫硫工藝的脫硫效果，分析認為實現(xiàn)高效脫硫需進行設備改造，多種方法聯(lián)合使用，才能加強脫硫效率[10]。因此，研究利用回歸模型對三期焦爐煤氣脫硫工藝的實際生產(chǎn)狀況進行分析，根據(jù)分析結(jié)果制定相應的工藝優(yōu)化策略，進而設計出四期脫硫工藝。為進一步實現(xiàn)降本增效，研究根據(jù)四期工程各自優(yōu)勢，對其進行有機結(jié)合。

1 基于回歸模型的焦爐煤氣脫硫脫氰工藝對比分析

1.1 三期工程脫硫工藝設計

焦爐煤氣脫硫脫氰方法主要可以劃分為兩類，即干、濕兩種。濕法脫硫，就是利用脫硫液對焦爐煤氣中的硫化物和氰化物進行脫除。在脫硫塔中，焦煤爐氣與脫硫液接觸，從而發(fā)生化學反應，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊o危害的化合物，起到凈化作用。其整合了多重的脫硫優(yōu)勢，也摒除了常規(guī)脫硫暗藏的弊病及漏洞[11-15]。一期焦炭生產(chǎn)工程中的煤氣凈化采用塔-希法。工藝將凈化過程分為了兩部分，首先利用塔卡哈克斯脫硫脫氰處理裝置以煤氣中的氨為堿源，并利用催化劑進行氧化，從而實現(xiàn)脫硫，然后使用希羅哈克斯法對產(chǎn)生的廢液進行處理。該工程工藝流程短，能夠保證一定的生產(chǎn)效率，還無二次污染。但催化劑一般需要進口，生產(chǎn)成本較高，耗電量較大，在凈化過程中必須配合使用硫酸銨裝置。

二期焦炭生產(chǎn)中的焦煤爐氣凈化采用索爾菲班脫硫工藝，采用溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為15%的單乙醇胺（MEA）在低溫的環(huán)境下作為吸收液對煤氣中的H2S、HCN 等進行吸收。為保證脫硫液質(zhì)量，在每次生產(chǎn)之后，會取出其中2%的吸收液進行再生處理。將其導入到再生器中進行蒸汽加熱，沉降分離出其中的固體殘渣。由于使用的處理設備較少，占地面積并不大，且脫硫效率較高。但是脫硫工藝中使用的裝置穩(wěn)定性較差，不能夠一直保持較高的脫硫效率，容易產(chǎn)生二次污染。

二期焦炭生產(chǎn)工程使用FRC 脫硫工藝進行煤氣處理。使用苦味酸（PIA）對煤氣處理過程進行催化，并使用氨水進行脫硫吸收。焦爐煤氣經(jīng)過冷卻與除萘處理之后，被輸送到脫硫塔中。塔頂將吸收液噴淋下來與氣體進行直接接觸，從而去除煤氣中的硫化氫和氰化氫。在脫硫塔中經(jīng)過化學反應之后，進入到再生塔中進行氧化再生，再生后的吸收液經(jīng)過再一次的冷卻處理即可繼續(xù)循環(huán)使用。吸收液中的鹽濃度會隨著凈化過程逐漸提高，從而使得溶液中產(chǎn)生硫磺堆積。為此，需要在每次循環(huán)凈化過程中將吸收液進行離心分離，將分離出來的濾液進行濃縮制成硫漿，得到的硫漿直接運輸?shù)绞枇虿壑斜欢问褂谩Ｓ捎诿看味夹枰M行離心處理，工藝流程較長，且設備占地空間大。生產(chǎn)成本高，且容易產(chǎn)生二次污染。

1.2 基于回歸模型的三期脫硫工藝分析

脫硫工藝中的吸收塔本身結(jié)構(gòu)以及入口處的硫化氫含量、液氣比和溫度與硫化物、氰化物的吸收效率有著緊密聯(lián)系。研究在MES 系統(tǒng)中收集2020 年9 月16 日至2021 年6 月2 日的脫硫工藝相關數(shù)據(jù)，使用MATLAB 軟件進行回歸分析。通過回歸分析得到脫硫效率的主要影響因素一般為某些化合物的濃度，包括SCN-、S3O32-、F-NH3、HS-等。根據(jù)這4 個影響因素，并結(jié)合降噪處理之后，研究定義了回歸模型的計算方法如式（1）。

式中：Y 為脫硫效率；X1為SCN-濃度；X2為S3O32-濃度；X4為F-NH3濃度；X5為HS-濃度。模型的相關系數(shù)為0.714 1。在數(shù)據(jù)集中選取2020 年9 月18 日至2020 年12 月27 日焦爐煤氣生產(chǎn)過程中再生液的組成，將其輸入到回歸模型中進行脫硫預測。預測結(jié)果如圖1 所示。

圖1 回歸模型預測脫硫效率對比結(jié)果

由圖1 可知，預測相對誤差波動范圍為0.52%～1.90%。在此時間段內(nèi)的平均預測誤差為0.78%。具有較高的預測準確性，生產(chǎn)人員能夠根據(jù)模型的預測結(jié)果在實際生產(chǎn)過程中不斷進行調(diào)節(jié)。研究通過回歸模型的方法得到脫硫率與再生液中SCN-和HS-濃度呈負相關，與S3O32-、F-NH3濃度呈正相關。各因素對脫硫效率的影響程度為HS-濃度＞F-NH3濃度＞S3O32-濃度＞SCN-濃度。由此可知，在實際生產(chǎn)中，可以通過控制再生液中的HS-濃度或補氨來提高脫硫工藝的凈化效率。為保證脫硫系統(tǒng)正常運行，系統(tǒng)中的水平衡需要不斷維持。研究發(fā)現(xiàn)，可通過適當提高出口煤氣溫度、凝縮液切入切出適當轉(zhuǎn)換來調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的水平衡。

2 焦爐煤氣FRC 脫硫工藝優(yōu)化設計

2.1 基于回歸分析結(jié)果優(yōu)化焦爐煤氣脫硫工藝

在認真總結(jié)前三期脫硫工藝，并利用回歸模型對3 個工程的脫硫效果進行分析之后，研究對原三期FRC 脫硫的設計進行改進。考慮到未來高硫煤應用的發(fā)展，對于第四期脫硫工藝的改進設計中將入口處的H2S 含量提高，保證本工藝能夠適應市場變化。改進的工藝流程如下：

焦爐煤氣通過冷卻器進行降溫之后，輸入到脫硫塔的底部。隨著氣體不斷上升與FRC 脫硫吸收液的噴灑下流，氣液在塔內(nèi)產(chǎn)生接觸產(chǎn)生化學反應。接觸后的煤氣從塔頂輸送往無水氨裝置中，而吸收液被泵從吸收塔底部抽出，輸送至再生塔底。在再生塔中與再生用壓縮空氣混合，在催化劑的作用下，吸收液中的HS-被氧化成元素硫。氧化出的元素硫從溶液中隨氣泡上浮到水面上。經(jīng)過泡沫分離器被泵抽出。有一?小部分硫泡沫未被分離，上升到了再生塔上部，經(jīng)過滿流口溢流到緩沖槽中。最后剩下的再生尾氣經(jīng)過塔頂傳輸?shù)轿账艿乐小６s尾氣進入到洗凈塔中，在塔中進行充分凈化后排出大氣中，確保不出現(xiàn)二次污染。

研究根據(jù)前三期脫硫工藝的實際運轉(zhuǎn)狀況對脫硫設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，優(yōu)化后的脫硫塔的進口煤氣管水平分布于塔內(nèi)部。為保證煤氣分布管水平狀態(tài)，研究在塔內(nèi)四周頂端分別安裝支撐架。氣體與脫硫劑的接觸面積也直接影響了脫硫效率，為此，研究在煤氣管上分別設了4 個分布孔以及若干排液孔。在三期脫硫塔中，塔內(nèi)部的填料堆放并不合理，氣體在塔內(nèi)容易出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。為此，研究將四期脫硫塔中填料設置進行優(yōu)化，在常規(guī)填料的上中下都放置一定高度的較為規(guī)整的塊狀或半圓狀填料。

2.2 焦爐煤氣脫硫脫氰工藝改進效果分析

為檢驗改進效果，研究將檢測三期、四期的脫硫塔內(nèi)不同高度的H2S 濃度，并進行對比分析，具體如圖2。

圖2 脫硫塔不同高度H2S 濃度變化曲線

由圖2 中內(nèi)容分析可知，研究優(yōu)化設計的第四期脫硫工藝在塔內(nèi)測得的不同高度H2S 濃度曲線皆低于生產(chǎn)要求與第三期脫硫塔H2S 濃度變化曲線。雖然三期曲線能夠達到出口的要求，但是塔內(nèi)的H2S 分布并不均勻，這說明其吸收效果并不夠理想。若想提高脫硫率，只能通過高吸收液的活性，但這樣生產(chǎn)的成本較高。四期脫硫工藝采用了二次分配的方法進行煤氣凈化，能夠均勻吸收塔內(nèi)硫化物與氰化物。

四期工藝本身具有不同的特點，在能源結(jié)構(gòu)具有較大的差異。為實現(xiàn)更為合理的轉(zhuǎn)運成本比較，研究將能耗與勞動成本最為接近的三期與四期工程進行對比。通過最終分析得到，除運轉(zhuǎn)單耗以外，四期脫硫工藝與三期相比各方面的消耗皆有不同程度的增加。運轉(zhuǎn)單耗下降了7.6%，輔料消耗增加了4.1%，電力消耗增加了2.6%。為進一步優(yōu)化工藝，減少不必要的能源消耗，研究根據(jù)四期工藝的自身優(yōu)勢，將其進行結(jié)合運用。經(jīng)過不斷實踐與調(diào)節(jié)，得到最終降低成本及能耗的凈化方案。其中四期的煤氣凈化系統(tǒng)需要凈化的煤氣量占60%，三期占40%。在此過程中，后面半條凈化線根據(jù)當月生產(chǎn)模式選擇二期的無水氨或一期硫銨進行裝置。最終經(jīng)過實踐，方案策略通過降低成本提高效率的方式，產(chǎn)生了約1 256 萬元/a 的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)論

硫化物不僅在生產(chǎn)過程中會對生產(chǎn)設備造成極強的腐蝕，從而影響產(chǎn)品的產(chǎn)量。還會嚴重污染環(huán)境，甚至危及人類的健康。研究利用回歸模型對三期焦慮煤氣脫硫工藝的實際生產(chǎn)狀況進行分析，最后制定相應的優(yōu)化策略，得到第四期脫硫工藝。為進一步實現(xiàn)降本增效，研究結(jié)合四期工程自身優(yōu)勢，將4 個脫硫工藝進行有機結(jié)合。通過回歸模型預測得到的結(jié)果，相對誤差波動范圍為0.52%～1.90%。在此時間段內(nèi)的平均預測誤差為0.78%。具有較高的預測準確性，生產(chǎn)人員能夠根據(jù)模型的預測結(jié)果在實際生產(chǎn)過程中不斷進行調(diào)節(jié)。通過實際運用證明，優(yōu)化后的脫硫脫氰工藝能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的降本增效。