基于因果-模糊层次分析的湿法脱硫系统运行稳定性综合评价

2022-03-09侯建勇严芳王浩程晓辉严厚华胡刚

化工进展 2022年2期

侯建勇，严芳，王浩，程晓辉，严厚华，胡刚

（1 新疆大学商学院，新疆乌鲁木齐 830008；2 中冶华天工程技术有限公司，安徽马鞍山 243061）

石灰石膏法脱硫技术在钢铁冶炼烟气脱硫中的应用主要借鉴燃煤电厂烟气湿法脱硫。烧结/球团工序是钢铁工业中主要的SO污染物排放源，约占整个钢铁行业排放量的60%。石灰石膏法脱硫技术具有反应速率快、脱硫效率高、运行相对可靠、吸收剂易得、副产品可回收利用等优点，已广泛应用在烧结/球团烟气脱硫项目中，尤其是在含高浓度SO的烟气中使用效果更佳。但根据脱硫系统的烟气特点，系统运行受工艺、设备及运营状况的影响，致使运行时出现磨损、腐蚀、堵塞等现象，影响整个系统的运行稳定性。

在前期针对脱硫系统分析和评价方法的选择中，曹国庆等采用灰色层次分析理论，从技术、经济、环保三类性能对脱硫系统进行了评价。孙冠中等采用层次分析法对燃煤电厂烟气脱硫脱硝一体化的9种工艺进行了对比评价。但在复杂的脱硫系统运行时，存在着各种不确定性和模糊性，单纯采用层次分析法并不能把系统失稳原因的模糊不确定性囊括在内。为了更完善地分析和评价脱硫系统运行状态特征，现引入因果-模糊层次分析法（causal-fuzzy analytic hierarchy process, C-FAHP）对系统进行综合评价。C-FAHP 法是先采用因果分析法对系统失稳原因进行分析和说明，再采用层次分析法对各影响因素进行权重计算，并引入模糊理论结合系统运行状态评价模型对系统进行综合评价。

本文通过对石灰石膏法脱硫系统运行中常见问题进行阐述，采用因果分析法进行影响因素分析，绘制鱼骨图构建出影响因素的结构，再采用模糊层次分析法（FAHP）建立运行状态评价模型，进行权重分配和数学运算。结合实际运行案例和专家评语，得出案例运行稳定性的综合评分以及评价等级。把综合评价结果与现场监测结果进行对比，验证C-FAHP法用于石灰石膏法脱硫系统运行稳定性综合评价的适用性。采用C-FAHP法有助于脱硫所属单位对项目运营状态与效果的评估，节省因长期跟踪监督而花费的人力物力。

1 脱硫系统运行常见问题

根据钢铁企业烟气脱硫系统的运行模式，结合莱芜钢铁265m烧结烟气脱硫案例，调查出影响系统稳定性的因素主要来自六个方面，包括工艺、设备管道、电气、仪表自动化、公辅和运维管理等。系统运行失稳会带来诸多不利，如运行成本增加、维修强度加大、人机协调不力、环保不达标、副产品不合格等。

1.1 烧结球团烟气特点及石灰石膏法脱硫工艺

1.1.1 烧结/球团烟气特点

钢铁企业烧结/球团工序的烟气与燃煤锅炉烟气特性有所不同，主要表现在以下几个方面。

（1）烟气量大且烟气波动大。目前国内主力烧结机规模为180～600m，工况烟气量(108～360)×10m/h。球团单机产能为(100～400)×10t/a，烟气量(55～215)×10m/h。

（2）含硫量随矿石的品质变化范围大。铁矿石中的硫大部分以硫酸盐或硫化物的形式存在，SO多数在矿石焙烧的过程中生成，烧结烟气中的SO浓度通常为500～2000mg/m，在采用高硫矿时可达到3000mg/m以上。

（3）烟气温度变化幅度大。正常运行时烟气温度为150～160℃，但生产中会出现机头低温、机尾高温的状况，最低时在80℃左右，最高时可接近

200℃。

（4）烟气湿度大。一般烧结/球团烟气含水量在10%～13%之间。

（5）烟气含氧量高。烧结烟气含氧量在16%左右，球团烟气在18%左右。

1.1.2 石灰石膏法脱硫工艺简介

在以石灰石膏法脱硫技术为主的燃煤锅炉烟气脱硫中，采用的吸收剂通常为CaCO，而烧结/球团烟气石灰石膏法一般采用CaO为吸收剂，副产品均为石膏（CaSO·2HO）。吸收剂粉料加水搅拌后制成Ca(OH)浆液，由石灰浆液泵送至吸收塔。浆液在塔内由循环泵送至喷淋层，经喷嘴喷洒与烟气逆向接触，Ca(OH)与SO发生吸收反应，再经加氧后生成石膏浆液，达到一定密度后由石膏浆液泵送至石膏脱水子系统，经旋流分离、真空脱水后制成石膏。烟气经塔顶湿电除尘器再次除尘后，经烟气换热器（GGH）换热升温后经烟囱排放，工艺流程见图1。

图1 石灰石膏法脱硫工艺流程

1.2 工艺运行控制指标异常

脱硫系统运行控制的主要工艺指标有：吸收剂活性、浆液pH、浆液密度、氯离子浓度、浆液氧化指标等。若工艺指标异常超限，则会对系统的正常运行产生抑制作用，带来不利后果。

1.2.1 吸收剂的活性不足

吸收剂浆液质量分数一般为20%～25%，其活性与石灰的品质有关，主要指标包括：含钙量、粒度、比表面积、孔隙结构等。石灰进场化验要求纯度不低于90%，粒径小于200 目（74μm），根据郭瑞堂等对石灰活性实验得出的结论：石灰石粉的粒度在43.5～63μm 时，其反应速率和球磨经济性最优。经实验测得三种不同粒径的石灰石粉料溶解速率随时间的变化关系见图2。

图2 三种粒径的石灰石粉溶解速率随时间的变化关系[13]

1.2.2 浆液运行pH过低

脱硫系统正常运行时浆液pH 控制在5.2～5.5之间为宜，马双忱等在脱硫效率与pH 关系实验中得出：pH 适当下降可以节省部分石灰原料，但也会导致脱硫效率下降，正常运行时不宜低于4.5；祝杰等在对电厂湿法脱硫模型试验中得出：当吸收剂原料为CaCO时，脱硫效率随pH 的提高而增加，但超过5.5 后继续增大会使CaCO在水中的溶解速率下降，抑制液相吸收SO的速率。pH与脱硫效率的关系曲线见图3。

图3 pH与SO2脱除效率的关系曲线

1.2.3 浆液密度超高

塔内浆液密度达到1200kg/m时，需开启石膏浆液泵向石膏脱水系统送浆脱水，脱水后生成石膏产品。当塔内浆液密度继续上升至1270kg/m后，会对Ca(OH)与SO的化学反应产生抑制作用，导致脱硫效率下降，塔内浆液密度与脱硫效率的对应关系如图4所示。浆液密度过高也会使粉尘颗粒物在浆液内富集，以及致使石膏浆液颜色加深，影响石膏品质。

图4 塔内浆液密度与脱硫效率的关系曲线

1.2.4 浆液内氯离子含量超标

Cl主要来自烟气夹带粉尘中的可溶氯化物、HCl 和工艺水。因Cl与Ca结合形成溶解性钙盐，会抑制CaCO的溶解，并且会干扰CaSO·2HO 的结晶。Cl还会造成设备腐蚀，尤其是对不锈钢设备形成点蚀穿孔，继而导致液体介质泄漏。因此，需要控制塔内浆液中的Cl浓度，通常采用外排废水的方式将其浓度控制在10～20g/L。

1.2.5 浆液氧化指标不足

图5 S(Ⅳ)-S(Ⅵ)-H2O体系E-pH图[5]

1.3 脱硫系统设备故障

脱硫设备故障主要有：除雾器压差超标、设备腐蚀与磨损、石膏脱水设备故障等。

1.3.1 除雾器压差超标

除雾器是布置在脱硫塔内喷淋层上部去除烟气水分的重要设备，一般有折流板式、屋脊式等类型。由于烟气与浆液逆向接触，烟气携带着粉尘与石膏颗粒物一起附着在除雾器表面。除雾器压差指标能反映出其堵塞情况，通常控制在100Pa/层，当压差超出控制指标时，需要用除雾器冲洗水进行冲洗。除雾器压差受烟气量和除雾器堵塞率的影响较大，当堵塞率＞0.3时，应立即对除雾器进行冲洗。堵塞率、压差与烟气量的关系曲线如图6所示。

图6 堵塞率、压差与烟气量的关系曲线[22]

1.3.2 设备腐蚀与磨损

设备腐蚀主要源自化学腐蚀，包括酸碱腐蚀和电化学腐蚀。Ca(OH)溶液呈碱性，但腐蚀性并不强。主要的腐蚀来自于烟气中SO、SO、HCl气体腐蚀以及脱硫塔内的酸性浆液和Cl腐蚀。塔内浆液运行的pH波动范围在4.5～5.8之间，呈酸性，浆液内存在粉尘夹带溶解于浆液中的Fe、Na、K、Mg、Ca、Cu等阳离子，以及SO、SO、Cl、NO等阴离子，同时还会生成各种酸性盐和氯盐。塔内浆液中Cl会破坏不锈钢表面的钝化膜，钝化膜不完整后会产生点蚀坑，促使坑中的金属电势增高，与坑外处于钝化膜保护下的低电势金属形成微观电池场，加速钝化膜的消亡，从而金属基体逐渐被其他腐蚀物质侵蚀，见图7。

图7 Cl-对不锈钢钝化膜破坏的示意图[24]

设备磨损主要有风机叶轮磨损、泵叶轮磨损等。除尘后的烟气经主抽风机进入脱硫系统，烟气中依然夹带有少量的物料粉尘，粉尘在叶轮快速转动下与叶片冲刷，造成叶片的磨损。磨损程度主要与粉尘颗粒的粒径、硬度、喷射角度、叶片材质、气流速度等因素有关，陈倩萍在用石英砂对不同材质的叶片进行实验后得到：四种材料在喷射角度为30°～45°时产生的磨损量最大，耐磨性能排序为16Mn 钢＞Q235A＞球墨铸铁＞铸铝合金，其在不同角度时耐磨性能曲线如图8所示。实验发现对叶片进行堆焊后可增强其耐磨度，堆焊材料性能排序为Fe-05＞517＞856＞717，Q235A 叶片堆焊后的耐磨性能曲线对比见图9。

图8 四种材质不同角度的耐磨性能曲线[25]

图9 Q235A叶片堆焊后耐磨性能曲线对比[25]

泵叶轮磨损主要有化学磨损和物理磨损。化学磨损主要来自腐蚀，物理磨损来自粉尘及其他杂质的摩擦与冲刷，腐蚀-磨损交互作用的磨损占总腐蚀磨损量的48.73%。在材料受到腐蚀与磨损共同作用时，会相互加剧各自的破坏速度，致使以Cr30A合金为材质的叶轮和泵壳内侧腐蚀、叶轮效率下降甚至失效，况且烧结烟气中的粉尘硬度大于电厂粉煤灰的硬度。目前钢铁企业湿法脱硫系统的浆液泵逐渐采用铸钢内衬高分子材料的工程塑料泵代替合金泵。

1.3.3 石膏脱水设备故障

真空皮带脱水机是处理石膏产品的重要设备。按照烟气脱硫石膏标准（GB/T 37785—2019）的规定，一级石膏含水率≤10%、Cl含量≤100mg/kg。影响脱水效果的因素主要有：石膏结晶粒度、滤饼厚度、滤布透孔率、皮带及滤布跑偏、吸水真空度等。石膏脱水率对成品粒度有较大影响，含水率9%和18.7%时的粒度分布如图10 所示。石膏滤饼厚度控制在20～25mm 为宜，保证滤布冲洗干净以防堵塞，出现皮带或滤布跑偏现象时及时调整。吸水真空度保持在-0.06MPa，可浮动偏差为±0.01MPa。皮带运行速度为3～9m/min，运行中可根据实际情况进行调速。

图10 两种含水率的石膏浆液粒度分布[27]

1.4 电气故障

脱硫系统中的电气故障主要有增压风机跳闸、联锁故障、控制系统（distributed control system,DCS 或programmable logic controller, PLC）断电现象等。设计时配备保安电源和抽出式电控柜（motor control center, MCC），防止开关失压脱扣。控制系统的供电接自不间断电源（uninterrupted power supply,UPS）控制柜，采用“双电源无扰快速自动切换装置”进行电源切换，作为主路和备用电源之间的切换元件。电气及控制元件应设计有足量冗余，作为日常备用。

1.5 仪自控制系统故障

仪表、自动化控制简称仪自控制。脱硫系统内的监测仪表主要有现场和远传两种形式，远传仪表可实现数据远传至计算机画面进行监测。主要的远传测点包括压力、压差、温度、风量、pH、密度和烟气进出口成分检测（continuous emission monitoring system, CEMS）等，将监测数据引入控制系统。监测数据是操作人员执行决策的判断依据，保证数据的准确性以及传输的可靠性是仪表自动化系统的基本要求。比如：操作人员可根据泵出口压力判断泵运行状态，根据烟气温度决定是否开启紧急喷淋降温装置来保护塔体防腐材料和除雾器，根据压差判断除雾器是否需要喷淋冲洗，根据pH 判断是否需要添加吸收剂，根据密度值判断是否外排浆液制取石膏，根据烟气中SO进出口浓度调节系统参数等。

1.6 公辅供应失稳

公辅工程包括系统的给水排水和压缩空气、蒸汽、燃气的供应等。脱硫系统生产、生活用水来自厂区供水管网，生活污水须经处理至一级B标以上，燃煤电厂的脱硫废水须处理后回用并达到零排放。在北方冬季寒冷地区应当预防水管冻结而导致破裂。压缩空气和蒸汽管道均属于压力管道，应当防止因局部疲劳损伤而导致爆炸事故的发生。

1.7 日常运维管理

项目运行成本和设备使用寿命与日常运营维护的质量有直接联系。富有责任心和生命力的运维团队可在日常巡检中及时发现隐患并加以排除，避免生产或安全事故的发生。

在运营过程中，在有毒有害气体区域作业时，须佩戴防毒面具和随身浓度检测仪。在有火灾风险区域进行动火作业，需要严格审批制度并做好防范措施。直接接触腐蚀性介质作业时，须按照安全规定穿戴好防护用品，并且按照操作规程进行作业。

2 影响因素的因果分析

2.1 因果分析法

因果分析法也称为鱼骨图法，由日本学者石川馨提出，是通过头脑风暴搜集影响系统特性的原因，并与特性关联后找出其中的主要原因。该方法层次分明、条理清晰，被广泛应用于各行业系统特性影响因素的分析。

2.2 鱼骨图的绘制

影响脱硫系统运行稳定性的因素可从六类进行分析，包括工艺、设备管道、电气、仪表自动化、公辅、运维管理，绘制出鱼骨图分析各影响因素的结构，每类因素中又可找出不同的影响子项，详见图11。

图11 脱硫系统运行失稳因素鱼骨图

3 影响因素的模糊综合评价

3.1 层次结构模型的建立

系统运行稳定性除了要考虑以上六类因素以外，还需考虑人与事的模糊性以及不确定性，将人的日常管理考虑在内。基于以上分析对系统建立评价指标体系，把各影响因素按类别分为6个一级指标和24 个二级指标，如图12 所示，按照“目标-指标-评价”三个层次建立运行状态评价模型。根据评价模型设立模糊评价等级，共设定为五级（很稳定、比较稳定、基本稳定、欠稳定、不稳定）。根据指标中各评价对象发生的频率，建立评语集，把各因素的权重与模糊关系进行合成运算，得出模糊综合评价分数，根据评价层划分的分值区域（表1）得出系统运行状态的评价等级。

图12 石灰石膏法脱硫系统运行稳定状况模糊评价模型

表1 评价层分值区域定性等级划分

3.2 建立指标因素判断矩阵

采用层次分析法（AHP）展开定性与定量结合分析，可将专家评估思维过程系统化、数学化，通过专家评判、数据检验最终确定权重分配。把个评价因素排成一个阶判断矩阵，通过对因素的两两比较，确定各因素的对比值，见表2。

表2 重要性标度值1～9的含义

影响因素重要度对比的比值根据调查汇总后得出，调查对象包括项目工程师、操作员、巡检员与机修工等。依据调查数据对模型中的两级评价指标建立判断矩阵，如表3～表9所示。

表3 一级指标U判断矩阵

表4 二级指标F1判断矩阵

表5 二级指标F2判断矩阵

表6 二级指标F3判断矩阵

表7 二级指标F4判断矩阵

表8 二级指标F5判断矩阵

表9 二级指标F6判断矩阵

3.3 指标因素权重计算原理

根据指标层～的矩阵，利用方差法计算二级指标f的权重，如式(1)所示。

对w需要进行对上层的归一化处理，如式(2)所示。

经归一化后的权重值需用式(3)计算一致性指标C.I.(consistency index)，并把矩阵平均一致性指标R.I.(random index)（表10）代入式(4)，算出一致性比例C.R.(consistency ratio)。若计算结果C.R.＜0.1，则认为判断矩阵的一致性可以接受；若C.R.≥0.1即为不可接受，需对矩阵进行重新修正。

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表10 部分平均随机一致性指标[34]

3.4 指标因素向量集

根据向量集通式(5)可算得指标层中6组一级指标的权重向量集。

式中，f为该矩阵二级指标的起始因素；f为终止因素。

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];

根据指标层的向量集，采用式(6)求出特征向量的最大值，见式(6)。

根据式(6)计算得到指标层的最大特征值分别为：()=5.132，()=4.202，()=4.021，()=3.039，()=4.051，()=4.058。

根据一致性指标式(3)可得出判断矩阵～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)可得出判断矩阵～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。

由于六组C.R.数值均＜0.1，一致性指标均可接受。

根据式(7)求出目标层的向量集W，归一化后可得目标层的权重向量集。

根据式(6)计算得到目标层的最大特征值为()=6.398。根据一致性指标式(3)可得出判断矩阵的C.I.值：C.I.()=0.080。由一致性比例式(4)可得出判断矩阵的C.R.值：C.R.()=0.063＜0.1，一致性指标可接受。脱硫系统AHP 法评价指标权重汇总见图13。

图13 脱硫系统AHP法评价指标权重汇总

3.5 目标层的模糊综合评价

模糊综合评价是一种基于模糊数学的综合评价法，应用模糊变换原理对受到多因素制约的事物或对象做出总体评价。评价可分为五步：因素集→评语集→权重向量→模糊关系矩阵→模糊综合评价。模糊综合评价实施步骤见图14。

图14 模糊综合评价实施步骤

3.5.1 评价对象因素集

={,,,,,}

式中，F（=1,2,…,6）为影响评价对象的各种因素，即评价指标。

3.5.2 评价对象评语集

V={,,,,}

式中，v（=1,2,3,4,5）表示故障发生频率等级，评语等级对应分值见表11。

表11 故障发生频率等级对应分值

3.5.3 指标因素权重

3.5.4 模糊关系矩阵

模糊关系矩阵是得出综合评价结果的矢量矩阵，矩阵形式为R=(r)×，见式(8)。

式中，r（=1,2,…,;=1,2,…,）表示指标因素f获得v评语的权重，即f对v的隶属关系。

3.5.5 模糊综合评价

将评价指标因素的权重向量W与模糊关系矩阵R合成，得到目标层的模糊综合评价矢量B，见式(9)。

式中，b（=1,2,…,5）表示被评价主体对模糊子集元素v的隶属度。

目标层总体模糊评价关系B，结合评语集V，求得综合评分，见式(10)。

4 结合案例进行模糊综合评价

4.1 脱硫案例项目概况

山东莱钢某265m烧结烟气脱硫系统采用石灰石膏法脱硫技术，烟气脱硫前已经电除尘器进行了降尘，烟气量为96×10m/h。该系统投产于2013年，实际运行过程中出现过各种影响系统稳定性的问题，烧结车间在大修期间对该工段进行了修理，运行班组配备专业运维人员进行巡检和维护。

采用FAHP 法对该项目进行模糊层次综合评价，系统运行稳定状况模糊评价模型以图12 为依据，各因素的权重值如图13所示。

4.2 设计评价对象评语集

邀请10 名与该脱硫项目相关的专家（包括管理、设计、施工、技术、运行、巡检、维修等专业），对24种影响因素的发生频率进行对应选择打分，经对选填人数统计后得出统计结果，如表12所示。

表12 影响因素发生频率专家评判结果统计

4.3 建立模糊关系矩阵

根据专家评分统计结果，根据式(8)对指标因素建立6 个模糊关系矩阵，r的值由式(11)确定。

4.4 模糊评价运算

首先对一级指标的模糊关系矩阵进行单因素模糊判断，把判断矩阵的权重向量与模糊关系矩阵的隶属度进行合成(∧,∨)运算，可以得到归一化后的六个模糊评价结果。

根据6组一级指标的模糊评价结果，组合得出目标层的模糊矩阵，如式(12)。

再对目标层的模糊综合评价进行合成运算得到，如式(13)。

4.5 综合评价

由W=[0.16720.0907,0.2616,0.4141,0.0426,0.0238]的值大小对比可得，影响脱硫系统运行稳定性的6 类一级指标因素重要度排序为：电气故障＞仪自控制故障＞工艺指标异常＞设备故障＞公辅供应失稳＞日常运维管理。

由B=(0.0934,0.1428,0.2234,0.1868,0.3537) 的值可看出，结合一级指标因素的权重和专家评语，对案例项目的故障发生频率进行认定，五种故障发生频率的专家评估比例统计结果如表13所示。

表13 故障发生频率专家评估影响份额

根据模糊综合评价式(10)和对应分值（表11），求出该项目运行稳定性的综合得分为：=[B×V]=77.75。结合表1 划分的分值区域，该项目的运行稳定状态评价定性等级为“基本稳定/三级”，项目运维稳定程度还需进一步优化和提高。

4.6 准确性检验

为了验证该脱硫项目模糊综合评价的准确性，调查人员对项目进行为期1年的跟踪记录。从2019年8 月份开始至2020 年7 月份结束，历经春、夏、秋、冬四季，跟踪调查的内容包括：故障发生所属范围、故障名称及原因、故障处理及结果等，统计数据见表14。

表14 项目跟踪调查数据记录

由项目跟踪记录和后果严重情况可以看出，当电气设施发生故障时，对脱硫系统运行稳定性影响最大，其他依次为仪表自动化设施、工艺运行参数、设备与管道、公辅供应，若对人的管理不到位也会使系统积劳成疾。及时发现故障并及时处理，可使系统维持良好的运行状态。调查结果与采用C-FAHP 法的评价结果一致，符合项目实际运行情况，表明了C-FAHP 法的准确性和适用性。