冶炼烟气制酸技术及控制研究进展

冶炼烟气制酸技术及控制研究进展
摘要：冶炼烟气制酸是硫酸工业重要组成部分，在化工原料生产中具有重要
功能，其环保意义十分重要，所以发展金属冶炼基础工业和其它日益稀缺硫资源
情况下，研究冶炼烟气制酸技术及其优化控制意义重大。

关键词：冶炼；烟气制酸；优化控制
金属是发展经济与国防工业重要战略物资，也是各种装备不可或缺的原材料，所以金属在工业生产和日常生活中起着重要作用。

其冶炼是一个国家整体实力及
工业发展水平重要指标，但在金属冶炼过程会产生大量含有SO2的烟气，若排放
到大气中，会造成空气污染、土壤酸化等恶劣环境问题，严重违背“绿水青山就
是金山银山”理念，因而迫切须要高效回收利用烟气中的SO2，避免其排放造成
环境污染。

一、冶炼烟气制酸工业技术
1.烟气脱硫
（1）干法脱硫。

是指烟气在无水和干燥条件下脱硫，吸收与处理脱硫产物。

①碳酸钙(CaCO3)被喷入炉膛，在高温下煅烧，分解为氧化钙(CaO)，和烟气中
SO2反应生成亚硫酸钙(CaSO3)，再氧化成硫酸钙(CaSO4)。

②电子束照射烟气，
使SO2及NOx氧化成SO3与NO2，形成硫酸与硝酸，再被氨吸收，形成硫酸铵及
硝酸盐。

所以干法脱硫得出副产品为CaSO4、硫酸铵、硝酸铵，经济效益不佳。

干法脱硫工艺简单，无废水，无污酸排放，设备腐蚀小。

净化后烟气温度高，有利于废气的排放和扩散。

但其脱硫效率低，反应缓慢，设备规模与投资大，操
作技术要求高。

（2）半干法脱硫。

它将CaO与水混合，形成氢氧化钙Ca(OH)2悬浮液，将
其注入反应塔，与SO2反应，并且水分受热蒸发，形成CaSO3、CaSO4。

该方法中，
其副产物为CaSO4，无太大经济价值。

该方法相对成熟，工艺简单，反应时高温
蒸发烟气水分，无废水。

但以熟石灰乳液为吸收剂，化学反应时易结垢和堵塞，
需特殊设备来获取吸收剂，致使投资成本高。

（3）湿法脱硫。

常用碱液吸收烟气中的SO2，工业生产时，石灰石浆液常用
作吸收溶液。

破碎后，石灰石被加工成浆液，在吸收塔中与SO2反应，产生
CaSO3、Ca(HSO3)2混合液，再经氧化结晶形成石膏。

其副产物为石膏，能综合利用，有一定经济效益。

此技术相对成熟，脱硫迅速，效率高，吸收剂使用率高。

但处理时此技术会产生二次污染，导致后续废水处理问题，投资与能耗高，系统
管理操作复杂。

（4）制酸脱硫。

上述脱硫方法，只有湿法脱硫才能产生石膏，并带来经济
效益，使用吸收剂来固定烟气中硫，产生副产品。

与之相比，制酸脱硫在不含碱
性吸收剂下能回收SO2，最终产生副产品硫酸。

这一过程通过干燥、洗涤熔炼炉
排放烟气，SO2经催化氧化为SO3，而后在吸收塔与浓硫酸中的水发生反应，生
成硫酸。

制酸脱硫较成熟，脱硫率高，能处理高浓度SO2。

但烟气洗涤时产生了大量
废水与残渣，需二次处理。

其副产物是硫酸，可在一些经济价值高的工业中应用，如冶金、石油等。

2.制酸工艺流程发展现状。

制酸工艺重要环节是转化过程，SO2转化为SO3
速度越快，则生产的硫酸质量越好，硫回收越高，污染越小。

但因硫不能完全回收，脱硫效果不佳，存在严重污染环境的风险，须加装尾气装置处理废气。

不同
转化过程对转化率有较大影响，所以根据各转化工艺，烟气制酸分为“一转一吸”和“两转两吸”两种方法。

①“一转一吸”。

即一次转化一次吸收，SO2烟气经
一次转化器催化剂床层，催化氧化产生SO3进入吸收塔吸收生成硫酸。

在吸收塔内，一旦反应完成，未经处理SO2将不再进入转换器。

因SO2向SO3转化是可逆的，这取决于催化剂使用及平衡转化，理论上，“一转一吸”转化率能达97.5～98%。

但在此转化率下，硫回收率低，尾气SO2含量远高于排放标准，所以须加
装尾气装置。

尾气装置采用碱性吸收剂吸收SO2，形成亚硫酸盐或硫酸盐。

此技
术只适用于一些烟气SO2浓度低的小企业，且须要与尾气处理装置相结合。

“一
转一吸”技术回收硫低，尾气处理只会导致硫酸盐的废弃，所以有一定局限性。

②“两转两吸”。

即二次转化二次吸收，烟气中的SO2通过催化剂床层大部分被
氧化为SO3以后，在一个中间吸收塔内先将SO3吸收制酸，然后使气体再一次通
过催化剂床层，让尚未氧化的SO2，进一步氧化为SO3，在吸收塔将进一步吸收制酸。

转化率能达99.7%以上，硫利用率较高，尾气不需处理即可达环保要求，因“一转一吸”转化率低，不适用大中型企业，因而“两转两吸”应运而生。

二、冶炼烟气制酸系统控制研究现状
冶炼烟气制酸能有效降低烟气硫含量，产生高质量的硫酸，降低硫酸生产成
本及能耗，改善空气污染及土壤酸性，以便实现废物利用及尾气达标。

烟气制酸
是复杂多变、强耦合非线性过程，其建模、优化、控制是冶金学研究的热点问题。

1.建模。

它是后续优化、控制基础，对于冶炼烟气制酸系统，大多基于化学
反应动力学分析由系统内部机理建模，建模时各反应过程使用平均值，即平均场
理论思想，与实际工业现场差距大，且化学反应多变，使用不同化学试剂的用量
会造成不同反应效应，导致机理模型研究有一定限制。

大数据时代，工业生产数据是监测过程、管理优化、诊断故障的重要基础。

而且人工智能及深度学习技术发展导致了新一轮产业变革。

所以对于烟气制酸系统，可用数据驱动及人工智能相结合来建模，依据现场测量得出的数据，应用径
向基函数(RBF)、广义回归神经网络(GRNN)等逼近实际系统动态特性。

2.预测和优化。

为保证冶炼烟气制酸系统运行稳定，需优化多个变量设定值，并按预测和设定值间差异，实时优化烟气制酸系统，近年来，研究人员在不断探
索该研究领域。

此外，优化设定值分为两个阶段：构建优化目标模型、求解。

在构建目标函
数模型时，考虑到烟气制酸非线性和延迟特性，而机理法建模有一定局限性，只
有使用数据驱动才能建立精确的SO2转化率、硫酸产量、能耗预测模型。

并且在
优化设定值时，SO2转化率、硫酸产量、能耗等函数和转化器入口温度等决策变
量相关，还与时间、环境等动态因素有关。

传统静态多目标算法不再适合这种情况，所以可应用动态多目标进化算法，它能有效求解时间变化非线性和不可导多
目标优化，按种群进化规则优化冲突目标，为决策者提供最优解决策。

3.控制策略。

智能优化制酸系统时，控制器设计至关重要。

制酸系统中有许
多变量，如一级动力波入口压力、风机出口压力、转化器入口等需调节控制，并
且控制器设计应满足系统性能，确保系统稳定。

此外，在制酸系统中，除控制辅
助变量外，如一级动力波入口压力、风机出口压力，同时有核心控制变量，即转
化器入口温度。

一些学者设计了基于BP神经网络试验罐温度预测模型，并将其
与改进的预测系统结合起来，减少网络预测误差，有效控制试验罐温度。

冶炼烟气制酸系统中闪速炉、转炉间歇性吹炼造成制酸装置入口烟气流量突变、SO2浓度与流量显著波动，对SO2转化吸收效率、环保、成本等产生重大影响。

所以单一数据驱动模型不能覆盖复杂多变条件，需多工况划分及建立多模型，设计有效切换机制，实现多模型自适应控制。

冶炼烟气制酸是整体过程，经设计全流程优化控制方案，能确保SO2转化率，降低成本，提高硫酸产量与质量，使系统有效运行。

网络通信技术的发展及自动
化设备的应用为全面控制烟气制酸奠定了重要基础。

根据快速发展通信网络，信
息物理系统(CPS)提供了优化烟气制酸的流程优化架构。

CPS由感知层、网络层、
决策层构成，在CPS中，感知层用数据采集系统获取参数及设备信息，如烟气流量、风机出口压力、转化器入口温度等。

网络层用基于数据方法建模分析数据达
到可视化，决策层是基于监测状态及生产需求优化控制，再经网络将控制信号传
输到执行机构，以便在CPS中实现对制酸系统的智能优化控制。

参考文献：
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