科技新进展：烧结烟气环保岛智慧运维及边缘智控节能降碳技术的开发应用

科技新进展：烧结烟气环保岛智慧运维及边缘智控节能降碳技术的开发应用

钢铁企业在实现环保超低排放和碳减排的双重目标过程中，面临着环保设施运维效率低、能耗高等挑战。针对这些问题，一项基于大数据、物联网和人工智能等新技术的智慧运维解决方案应运而生。该方案通过构建e运维平台和边缘智控系统，实现了环保设施的智能化管理，不仅降低了运行成本，还提升了环保效果。

研究背景与问题

钢铁企业作为重点控排对象，面临“环保超低+碳减排”的双重压力。然而，环保岛的传统运维长期存在技术手段落后、管理水平粗放、人员效率不高、成本持续上升等现象。在环保设施运行过程中要消耗大量的脱硫剂和脱硝剂；系统中的风机、泵等大型用电设施会消耗大量的电能；烧结烟气升温脱硝时会消耗大量的高炉煤气。现有的环保设施在运行过程中，管理人员缺乏对能耗、物料等的过程管控，不仅造成物耗能耗增加，还会造成氨逃逸、脱硫副产物等二次污染，同时也增加了碳排放。另外，在生产管理中，企业的环保超低、设备、能源等多个管控平台往往各自独立，不能互联互通，信息不能同步。综上，传统的运维模式已经不能满足环保岛低碳运维的需求，各个企业亟待通过技术创新、管理创新、模式创新来减少能耗、降低设备故障率，提升环保岛运维的稳定性。如何在治污的同时，实现环保系统和设备稳定运行、降低能耗、节省物料和减少碳排放，已成为环保岛运维的重要问题。具体主要是以下几个方面:

1. 环保系统物料消耗高。对环保系统物耗缺乏管控，环保设施在实际运行过程中，为了末端排放达到超低要求，投入过多的脱硫剂和脱硝剂。
2. 环保系统能耗高。环保系统中的风机、泵等大型用电设施不能根据实际运行工况自动调整运行频率，造成电能的浪费；烧结烟气升温脱硝中，为了确保脱硝反应温度，往往消耗过量的煤气。
3. 环保设备管理水平低，设备运行缺乏过程管控，无故障预警，依靠人工经验判断，易突然故障造成系统非停。
4. 运维操作人员水平较低，系统不能长期高效稳定运行，超标排放时而发生。
5. 数据自动采集率不高，数据价值未得到充分利用。虽然有集中化管控和无组织排放综合管控平台，但只实现了数据的采集和存储功能，数据的深层次价值并未挖掘，并没有产生对企业决策支持的作用。

解决方案与技术路线

本项目基于我国钢铁行业推行超低排放要求，结合实际情况，针对烧结烟气环保岛运营成本高、环保管理水平不足的问题，开展智慧运维及边缘智控节能降碳技术研究。采用“线上线下互联运维、远程现场协同运维和算法数据创新运维”的总体思路，解决环保岛数字化程度低、各类数据难以联动管控的难题，并突破海量数据采集、清洗、存储和分析、关键参数边缘智控、算法模型构建等技术瓶颈，实现全流程数字化联动管控系统，降低运行能耗并协同降碳的目的。

核心技术方案

1. 面向全要素数据联动管控的e运维平台

• 技术架构分为边缘层、IaaS层、PaaS层、DaaS层和SaaS应用层。其中边缘层对接工业设备，产生工业基础元素；IaaS层和PaaS层提供设施支撑；DaaS层负责数据管理；SaaS层包含各数字化运维服务模块。
• 建立数据中台，实现统一实体ID、统一数据管理、统一数据服务的3ONE能力；建立算法模型库，开发贴近业务需求的算法，支持设备稳定运行、系统达标排放和环保岛节能降耗。

2. 边缘智能协同控制技术

• 研究污染物脱除过程机理模型及运行数据逻辑关系，提升数字化建模准确度。
• 构建超低排放边缘智能控制系统，实现对关键装置的智能调控，提高运行效率、减污降碳、降低运行成本。

3. 算法模型构建及关键参数预测

• 采用LSTM神经网络与自适应建模（MRAS）的预测算法，提升全工况范围内输入输出参数关系的拟合能力。
• 建立多变工况下二氧化硫和氮氧化物的高效脱除模型，实现运行过程的节能降耗。

创新性成果

1. e运维平台

• 开发基于大数据、5G、云计算等技术的e运维平台，实现环保排放、设备、运行监控等数字化运维功能。
• 对异常情况进行远程运营和诊断，采用多种预警方法，准确监控工艺和设备状态。
• 首次探索环保岛智慧运维服务模式，实现“人”“机”“网”“场”互联互通。

2. 边缘智能协同控制系统

• 研发边缘智控一体机，集成多协议通讯、数据处理、边缘计算和反馈控制模块。
• 通过算法模型对环保排放、能耗、物料消耗等多目标进行优化分析，实现环保岛算法数据创新运维。

3. 算法模型

• 提出基于LSTM神经网络与多工况自适应建模的预测算法，提升全工况范围内输入输出参数关系的拟合能力。
• 构建脱硫精准加浆、脱硝精准喷氨、氧化系统优化节电等多场景节电、节料和提效的边缘智控模型，实现吨矿综合运行成本降低15%以上。

4. 标准化体系

• 研发环保岛设备及运维统一数据标准，建立规范有序的智慧运维标准体系。
• 实现同类治理工艺、同类设备、同类产线统一标准、统一管理，构建全新环保岛智慧运维体系。

应用效果

以吕梁建龙实业有限公司为例，该公司有一座200㎡烧结机，配置有湿法脱硫+湿电+SCR脱硝系统。应用边缘智控节能降耗综合解决方案后，主要取得以下效果：

• 脱硫氧化风机优化节电模型可节约氧化风机电耗的40%
• 脱硝精准喷氨智控模型与人工控制相比可节约氨水12%
• 脱硝升温补燃热风炉燃烧优化模型可节约高炉煤气5%以上
• 增压风机联控节电模型可节约电耗5%以上

在实现多污染物环保排放指标稳定运行的同时，实现脱硫系统石灰石制浆、供浆、除雾器冲洗、风机调节等设备的深度自动化，减少热工操作工作量50%。

本项目采用边缘智控节能降耗综合解决方案后，吨矿环保综合成本下降2.05元/吨矿，可实现烧结烟气环保岛综合运行成本下降15%。按照单台烧结220万吨矿计算，年运行费用可降低451万元，运行至今各类污染物稳定达标。

采用设备故障诊断技术后，通过智能算法自动提取信号中蕴含的设备早期故障特征，预测设备发生故障的时间和损坏的部位，将设备维保方式由周期性保养、被动式维修转变为预知性保养、主动式维修，工作人员可以根据设备的异常状态等级及原因安排在最方便的时候进行维修，提高环保岛系统整体运行稳定性，提升生产效率，提前设备故障预警，降低非停概率。确保系统能够长期稳定运行，避免了因环保治理设施管理不善导致的主机停产。智慧运维系统运行后，环保系统稳定运行，无非停及安全事件发生。