大唐環境環保分公司副總經理（主持工作）、黨委副書記 肖力

一、半干法脫硫技術概述與工程挑戰

半干法脫硫技術作為一種介于濕法和干法之間的煙氣凈化工藝，憑借其系統簡單、投資運行成本低、無廢水排放等特點，在中小型燃煤機組和鋼鐵燒結等領域的超低排放改造中具有重要應用價值。該技術通過鈣基吸收劑與煙氣中的SO₂發生氣-液-固三相反應，實現硫化物的高效脫除。主流工藝包括旋轉噴霧半干法和循環流化床脫硫等技術，脫硫效率可達90%以上，在理想條件下可達97%。

然而，半干法脫硫系統在工程應用中面臨核心挑戰。首要問題是鈣硫比偏離，因依賴經驗設計，實際運行鈣硫比偏離理想值達18%-32%，導致年物料浪費超十萬噸。此外，系統抗干擾能力不足，特別是在鋼鐵燒結等工況中，煙氣參數波動大（負荷變化可達40%以上），傳統PID控制難以適應這種非線性、大滯后過程，造成排放濃度波動大，難以穩定達到SO₂≤35mg/Nm³的超低排放標準。

二、多尺度建模與智能控制創新方案

（一）微觀機理與宏觀系統集成建模

針對半干法脫硫過程的復雜性，本研究采用多尺度建模方法。在微觀層面，通過分子動力學模擬解析SO₂與鈣基吸收劑的相互作用機制，揭示反應路徑與能壘。模擬表明，水分子存在可顯著降低反應能量障礙，提高反應速率。基于此，對傳統雙膜傳質理論進行修正，引入表面反應修正因子和顆粒堵塞系數，使模型預測誤差降至10%以下。

在宏觀層面，構建集成物質流、能量流與多相流的多模塊衡算系統：

1.熱力學平衡模塊：計算反應塔內溫度分布和蒸發平衡，建立煙氣參數與溫度場的映射關系

2.反應動力學模塊：結合本征反應速率和宏觀傳質速率，描述SO₂去除動力學過程

3.多相流場模塊：采用CFD模擬氣流分布和顆粒運動，指導流場優化設計

這種多尺度集成方法能夠量化參數間的耦合關系（如鈣硫比變化對塔內溫度場的影響），為智能控制提供精準的數字孿生平臺。

（二）液態神經網絡算法與物理約束融合

液態神經網絡是一種具有高度適應性和解釋性的神經網絡架構，其核心創新在于網絡權重隨輸入信號動態調整，如同真實液體隨容器形態變化。本研究將LNN算法與脫硫系統物理約束相結合，開發新型智能控制器：

1.物理信息嵌入：將質量守恒、能量守恒等物理定律以約束形式嵌入損失函數，確保輸出符合物理規律

2.多時間尺度建模：同時捕捉快速變化的煙氣參數、中等速度的漿液蒸發過程以及緩慢的系統特性漂移

3.液態門控機制：防止動態網絡狀態震蕩發散，保障系統穩定性

LNN控制器通過融合實時數據與物理約束，動態優化鈣硫比等關鍵參數。當煙氣SO₂濃度突變時，控制器綜合塔內溫度、濕度等多變量信息，計算出既保效率又避免消耗過量的最佳鈣硫比。

三、工程應用案例與績效分析

（一）案例背景與系統配置

以某300MW燃煤電站脫硫系統改造為例。原系統采用常規DCS控制，鈣硫比失調（1.6-1.8，偏離設計值20%以上），脫硫效率波動大（85%-92%），無法穩定達到超低排放要求。

改造工程保留核心設備，對控制系統進行智能化升級：增加煙氣成分在線監測儀、漿液濃度傳感器等硬件，部署基于多尺度建模和LNN算法的智能控制系統。控制策略采用級聯優化結構，外回路以出口SO₂濃度為主被控變量（目標值30mg/Nm³），內回路通過LNN動態優化鈣硫比設定值，并引入前饋機制應對負荷和煤質變化。

（二）性能評估與效益分析

系統投入運行后，性能顯著提升：

1.鈣硫比優化：從1.6-1.8穩定至1.3-1.4，吸收劑年消耗量減少18%，節約石灰粉約12，000噸/年

2.排放控制：出口SO₂濃度穩定在20-35mg/Nm³，平均28mg/Nm³，脫硫效率由90.5%±3.2%提升至94.8%±1.5%

3.能耗降低：系統能耗降低5.5%，非計劃停機減少70%

在變工況測試中，系統表現出卓越魯棒性。鍋爐負荷從75%突增至100%時，傳統控制需15-20分鐘重新穩定，而智能系統僅需8分鐘，且排放濃度無超標。燃煤硫含量變化適應性測試顯示，系統能根據煤質數據提前調整參數，避免排放尖峰或吸收劑過量問題。

四、推廣前景與技術發展建議

（一）技術推廣前景

隨著超低排放要求的深入推進，智能優化半干法脫硫技術市場前景廣闊：

1.中小燃煤機組：空間和資金限制使其成為濕法脫硫的理想替代方案

2.鋼鐵燒結與球團煙氣治理：應對煙氣負荷40%-100%波動的能力得到驗證（馬鋼、沙鋼案例）

3.工業鍋爐與廢棄物焚燒：靈活適應性契合規模較小但標準嚴格的治理需求

預計未來年脫除污染物總量超150萬噸，對環保產業發展和空氣質量改善具有重要意義。

（二）發展建議

基于研究與實踐，提出以下建議：

1.深化數據融合：擴大數據采集范圍，建立全生命周期數字孿生系統，實現預測性維護

2.推進副產物資源化：開發脫硫灰高值化利用技術，如作為高爐水渣磨細系統添加劑（1-5%比例）

3.制定技術標準：規范智能控制系統性能測試評估標準，確保應用可靠性

4.探索協同控制：研究脫硫、脫硝、除塵協同技術，提升綜合環境效益

五、結論

本研究通過多尺度建模與LNN算法融合，解決了半干法脫硫系統工程應用中的核心問題。微觀機理與宏觀系統的有機結合使模型預測誤差降至10%以下；LNN與物理約束的融合使鈣硫比偏離從18%-32%降低至8%以下，脫硫效率穩定性提高至±1.5%。工程應用表明，系統在實現SO₂≤35mg/Nm³穩定達標的同時，帶來吸收劑節約18%、能耗降低5.5%的綜合效益。隨著環保要求日益嚴格，該技術將為中小機組超低排放改造提供關鍵技術支撐，實現經濟與環保效益的雙贏。