蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制方法

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，榆林 719000）

0 引言

隨著燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在分布式能源產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用的不斷推廣，燃料組分已向煤礦瓦斯、沼氣、煉化氣、蘭炭尾氣等多元化氣質(zhì)燃料類型方向轉(zhuǎn)化[1]。蘭炭尾氣指的是在蘭炭工藝過程中，煤在中低溫條件下熱解的副產(chǎn)物，多數(shù)用于燃料發(fā)電、燒石灰和鎂合金的生產(chǎn)等工業(yè)中。將蘭炭尾氣在專用的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)中燃燒發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，提高能源的安全和靈活利用，實(shí)現(xiàn)蘭炭尾氣的適度排放和分散污染[2]。

蘭炭尾氣中含有一氧化碳、氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、氨氣、二氧化碳等氣質(zhì)成分，其中氨氣NH3溶于水后形成氨水（NH3H2O），氨水是一種弱堿，會(huì)對(duì)銅和多種合金造成腐蝕[3]。因此，蘭炭尾氣會(huì)對(duì)燃?xì)廨斔凸芎蛢?nèi)燃機(jī)中的部分部件造成嚴(yán)重腐蝕，減少設(shè)備的壽命。為達(dá)到發(fā)電機(jī)組的進(jìn)氣要求，蘭炭尾氣需要進(jìn)行脫氨處理[4]。因此，對(duì)蘭炭尾氣進(jìn)行高效利用具有重要意義。由蘭炭尾氣制代用天然氣、生產(chǎn)合成氨、提氫、制甲烷都是蘭炭尾氣資源化利用的重要技術(shù)途徑。

脫氨工藝方法有許多種，水洗脫氨工藝是一種流程短、操作簡(jiǎn)單、能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單、腐蝕程度低的工藝，可以說是最為經(jīng)濟(jì)適宜的脫除蘭炭尾氣中氨氣成分的方法[5]。本文對(duì)蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制方法進(jìn)行研究，將解析空氣量、富液和吸收劑溫度、循環(huán)量等參數(shù)進(jìn)行分析控制，對(duì)蘭炭尾氣水洗脫氨工藝流程自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制方法的可行性。

1 蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制方法

為了更好地實(shí)現(xiàn)蘭炭尾氣水洗脫氨自動(dòng)化控制，本文研究的水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制方法共分為兩步，首先是基礎(chǔ)步驟，對(duì)蘭炭尾氣水洗脫氨工藝進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)控制[6]。

1.1 蘭炭尾氣脫氨工藝分析

我國(guó)呈現(xiàn)煤多少油缺氣的資源結(jié)構(gòu)，作為煤炭為主的能源大國(guó)，將煤炭資源多途徑利用是十分必要的，如煤的液化、氣化、干餾等。蘭炭產(chǎn)業(yè)是一種熱利用效率較高的產(chǎn)業(yè)，能夠提高煤炭資源的綜合利用效率[7]。

蘭炭可以由煤中低溫干餾工藝來(lái)生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)固體能源高效轉(zhuǎn)化為固、液、氣三種形式的能源，是一種高效靈活的資源利用渠道[8]。

圖1 蘭炭尾氣主要成分

蘭炭熱解條件不同，所得蘭炭尾氣的氣體種類相差不大，但各組分含量有一定差別。蘭炭尾氣是一種多氣體的混合物，其主要成分如圖1所示，氫氣是蘭炭尾氣的重要組分之一，它的燃燒產(chǎn)物只有水，是一種零污染的清潔燃料。甲烷在尾氣中的燃?xì)庵泻恳草^大，能夠作為原料制備合成氣體。蘭炭尾氣中的氮?dú)夂扛?，一氧化碳、氫氣等燃性氣體含量較低，不宜于民用，若直接應(yīng)用或排放至大氣中，會(huì)在造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)的同時(shí)，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重壓力[9]。水洗脫氨工藝是將水作為吸附劑，將蘭炭尾氣中的氨氣吸收反應(yīng)成氨水，再將蒸餾出的氨水分解成氫氣和氮?dú)?，最終返回到初冷器前的管道中。水洗脫氨工藝增加了燃?xì)獾漠a(chǎn)量，同時(shí)還避免了對(duì)大氣的污染，但是該工藝經(jīng)濟(jì)效益較差，沒有氨類產(chǎn)品[10]。硫銨工藝是將硫酸作為吸附劑，利用噴淋式飽和器對(duì)氨氣進(jìn)行吸收、結(jié)晶，再經(jīng)過分離、干燥、包裝等過程，得到質(zhì)量好的硫酸銨等硫銨產(chǎn)品。硫銨產(chǎn)品在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域用途較廣，可以作為肥料、醫(yī)藥的原料。在整個(gè)過程中，利用硫酸吸收氨氣，不存在可逆反應(yīng)，產(chǎn)物中氨含量最低。但是生產(chǎn)過程中硫酸消耗較大，工藝較為復(fù)雜、運(yùn)行成本較高，裝置占地面積大。由對(duì)比可見，水洗脫氨工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、操作便利、能耗少，且不會(huì)引入新組分，是一種較為經(jīng)濟(jì)適宜的方式[11]。

1.2 蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制

圖2 蘭炭尾氣水洗脫氨控制過程

如圖2所示，將原料蘭炭尾氣進(jìn)入吸收塔下部，經(jīng)過吸附劑將氣體中的氨氣富集到液相中，將吸收后的凈化氣從塔頂排除進(jìn)行進(jìn)一步處理[12]。將氨水送入蒸氨罐中，將氨水以蒸汽方式從罐頂蒸出，經(jīng)富集泵富集，進(jìn)入氨分解裝置中，按反應(yīng)方程式(1)，在高溫和催化劑作用下分解為氫氣和氮?dú)?，通過熱交換器進(jìn)入再生塔中，塔底的鼓風(fēng)機(jī)將空氣吹入，在再生塔中與富液充分接觸、再生。塔底的貧液通過貧液泵增壓，冷卻后返回吸收塔，完成一個(gè)循環(huán)。

在整個(gè)工藝流程中，吸附劑溫度、富液溫度、循環(huán)量、解析空氣量都是其影響因素。隨著吸收劑溫度的升高，凈化效果會(huì)有所下降，這是由于吸收塔中的溫度過高會(huì)抑制氨氣的吸收[13]。而隨著吸附劑水的循環(huán)量的增加，凈化氣中氨氣的含量會(huì)下降，這是由于循環(huán)量的增加降低了氣膜阻力，促進(jìn)了氨氣的擴(kuò)散。富液溫度的升高有利于吹脫效率的提高，同時(shí)會(huì)加大能量、吸附劑的消耗。吸收塔和再生塔在選用時(shí)一般遵循分離效率高、生產(chǎn)能力大的原則，調(diào)試水洗脫氨工藝的相關(guān)參數(shù)，以保證水洗脫氨系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[14]。

圖3 蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制流程

蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制是用自動(dòng)控制裝置對(duì)水洗脫氨工藝過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化控制，以防止因外界環(huán)境的干擾而造成偏離，從而影響系統(tǒng)安全[15]。如圖3所示，控制室操作中心會(huì)對(duì)蘭炭尾氣水洗脫氨過程中的主要工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，其中包括對(duì)吸收劑、富液溫度，凈化氣中氨氣含量，解析空氣量等參數(shù)?？刂剖也僮髦行倪€具有對(duì)設(shè)備運(yùn)行實(shí)際情況的監(jiān)控功能。操作人員可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)備故障情況進(jìn)行監(jiān)控，并能對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行有效處理，每日可生成日?？刂茍?bào)告。

在水脫氨工藝中的必需設(shè)備，如吸收塔、蒸氨罐、反應(yīng)塔、再生塔以及連接管路，都會(huì)以動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的形式進(jìn)行顯示，當(dāng)某一參數(shù)超過警戒值或設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并在顯示屏中顯示故障原因，使維修人員及時(shí)準(zhǔn)確了解故障原因，對(duì)問題設(shè)備進(jìn)行維修。該系統(tǒng)會(huì)對(duì)蘭炭尾氣水洗脫氨工藝流程進(jìn)行自動(dòng)化控制，向控制室操作中心傳遞各設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，并且，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通訊功能，各組分之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。每天自動(dòng)生成的相關(guān)報(bào)表，會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和打印，對(duì)整個(gè)水洗脫氨工藝進(jìn)行系統(tǒng)控制。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了檢測(cè)本文蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制方法的實(shí)際工作效果，將本文自動(dòng)化控制方法與傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取傳統(tǒng)蘭炭尾氣水洗脫氨工藝控制方法和本文蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制方法在相同的外界環(huán)境下，分別對(duì)同體積同批蘭炭尾氣進(jìn)行脫氨處理，記錄兩個(gè)方法的測(cè)量結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1）控制效果持續(xù)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 控制效果持續(xù)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析圖4可知，當(dāng)控制花費(fèi)時(shí)間在10min之內(nèi)，使用傳統(tǒng)方法控制的自動(dòng)化脫氨工藝工作效果持續(xù)時(shí)間超過本文控制方法的工作效果持續(xù)時(shí)間，但是隨著控制花費(fèi)時(shí)間的增加，本文控制方法的脫氨工藝持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)方法。當(dāng)控制花費(fèi)時(shí)間達(dá)到80min時(shí)，傳統(tǒng)控制方法維持的工作時(shí)間僅有7小時(shí)，本文研究方法維持的工作時(shí)間高達(dá)14小時(shí)，控制能力是傳統(tǒng)方法的2倍。

2）控制效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 控制效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察圖5可知，隨著控制時(shí)間的增加，傳統(tǒng)控制方法和本文控制方法對(duì)于蘭炭尾氣水洗脫氨工藝的控制能力都在隨著控制時(shí)間的增加而增加，增加規(guī)律為非線性，但是本文研究的控制方法控制能力始終好于傳統(tǒng)方法。當(dāng)控制時(shí)間為10min時(shí)，傳統(tǒng)控制方法的控制效果等級(jí)為2.8級(jí)，本文控制方法的控制效果等級(jí)為4.0級(jí)；當(dāng)控制時(shí)間為20min時(shí)，傳統(tǒng)控制方法的控制效果等級(jí)為3.1級(jí)，本文控制方法的控制效果等級(jí)為4.2級(jí)；當(dāng)控制時(shí)間為30min時(shí)，傳統(tǒng)控制方法的控制效果等級(jí)為3.2級(jí)，本文控制方法的控制效果等級(jí)為4.3級(jí)；當(dāng)控制時(shí)間為40min時(shí)，傳統(tǒng)控制方法的控制效果等級(jí)為3.0級(jí)，本文控制方法的控制效果等級(jí)為4.4級(jí)；當(dāng)控制時(shí)間為50min時(shí)，傳統(tǒng)控制方法的控制效果等級(jí)為3.0級(jí)，本文控制方法的控制效果等級(jí)為4.5級(jí)。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：蘭炭尾氣水洗脫氨工藝傳統(tǒng)控制方法和本文的自動(dòng)化控制方法都能對(duì)整個(gè)水洗脫氨工藝進(jìn)行控制管理，在一定程度上都能保證整個(gè)過程的安全穩(wěn)定運(yùn)行，但與傳統(tǒng)方法相比，本文建立的蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動(dòng)化控制方法工作效率更高，監(jiān)控實(shí)時(shí)性效果更好，所需人力資源更少，系統(tǒng)安全系數(shù)更高，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

蘭炭是一種具有高碳含量的固體物質(zhì)，因其燃燒呈藍(lán)色火焰而得名，在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物焦油和蘭炭尾氣。若能有效利用，蘭炭尾氣會(huì)是一種優(yōu)質(zhì)的能源化工資源。為加強(qiáng)蘭炭尾氣的有效利用，減少利用過程中對(duì)管道的腐蝕，蘭炭尾氣的脫氨處理顯得尤為重要。

本文利用水洗脫氨工藝對(duì)蘭炭尾氣進(jìn)行處理，并對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行自動(dòng)化控制，有效地完善了蘭炭尾氣的脫氨工藝，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的實(shí)時(shí)查詢和完整統(tǒng)計(jì)，但是這種自動(dòng)化控制方法仍缺少一些生產(chǎn)實(shí)踐，在未來(lái)應(yīng)用中仍存在著一些安全隱患。