蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動化控制方法

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

0 引言

隨著燃?xì)鈨?nèi)燃機在分布式能源產(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)電機中燃燒發(fā)電，實現(xiàn)能源的梯級利用，提高能源的安全和靈活利用，實現(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，會對銅和多種合金造成腐蝕[3]。因此，蘭炭尾氣會對燃?xì)廨斔凸芎蛢?nèi)燃機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)電機組的進(jìn)氣要求，蘭炭尾氣需要進(jìn)行脫氨處理[4]。因此，對蘭炭尾氣進(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、操作簡單、能耗低、設(shè)備簡單、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]。本文對蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動化控制方法進(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，對蘭炭尾氣水洗脫氨工藝流程自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，通過實驗驗證了蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動化控制方法的可行性。

1 蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動化控制方法

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

1.1 蘭炭尾氣脫氨工藝分析

我國呈現(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，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。蘭炭尾氣中的氮氣含量高，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，會在造成嚴(yán)重資源浪費的同時，對環(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氣，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，同時還避免了對大氣的污染，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、運行成本較高，裝置占地面積大。由對比可見，水洗脫氨工藝設(shè)備簡單、操作便利、能耗少，且不會引入新組分，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氣，通過熱交換器進(jìn)入再生塔中，塔底的鼓風(fēng)機將空氣吹入，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，完成一個循環(huán)。

在整個工藝流程中，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，凈化效果會有所下降，這是由于吸收塔中的溫度過高會抑制氨氣的吸收[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，同時會加大能量、吸附劑的消耗。吸收塔和再生塔在選用時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)定運行[14]。

圖3 蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動化控制流程

蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動化控制是用自動控制裝置對水洗脫氨工藝過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行自動化控制，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，控制室操作中心會對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，其中包括對吸收劑、富液溫度，凈化氣中氨氣含量，解析空氣量等參數(shù)。控制室操作中心還具有對設(shè)備運行實際情況的監(jiān)控功能。操作人員可以通過計算機對設(shè)備故障情況進(jìn)行監(jiān)控，并能對突發(fā)情況進(jìn)行有效處理，每日可生成日常控制報告。

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，都會以動態(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，設(shè)備會自動報警，并在顯示屏中顯示故障原因，使維修人員及時準(zhǔn)確了解故障原因，對問題設(shè)備進(jìn)行維修。該系統(tǒng)會對蘭炭尾氣水洗脫氨工藝流程進(jìn)行自動化控制，向控制室操作中心傳遞各設(shè)備運行數(shù)據(jù)信息，并且，系統(tǒng)具有很強的通訊功能，各組分之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。每天自動生成的相關(guān)報表，會對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)進(jìn)行存儲和打印，對整個水洗脫氨工藝進(jìn)行系統(tǒng)控制。

2 驗證實驗

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

為了檢測本文蘭炭尾氣水洗脫氨工藝自動化控制方法的實際工作效果，將本文自動化控制方法與傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行對比，設(shè)計了對比實驗。

2.2 實驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

2.3 實驗過程

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實驗，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化控制方法在相同的外界環(huán)境下，分別對同體積同批蘭炭尾氣進(jìn)行脫氨處理，記錄兩個方法的測量結(jié)果，分析實驗結(jié)果。

2.4 實驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)果如下：

1）控制效果持續(xù)時間實驗結(jié)果

圖4 控制效果持續(xù)時間實驗結(jié)果

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

2）控制效果實驗結(jié)果

圖5 控制效果實驗結(jié)果

觀察圖5可知，隨著控制時間的增加，傳統(tǒng)控制方法和本文控制方法對于蘭炭尾氣水洗脫氨工藝的控制能力都在隨著控制時間的增加而增加，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)控制時間為10min時，傳統(tǒng)控制方法的控制效果等級為2.8級，本文控制方法的控制效果等級為4.0級；當(dāng)控制時間為20min時，傳統(tǒng)控制方法的控制效果等級為3.1級，本文控制方法的控制效果等級為4.2級；當(dāng)控制時間為30min時，傳統(tǒng)控制方法的控制效果等級為3.2級，本文控制方法的控制效果等級為4.3級；當(dāng)控制時間為40min時，傳統(tǒng)控制方法的控制效果等級為3.0級，本文控制方法的控制效果等級為4.4級；當(dāng)控制時間為50min時，傳統(tǒng)控制方法的控制效果等級為3.0級，本文控制方法的控制效果等級為4.5級。

2.5 實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗結(jié)果與分析，得到如下實驗結(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化控制方法都能對整個水洗脫氨工藝進(jìn)行控制管理，在一定程度上都能保證整個過程的安全穩(wěn)定運行，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化控制方法工作效率更高，監(jiān)控實時性效果更好，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)用價值。

3 結(jié)束語

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，蘭炭尾氣會是一種優(yōu)質(zhì)的能源化工資源。為加強蘭炭尾氣的有效利用，減少利用過程中對管道的腐蝕，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蘭炭尾氣進(jìn)行處理，并對整個工藝流程進(jìn)行自動化控制，有效地完善了蘭炭尾氣的脫氨工藝，實現(xiàn)設(shè)備信息的實時查詢和完整統(tǒng)計，但是這種自動化控制方法仍缺少一些生產(chǎn)實踐，在未來應(yīng)用中仍存在著一些安全隱患。