先進控制技術在煤制氫裝置中的應用

劉洋

摘? 要：由于氫能量的轉換產物只有水，所以氫作為一種新型能源可實現零污染排放，氫能的制備和利用已引起各國的廣泛重視。煤制氫裝置是現階段大量獲得氫氣（H₂）的主要方式。煤制氫屬于煤制氣的一種，是通過煤炭與水混合后在純氧的條件下燃燒反應最終制取氫氣。文章對先進控制技術在煤制氫裝置中的應用進行了研究。

關鍵詞：先進控制技術;煤制氫裝置;應用

氫氣用途廣泛，不僅可以作為高能燃料、保護氣、石化工業原料、冶金工業還原劑，及金屬高溫加工過程中的保護氣等，還可以作為氣象觀測中氣球的填充氣，分析測試中的標準氣等。氫的另一個重要用途是對人造黃油、食用油、洗發精、潤滑劑、家用清潔劑及其它產品中的脂肪氫化。液氫還可用于火箭燃料和航天器的推進劑，也可用于低溫材料性能試驗及超導研究。

一、煤制氫工藝原理

理論上的煤制氫工藝主要有2種：外熱式工藝和自供熱工藝。

外供熱工藝是靠外部提供熱量來實現煤的氣化反應，該方法不需要氧氣參與，主要煤和水蒸氣的反應，產生氣體主要是H2和CO，CO通過之后的變換反應轉化成氫氣。該氣化方法由于不需要燃燒掉一部分煤來供熱，提高了煤炭向目的氣體的轉化率，同時，由于過程不需要氧氣，使復雜的工藝得以簡化，產生氣化量也大大減少，提高了單位時間和空間下氫氣的產量。該工藝的關鍵是如何有效地供給反應體系需要的熱量，使反應能夠順利進行，這樣該工藝才可能實現工業化，由于很多工程問題無法得到解決，目前還無法實現大規模的工業化。

自供熱工藝是通過燃燒一部分煤放出熱量，供給反應體系來實現煤的氣化反應，這種氣化方法的不足之處是要燃燒掉一部分煤，這部分煤約占總煤量的1/4，從而降低了目的產品的轉化率;同時還要通入大量的氧氣，不但使工藝變得復雜，而且產生了大量CO₂氣體，增大了氣體處理量，其優點是工藝條件成熟，易于生產控制，目前的大多數氣化方式都是采用這種方法。

在煤制氫工藝中，很多學者將氣化和變換分割開來，這樣不利于生產成本控制和工藝條件優化，從整體成本控制來講，氣化和變換是密不可分的一個整體。

煤制氫的主要反應包括：與水有關的反應，與氧有關的反應和消耗氫的反應。

二、先進控制技術

1多變量預測控制技術

本裝置的先進控制系統采用浙江中控自主研發的、以模型預測控制算法為核心的APC-Suite軟件，并結合多重控制約束條件的先進控制技術進行實施。多變量預測控制算法利用歷史數據和預測模型預測系統未來的輸出，并按照設定的性能指標函數滾動優化，計算出一系列的控制輸出軌跡，可對具有大時滯、強耦合等控制特點的被控對象進行有效控制。該算法利用當前實際值與模型計算值的比較偏差來修正預測值，能克服擾動和模型失配引起的偏差;在約束范圍內通過對預定的性能指標進行滾動優化，可計算出系統將來的控制作用。

2專家控制策略

煤制氫裝置不同于常規的精餾裝置，很多被控對象無法確定精確的數學模型，受控對象具有復雜性、非線性和不確定性，難以建立精確的數學模型。應用于流程工業控制的專家控制系統可以引入專家系統的思想、體現先進控制系統的主要特性，能把數學算法和控制工程師的操作經驗融合，最大限度地利用已有知識，達到傳統控制方式難以取得的控制效果。專家控制系統是基于知識的智能控制系統，往往帶有模糊性、不確定性和不完全性。與傳統控制相比，專家控制可以更多地利用先驗知識和在線信息、更注重實時推理和決策能力，能夠取代熟練操作工人完成程序性任務，響應時間足夠快，滿足系統控制的實時需要，運行方便可靠。專家控制系統特別適合操作環境頻繁或劇烈變化、在有限時間間隔內必須作出決策、需要專家經驗或采用符號邏輯解決問題的場合，尤其是典型的煤化工裝置。

三、措施與對策

1造氣和變換工藝指標

目前，煤制氫的設計和生產還存在一些誤區，對于煤制氫造氣和城市煤氣造氣的理念區分不是很清楚。因此，很多煤制氫工藝指標沒有實現更好的優化，由于煤制氫造氣和變換的共同目的是最終獲得更多的H₂，因此可以統籌考慮，使得煤制氫在技術和經濟方面都能實現更好的優化。

2相關工藝參數的建立和修正

2.1原料煤質量指標的修正

由于熱容量很大，如果水分含量大，在造氣之前，原料煤在造氣爐中要消耗大量的熱值來實現自身干燥，這樣會造成煤耗偏高，如果能夠利用裝置的余熱對原料煤進行適當的干燥，對降低煤炭消耗是十分有利的，目前，國內很多煤制氫裝置雖然設計上有干燥流程，但大多數都處于閑置狀態，原因就是對水含量影響煤耗的認識不足。

目前，在國內煤制氫裝置的設計中，沒有原料煤的重金屬含量指標要求，由于重金屬含量高的煤，在造氣過程中更容易發生消耗氫的反應，如鐵、鎳、銅、釩等，這些重金屬的化合物在高溫下充當了加氫反應催化劑的角色，使得一部分氫氣在高溫下轉化成了甲烷，如果制氫裝置能夠使用重金屬含量低一些的煤，對降低煤耗是非常有利的，建立重金屬含量控制指標是未來煤制氫裝置的發展方向。

2.2造氣技術指標的修正

（1）原料煤消耗指標的建立

以生產1m³的H₂所消耗的干煤炭量是裝置操作考核的的重要指標，這也是所有企業經營者都關心的指標，但大多數煤制氫的操作規程中都沒有這一項指標要求，原因是煤消耗受原料煤質量和批次的影響比較大;技術出讓方為了保證裝置的順利驗收而故意隱瞞。

（2）有效氣含量指標的修訂

大多數煤制氫裝置有效氣含量的指標是以H₂+CO來衡量，如恩德爐的有效氣含量指標要求H₂+CO≥68%，看似科學，但經過仔細推敲，發現確實不夠專業，原因是在后面的變換中，實際生產中CO變換成H₂的效率大約75%—80%，H₂+CO不能夠科學地反映煤制氫裝置的工作狀況，應該對CO含量的有效性進行適當的修正。建議以“H₂+0.8CO≥”來考核裝置的即時運行狀況，因為制氫裝置的最終目標產品是純H₂。

H₂+CO指標的長期使用，反映了國內在造氣和變換在設計理念上是嚴重脫節的，修改這一指標是裝置設計與操作優化的必然結果，也是裝置設計和優化的發展方向。

結論

（1）將煤制氫的反應與水有關的反應、與氧有關的反應和消耗氫的反應，表達的更直觀，有利于指導設計與生產的優化。

（2）增加煤耗指標和原料煤重金屬含量指標，是企業降低成本的發展方向。

（3）煤耗指標是衡量煤制氫裝置操作狀況的第1指標，應早日建立煤耗控制指標。

（4）強化水含量指標控制和修訂有效氣含量指標，是煤制氫裝置成本管理與經濟優化的必然結果，也是裝置優化必然的發展方向。

參考文獻

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