提升天然氣改質(zhì)節(jié)能降耗水平的新思路

上海浦東煤氣制氣有限公司 蔡國光

提升天然氣改質(zhì)節(jié)能降耗水平的新思路

上海浦東煤氣制氣有限公司 蔡國光

根據(jù)現(xiàn)有天然氣循環(huán)催化裂解工藝中發(fā)現(xiàn)的不足，從自動控制角度提出解決天然氣轉(zhuǎn)化率不高、蒸汽浪費較多問題的新方法，通過實施應(yīng)用有效減少生產(chǎn)過程中的能源損耗，對同類生產(chǎn)裝置提升節(jié)能降耗水平具有一定示范意義。

天然氣 改質(zhì) 節(jié)能降耗

0 前言

天然氣常壓循環(huán)催化裂化制改質(zhì)氣工藝(簡稱CCR工藝)的原理是天然氣與水蒸氣在催化劑的作用下，進行水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成H2、CO。其特點是反應(yīng)過程為吸熱反應(yīng)，熱量通過天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馓峁?/p>

CCR的生產(chǎn)流程見圖1。

圖1 天然氣改質(zhì)生產(chǎn)流程

與傳統(tǒng)煤制氣相比，改質(zhì)氣具有清潔無污染的優(yōu)點。通常，將天然氣改質(zhì)成符合城市管道煤氣燃燒特性的人工煤氣，l m3天然氣約可以生產(chǎn)出3 m3改質(zhì)氣，大大節(jié)約天然氣能源的消耗。

當(dāng)前對于CCR生產(chǎn)裝置效能的改進主要是從設(shè)備和催化劑兩個方面來展開的，本文另辟蹊徑，從控制角度出發(fā)，利用先進控制方法(專家控制系統(tǒng))來對生產(chǎn)過程進行精細化控制以實現(xiàn)裝置節(jié)能降耗水平的提高，取得了一定的效果，為CCR工藝的發(fā)展提供了新的思路。

1 CCR工藝存在的問題

上海浦東煤氣制氣有限公司目前建成投產(chǎn)4條CCR生產(chǎn)線，為全套引進奧地利INTEGRAL公司間歇式常壓循環(huán)催化裂解制氣工藝及技術(shù)，在對改質(zhì)爐進行熱平衡測試中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前CCR工藝進一步優(yōu)化主要遇到了以下兩個難題：一是沒有直接針對改質(zhì)氣與煙氣成分的檢測信號，缺少相關(guān)在線氣體分析設(shè)備及手段，造成操作人員在調(diào)整工藝參數(shù)時帶有很大的滯后性與盲目性；二是缺少專用的控制方法，國內(nèi)外沒有相關(guān)的理論與方法能進行指導(dǎo)，操控缺乏嚴謹性與一貫性，結(jié)果造成波動性大，控制質(zhì)量因人而異。為了徹底解決改質(zhì)生產(chǎn)優(yōu)化中暴露的問題，上海浦東煤氣制氣有限公司聯(lián)合上?；ぱ芯吭撼袚?dān)了上海申能集團的科研攻關(guān)課題，本文將主要介紹課題在節(jié)能降耗專家控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用上的研究成果。

2 專家控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)要求，專家控制系統(tǒng)的目標(biāo)是降低煙氣殘氧量，提高天然氣轉(zhuǎn)化率以及降低生產(chǎn)過程能耗，在專家控制系統(tǒng)規(guī)則的設(shè)計上我們以改質(zhì)氣中CH4含量為調(diào)控目標(biāo)，影響CH4含量最關(guān)鍵的因素是催化劑的狀態(tài)，主要包括催化劑的反應(yīng)溫度、活性、積炭程度、壽命等指標(biāo)，根據(jù)反應(yīng)的內(nèi)在基理與操作人員的實際經(jīng)驗在規(guī)則設(shè)定上做了如下設(shè)計：

2.1 催化劑溫度控制規(guī)則設(shè)計

根據(jù)CCR生產(chǎn)工藝，催化層溫度靠加熱用天然氣燃燒來提供，風(fēng)量的主要作用有兩點：一是作為天然氣的助燃劑，為反應(yīng)提供熱源；二是作為催化層溫度的調(diào)節(jié)手段，控制各點溫度。風(fēng)量與天然氣的比值稱為BH值。

根據(jù)上述特點，專家控制系統(tǒng)可分兩步來實現(xiàn)，首先是找到能為催化層提供足夠熱量的加熱用天然氣量，然后通過風(fēng)量調(diào)節(jié)使催化層各點溫度達到適合反應(yīng)的溫度。下圖為加熱時改質(zhì)爐內(nèi)各點的溫度狀態(tài)。

圖2 加熱階段爐內(nèi)溫度分布

主要控制規(guī)則如下：

(1)如果改質(zhì)室溫度(TIR_1501)小于等于預(yù)設(shè)值，則加熱天然氣閥門開度調(diào)大0.5%；

(2)如果改質(zhì)室溫度(TIR_1501)大于預(yù)設(shè)值且該點溫度下降趨勢大于等于預(yù)設(shè)值，則加熱天然氣閥門開度調(diào)大0.5%；

(3)如果改質(zhì)室溫度(TIR_1501)大于預(yù)設(shè)值且該點溫度下降趨勢小于預(yù)設(shè)值，則加熱天然氣閥門開度調(diào)小0.5%。

由于催化層較厚，僅依靠TIR_507、TIR_509、TIR_531、TIR_533四點溫度來衡量整個催化層的溫度分布是不夠全面的，此外催化劑的最佳溫度會隨著催化劑其他性能的改變而變化，因此我們在催化層溫度控制上采用的是連續(xù)尋優(yōu)的方法，不再以確定的最佳溫度為控制目標(biāo)而以改質(zhì)氣中CH4含量為判斷標(biāo)準，始終保證風(fēng)量的變化向使CH4含量降低的方向進行，這樣可以避免進行復(fù)雜的建模與計算，簡化控制結(jié)構(gòu)，適合工業(yè)化應(yīng)用。主要控制規(guī)則如下：

(4)將風(fēng)量與天然氣比值(BH)增加0.05；

(5)如果CH4含量小于前次采樣含量，則將風(fēng)量與天然氣比值(BH)增加0.05；

(6)如果CH4含量大于等于前次采樣含量，則將風(fēng)量與天然氣比值(BH)減小0.05；

(7)如果CH4含量小于等于前次采樣含量，則將風(fēng)量與天然氣比值(BH)減小0.05；

(8)如果CH4含量大于前次采樣含量，則退出本段程序。

2.2 催化劑活性控制規(guī)則設(shè)計

根據(jù)改質(zhì)工藝特點，在改質(zhì)階段處于還原性氣氛條件下的催化劑會放出所吸收的氧原子，促進天然氣、水蒸汽發(fā)生改質(zhì)反應(yīng)，吸收大量熱量，使催化劑溫度降低。因此，在整個反應(yīng)周期中催化劑會不斷經(jīng)歷溫度升高與降低的過程，但是隨著催化劑使用時間的變長，活性逐漸下降，會發(fā)生還原性能不足的情況。當(dāng)發(fā)生這種情況時需要通知操作人員盡快停車，進行對催化劑的整體還原操作。相關(guān)的主要控制規(guī)則如下：

如果反應(yīng)溫差大于預(yù)設(shè)值，則提示“催化劑活性低，請進行還原操作”。

2.3 改質(zhì)水蒸汽控制規(guī)則設(shè)計

對于天然氣轉(zhuǎn)化率的影響，除了催化劑的狀態(tài)之外，另一個重要因素是在改質(zhì)階段的蒸汽量。蒸汽量過多對整個過程的影響有以下三點，一是降低催化層的溫度，浪費加熱階段熱量，使催化劑偏離最佳工作溫度；二是浪費蒸汽，相應(yīng)的潛熱損失嚴重；三是浪費改質(zhì)天然氣，過快的流速造成部分天然氣來不及反應(yīng)。蒸汽量過少則會引發(fā)催化劑積炭現(xiàn)象，影響催化劑性能與壽命。從節(jié)能降耗的角度來看，我們的控制目標(biāo)是在催化劑不發(fā)生積炭現(xiàn)象的前提下使蒸汽的使用量盡可能的少。在DCS系統(tǒng)中，蒸汽量的控制是通過蒸汽與天然氣比值RRS來實現(xiàn)的，在蒸汽量的控制上同樣采用連續(xù)尋優(yōu)的方法。主要控制規(guī)則如下：

(1)如果催化床頂部溫度(TIR_1531)與改質(zhì)爐出口溫度(TIR_1511)之差小于等于預(yù)設(shè)值，則提示“催化劑積炭，請進行除炭操作”；

(2)將蒸汽與天然氣比值(RRS)增加0.05；

(3)如果CH4含量小于前次采樣含量，則將蒸汽與天然氣比值(RRS)增加0.05；

(4)如果CH4含量大于等于前次采樣含量，則將蒸汽與天然氣比值(RRS)減小0.05；

(5)如果CH4含量小于前次采樣含量，則將蒸汽與天然氣比值(RRS)減小0.05；；

(6)如果CH4含量大于前次采樣含量，則退出本段程序。

根據(jù)上述一系列的專家控制系統(tǒng)優(yōu)化控制規(guī)則，在實際使用中我們采用如圖3所示的控制結(jié)構(gòu)框圖，加熱量控制模塊的程序執(zhí)行周期與生產(chǎn)周期同步，風(fēng)量控制模塊與蒸汽控制模塊的程序執(zhí)行周期與取樣分析周期同步。

圖3 專家控制系統(tǒng)控制框圖

3 專家控制系統(tǒng)實施效果

經(jīng)過項目相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用實施，CH4含量與O2含量較之前有了明顯進步，數(shù)值的波動基本保持穩(wěn)定。項目的節(jié)能降耗效果主要體現(xiàn)在兩個方面：

一是改質(zhì)爐整體熱效率的提高，通過計算可得通過熱效率提高改質(zhì)爐全年情況下節(jié)約標(biāo)準煤約390 t；

二是過?？諝鉁p少所帶來的鼓風(fēng)量降低，通過計算可得全年減少鼓風(fēng)量所帶來的能耗節(jié)約為標(biāo)準煤180 t。

綜上所述，通過本項目的實施，改質(zhì)爐可實現(xiàn)能耗節(jié)約折合標(biāo)準煤約570 t/y，折合原煤855 t/y，按市場價750元/t來計每年可節(jié)約人民幣64萬元，節(jié)能減排經(jīng)濟效益可觀。

New Ideas of Improving the Energy Saving Level in the Natural Gas Reforming Process

Shanghai Pudong Gas Manufacturing Co., Ltd. Cai Guoguang

By analyzing the deficiency in the natural gas deep catalytic cracking process, from the perspective of automation control, the paper introduces the new methods of improving the efficiency of natural gas conversion and reducing steam consumption as well, which can be as a reference for the devices of the same kind.

natural gas, reforming, energy saving