焦爐煤氣預處理系統(tǒng)控制方案設計及選型配置

王 蕾

（山西省工業(yè)設備安裝集團有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

焦爐煤氣是十分重要的能源和化工資源。當前條件下，焦爐煤氣主要用于加熱、提出氫氣、發(fā)電以及生產(chǎn)甲醇等方面；雖然應用范圍廣泛，但是所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益并不明顯。綜合比較，基于焦爐煤氣加工液化天然氣并提純氫氣是其最佳的利用途徑之一，涉及到的工序包括預處理、分離凈化、深冷液化等，其中預處理工藝作為該工序的前置環(huán)節(jié)，對應的預處理系統(tǒng)直接決定后續(xù)工序能夠正常工作。本文將重點對焦爐煤氣預處理系統(tǒng)的控制方案進行設計，解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的一系列問題，最終保證天然氣和氫氣的產(chǎn)率和質(zhì)量[1-2]。

1 焦爐煤氣制備液化天然氣工藝概述

焦爐煤氣由焦化廠產(chǎn)生，在經(jīng)過羅茨鼓風機對原料焦爐煤氣增壓處理后，在變溫吸附裝置的作用下將原料焦爐煤氣中的苯、萘、焦油等雜質(zhì)去除；經(jīng)初步凈化的原料焦爐煤氣在壓縮機的作用下升壓和加熱后送入水解塔中，將其中的有機硫水解為無機硫。經(jīng)上述一系列工序處理后的高溫焦爐煤氣冷卻后送入脫硫脫碳裝置中。

在膜分離器的作用下將焦爐煤氣中的硫進行充分脫除，并得到純度為96.5%的氫氣和甲烷氣體。所產(chǎn)生的氫氣一部分送入燃料氣管網(wǎng)中，另一部分作為液態(tài)氫及其他優(yōu)質(zhì)原料氣體；甲烷氣體送入后續(xù)的液化工序中[3]。

液化工序中的主要原料為甲烷，主要包括有預冷、膨脹、深冷以及精餾等工序，最終獲得液化天然氣的產(chǎn)品；在焦爐煤氣液化天然氣過程中所產(chǎn)生的尾氣后續(xù)可送至焦化廠中作為燃料使用。

綜上所述，可以將原料焦爐煤氣液壓天然氣的工藝流程歸結為如圖1 所示。

圖1 原料焦爐煤氣液化天然氣工藝流程圖

圖1 中的工藝流程中涉及到系統(tǒng)主要可以歸納為預處理系統(tǒng)、液化系統(tǒng)、純化系統(tǒng)以及公用工程系統(tǒng)。本文以其中預處理系統(tǒng)為研究對象，該系統(tǒng)主要包括氣柜、氣液分離器、羅茨風機、粗脫硫塔、壓縮機以及變溫吸附塔，重點對上述關鍵設備的控制進行研究，保證最終液化天然氣滿足工藝要求。

2 氣柜控制方案的設計

煤炭焦化是一個相對不穩(wěn)定的物理反應，在此期間伴隨著部分化學反應；也就是說，焦化過程中所產(chǎn)生的焦爐煤氣是不穩(wěn)定且不連續(xù)的。因此，在基于原料焦爐煤氣制備液化天然氣的過程需要采用氣柜作為緩沖裝置解決焦化反應的不連續(xù)問題，為后續(xù)工藝流程提供穩(wěn)定的氣量。

在氣柜前端加裝有水封罐，避免氣柜發(fā)生故障時實現(xiàn)對焦爐煤氣的隔離，避免事故的進一步擴大?？偟膩碇v，氣柜在預處理系統(tǒng)中的核心作用是保護作用；因此，與氣柜相關的控制系統(tǒng)包括聯(lián)鎖控制系統(tǒng)和緊急停車系統(tǒng)。

2.1 聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的設計

氣柜高度是衡量其是否能夠安全生產(chǎn)的參數(shù)。因此，氣柜聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的控制依據(jù)為氣柜的高度。結合現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，設定的限值如下：當氣柜高度大于80%或者小于30%時，要求控制系統(tǒng)發(fā)出信號并觸發(fā)警報，提醒現(xiàn)場人員對現(xiàn)場工況進行分析，并及時采取相應的措施。

2.2 緊急停車系統(tǒng)的設計

實踐表明，單純通過報警提醒現(xiàn)場人員采取措施解決氣柜存在的安全隱患是不可靠的。因此，在聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的基礎上，設計緊急停車系統(tǒng)是非常有必要的。控制依據(jù)為：當氣柜高度過高時，將入口閥切斷，停止焦爐煤氣的不斷輸入；當氣柜高度過低時，需要將預處理系統(tǒng)緊急停車，事故擴大化。

3 初級升壓控制方案的設計

氣柜中儲氣罐的氣體壓力為4kPa，該壓力值無法保證為后續(xù)工序中壓縮機提供足夠的氣量，從而導致壓縮機的工作效率降低。因此，在氣柜后需要增加初級升壓控制系統(tǒng)。在預處理系統(tǒng)中，羅茨風機為預處理系統(tǒng)中初級升壓功能實現(xiàn)的關鍵，對應的升壓流程如圖2 所示。

圖2 初級升壓流程圖

如圖2 所示，氣柜中的焦爐煤氣在3 個羅茨風機的作用下升至24 kPa 后，再經(jīng)過兩臺洗滌泵的作用進行洗滌、降溫處理后進入氣液分離器中。在初級升壓工藝流程中涉及到開關量和模擬量的控制，對應的控制方案如下。

3.1 開關量的控制

在初級升壓工藝流程中，開關量的控制主要包括對三臺羅茨風機和兩臺洗滌泵啟停的控制。以羅茨風機為例，其啟?？刂品桨溉鐖D3 所示。

圖3 羅茨風機啟?？刂品桨?/p>

如圖3 所示，三臺羅茨風機啟?？刂频囊罁?jù)為流量控制器FC-12100 所采集的電流值。在前期對流量控制器標定的基礎上，羅茨風機啟停控制方案如下：當所采集的電流值在4.0～10.4 mA 之間時，說明焦爐煤氣流量較小，此時僅啟動羅茨風機C；當所采集的電流值在10.4～15.2 mA 時，說明焦爐煤氣的流量中等，此時啟動羅茨風機B 和C；當所采集的電流值在15.2～20.0 mA 之間時，說明焦爐煤氣的流量較大，此時啟動羅茨風機A、B 和C。

3.2 模擬量的控制

經(jīng)初級升壓后焦爐煤氣進入變溫吸附裝置中，為了保證進入變溫吸附裝置的負荷可以調(diào)節(jié)，在初級升壓系統(tǒng)中的氣液分離器前端設置了回流管，并通過回流管中端的調(diào)節(jié)閥對氣體流量進行控制，控制依據(jù)為安裝在調(diào)節(jié)閥前端的控制器，對應的控制框圖如圖4所示。

圖4 氣液分離器出口壓力控制框圖

4 結語

焦爐煤氣為煤炭焦化過程中副產(chǎn)品之一，原料焦爐煤氣需要經(jīng)過一系列的處理后才能夠被應用于加熱、提出氫氣、發(fā)電以及生產(chǎn)甲醇等領域。但是，將焦爐煤氣應用于制備液化天然氣為其最有價值的應用方向，其中涉及到的工序包括預處理、分離凈化、深冷液化等。預處理環(huán)節(jié)為液化天然氣制備的初級工序，該工序的控制效果將直接決定后續(xù)工藝的效果。本文結合實踐生產(chǎn)針對預處理工序中的氣柜和初級升壓系統(tǒng)的控制方案進行設計。

1）氣柜為保證焦爐煤氣穩(wěn)定輸出的關鍵裝置，為進一步提升氣柜裝置運行的安全性，在聯(lián)鎖控制的基礎上設計了緊急停車控制系統(tǒng)，極大提升了氣柜裝置運行的安全性，保證了焦爐煤氣輸出的穩(wěn)定性。

2）在初級升壓系統(tǒng)中，根據(jù)管路中焦爐煤氣的流量對羅茨風機設計了控制方案，并基于PID 控制策略實現(xiàn)對后續(xù)變溫吸附裝置壓力的穩(wěn)定控制。