兰炭尾气水洗脱氨工艺自动化控制方法

（榆林职业技术学院 机电工程系，榆林 719000）

0 引言

随着燃气内燃机在分布式能源产业中的应用的不断推广，燃料组分已向煤矿瓦斯、沼气、炼化气、兰炭尾气等多元化气质燃料类型方向转化[1]。兰炭尾气指的是在兰炭工艺过程中，煤在中低温条件下热解的副产物，多数用于燃料发电、烧石灰和镁合金的生产等工业中。将兰炭尾气在专用的内燃发电机中燃烧发电，实现能源的梯级利用，提高能源的安全和灵活利用，实现兰炭尾气的适度排放和分散污染[2]。

兰炭尾气中含有一氧化碳、氢气、甲烷、乙烷、乙烯、氨气、二氧化碳等气质成分，其中氨气NH3溶于水后形成氨水（NH3H2O），氨水是一种弱碱，会对铜和多种合金造成腐蚀[3]。因此，兰炭尾气会对燃气输送管和内燃机中的部分部件造成严重腐蚀，减少设备的寿命。为达到发电机组的进气要求，兰炭尾气需要进行脱氨处理[4]。因此，对兰炭尾气进行高效利用具有重要意义。由兰炭尾气制代用天然气、生产合成氨、提氢、制甲烷都是兰炭尾气资源化利用的重要技术途径。

脱氨工艺方法有许多种，水洗脱氨工艺是一种流程短、操作简单、能耗低、设备简单、腐蚀程度低的工艺，可以说是最为经济适宜的脱除兰炭尾气中氨气成分的方法[5]。本文对兰炭尾气水洗脱氨工艺自动化控制方法进行研究，将解析空气量、富液和吸收剂温度、循环量等参数进行分析控制，对兰炭尾气水洗脱氨工艺流程自动化控制系统进行设计，通过实验验证了兰炭尾气水洗脱氨工艺自动化控制方法的可行性。

1 兰炭尾气水洗脱氨工艺自动化控制方法

为了更好地实现兰炭尾气水洗脱氨自动化控制，本文研究的水洗脱氨工艺自动化控制方法共分为两步，首先是基础步骤，对兰炭尾气水洗脱氨工艺进行分析，然后根据分析结果实现控制[6]。

1.1 兰炭尾气脱氨工艺分析

我国呈现煤多少油缺气的资源结构，作为煤炭为主的能源大国，将煤炭资源多途径利用是十分必要的，如煤的液化、气化、干馏等。兰炭产业是一种热利用效率较高的产业，能够提高煤炭资源的综合利用效率[7]。

兰炭可以由煤中低温干馏工艺来生产，能够实现固体能源高效转化为固、液、气三种形式的能源，是一种高效灵活的资源利用渠道[8]。

图1 兰炭尾气主要成分

兰炭热解条件不同，所得兰炭尾气的气体种类相差不大，但各组分含量有一定差别。兰炭尾气是一种多气体的混合物，其主要成分如图1所示，氢气是兰炭尾气的重要组分之一，它的燃烧产物只有水，是一种零污染的清洁燃料。甲烷在尾气中的燃气中含量也较大，能够作为原料制备合成气体。兰炭尾气中的氮气含量高，一氧化碳、氢气等燃性气体含量较低，不宜于民用，若直接应用或排放至大气中，会在造成严重资源浪费的同时，对环境造成严重压力[9]。水洗脱氨工艺是将水作为吸附剂，将兰炭尾气中的氨气吸收反应成氨水，再将蒸馏出的氨水分解成氢气和氮气，最终返回到初冷器前的管道中。水洗脱氨工艺增加了燃气的产量，同时还避免了对大气的污染，但是该工艺经济效益较差，没有氨类产品[10]。硫铵工艺是将硫酸作为吸附剂，利用喷淋式饱和器对氨气进行吸收、结晶，再经过分离、干燥、包装等过程，得到质量好的硫酸铵等硫铵产品。硫铵产品在工农业领域用途较广，可以作为肥料、医药的原料。在整个过程中，利用硫酸吸收氨气，不存在可逆反应，产物中氨含量最低。但是生产过程中硫酸消耗较大，工艺较为复杂、运行成本较高，装置占地面积大。由对比可见，水洗脱氨工艺设备简单、操作便利、能耗少，且不会引入新组分，是一种较为经济适宜的方式[11]。

1.2 兰炭尾气水洗脱氨工艺自动化控制

图2 兰炭尾气水洗脱氨控制过程

如图2所示，将原料兰炭尾气进入吸收塔下部，经过吸附剂将气体中的氨气富集到液相中，将吸收后的净化气从塔顶排除进行进一步处理[12]。将氨水送入蒸氨罐中，将氨水以蒸汽方式从罐顶蒸出，经富集泵富集，进入氨分解装置中，按反应方程式(1)，在高温和催化剂作用下分解为氢气和氮气，通过热交换器进入再生塔中，塔底的鼓风机将空气吹入，在再生塔中与富液充分接触、再生。塔底的贫液通过贫液泵增压，冷却后返回吸收塔，完成一个循环。

在整个工艺流程中，吸附剂温度、富液温度、循环量、解析空气量都是其影响因素。随着吸收剂温度的升高，净化效果会有所下降，这是由于吸收塔中的温度过高会抑制氨气的吸收[13]。而随着吸附剂水的循环量的增加，净化气中氨气的含量会下降，这是由于循环量的增加降低了气膜阻力，促进了氨气的扩散。富液温度的升高有利于吹脱效率的提高，同时会加大能量、吸附剂的消耗。吸收塔和再生塔在选用时一般遵循分离效率高、生产能力大的原则，调试水洗脱氨工艺的相关参数，以保证水洗脱氨系统的安全稳定运行[14]。

图3 兰炭尾气水洗脱氨工艺自动化控制流程

兰炭尾气水洗脱氨工艺自动化控制是用自动控制装置对水洗脱氨工艺过程中的关键参数进行自动化控制，以防止因外界环境的干扰而造成偏离，从而影响系统安全[15]。如图3所示，控制室操作中心会对兰炭尾气水洗脱氨过程中的主要工艺参数进行监控，其中包括对吸收剂、富液温度，净化气中氨气含量，解析空气量等参数。控制室操作中心还具有对设备运行实际情况的监控功能。操作人员可以通过计算机对设备故障情况进行监控，并能对突发情况进行有效处理，每日可生成日常控制报告。

在水脱氨工艺中的必需设备，如吸收塔、蒸氨罐、反应塔、再生塔以及连接管路，都会以动态结构图的形式进行显示，当某一参数超过警戒值或设备出现异常时，设备会自动报警，并在显示屏中显示故障原因，使维修人员及时准确了解故障原因，对问题设备进行维修。该系统会对兰炭尾气水洗脱氨工艺流程进行自动化控制，向控制室操作中心传递各设备运行数据信息，并且，系统具有很强的通讯功能，各组分之间可以进行数据交换。每天自动生成的相关报表，会对系统运行数据、工艺参数进行存储和打印，对整个水洗脱氨工艺进行系统控制。

2 验证实验

2.1 实验目的

为了检测本文兰炭尾气水洗脱氨工艺自动化控制方法的实际工作效果，将本文自动化控制方法与传统控制方法进行对比，设计了对比实验。

2.2 实验参数设置

设置实验参数如表1所示。

表1 实验参数

2.3 实验过程

根据上述设定的参数进行实验，选取传统兰炭尾气水洗脱氨工艺控制方法和本文兰炭尾气水洗脱氨工艺自动化控制方法在相同的外界环境下，分别对同体积同批兰炭尾气进行脱氨处理，记录两个方法的测量结果，分析实验结果。

2.4 实验结果与分析

实验结果如下：

1）控制效果持续时间实验结果

图4 控制效果持续时间实验结果

分析图4可知，当控制花费时间在10min之内，使用传统方法控制的自动化脱氨工艺工作效果持续时间超过本文控制方法的工作效果持续时间，但是随着控制花费时间的增加，本文控制方法的脱氨工艺持续时间远远超过传统方法。当控制花费时间达到80min时，传统控制方法维持的工作时间仅有7小时，本文研究方法维持的工作时间高达14小时，控制能力是传统方法的2倍。

2）控制效果实验结果

图5 控制效果实验结果

观察图5可知，随着控制时间的增加，传统控制方法和本文控制方法对于兰炭尾气水洗脱氨工艺的控制能力都在随着控制时间的增加而增加，增加规律为非线性，但是本文研究的控制方法控制能力始终好于传统方法。当控制时间为10min时，传统控制方法的控制效果等级为2.8级，本文控制方法的控制效果等级为4.0级；当控制时间为20min时，传统控制方法的控制效果等级为3.1级，本文控制方法的控制效果等级为4.2级；当控制时间为30min时，传统控制方法的控制效果等级为3.2级，本文控制方法的控制效果等级为4.3级；当控制时间为40min时，传统控制方法的控制效果等级为3.0级，本文控制方法的控制效果等级为4.4级；当控制时间为50min时，传统控制方法的控制效果等级为3.0级，本文控制方法的控制效果等级为4.5级。

2.5 实验结论

根据上述实验结果与分析，得到如下实验结论：兰炭尾气水洗脱氨工艺传统控制方法和本文的自动化控制方法都能对整个水洗脱氨工艺进行控制管理，在一定程度上都能保证整个过程的安全稳定运行，但与传统方法相比，本文建立的兰炭尾气水洗脱氨工艺自动化控制方法工作效率更高，监控实时性效果更好，所需人力资源更少，系统安全系数更高，具有很高的应用价值。

3 结束语

兰炭是一种具有高碳含量的固体物质，因其燃烧呈蓝色火焰而得名，在生产过程中会产生副产物焦油和兰炭尾气。若能有效利用，兰炭尾气会是一种优质的能源化工资源。为加强兰炭尾气的有效利用，减少利用过程中对管道的腐蚀，兰炭尾气的脱氨处理显得尤为重要。

本文利用水洗脱氨工艺对兰炭尾气进行处理，并对整个工艺流程进行自动化控制，有效地完善了兰炭尾气的脱氨工艺，实现设备信息的实时查询和完整统计，但是这种自动化控制方法仍缺少一些生产实践，在未来应用中仍存在着一些安全隐患。