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天然氣改質(zhì)節(jié)能降耗的思考范文

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天然氣改質(zhì)節(jié)能降耗的思考

1CCR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,在對改質(zhì)爐進行熱平衡測試中我們發(fā)現(xiàn)當前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,缺少相關在線氣體分析設備及手段,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)外沒有相關的理論與方法能進行指導,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)合上海化工研究院承擔了上海申能集團的科研攻關課題,本文將主要介紹課題在節(jié)能降耗專家控制系統(tǒng)設計與應用上的研究成果。

2專家控制系統(tǒng)設計

根據(jù)要求,專家控制系統(tǒng)的目標是降低煙氣殘氧量,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)則的設計上我們以改質(zhì)氣中CH4含量為調(diào)控目標,影響CH4含量最關鍵的因素是催化劑的狀態(tài),主要包括催化劑的反應溫度、活性、積炭程度、壽命等指標,根據(jù)反應的內(nèi)在基理與操作人員的實際經(jīng)驗在規(guī)則設定上做了如下設計:

2.1催化劑溫度控制規(guī)則設計

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,風量的主要作用有兩點:一是作為天然氣的助燃劑,為反應提供熱源;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,然后通過風量調(diào)節(jié)使催化層各點溫度達到適合反應的溫度。下圖為加熱時改質(zhì)爐內(nèi)各點的溫度狀態(tài)。主要控制規(guī)則如下:(1)如果改質(zhì)室溫度(TIR_1501)小于等于預設值,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)大于預設值且該點溫度下降趨勢大于等于預設值,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)大于預設值且該點溫度下降趨勢小于預設值,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而以改質(zhì)氣中CH4含量為判斷標準,始終保證風量的變化向使CH4含量降低的方向進行,這樣可以避免進行復雜的建模與計算,簡化控制結(jié)構(gòu),適合工業(yè)化應用。主要控制規(guī)則如下:(4)將風量與天然氣比值(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,吸收大量熱量,使催化劑溫度降低。因此,在整個反應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。相關的主要控制規(guī)則如下:如果反應溫差大于預設值,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。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)之差小于等于預設值,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。

3專家控制系統(tǒng)實施效果

經(jīng)過項目相關技術的應用實施,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)約標準煤約390t;二是過剩空氣減少所帶來的鼓風量降低,通過計算可得全年減少鼓風量所帶來的能耗節(jié)約為標準煤180t。

4結(jié)語

綜上所述,通過本項目的實施,改質(zhì)爐可實現(xiàn)能耗節(jié)約折合標準煤約570t/y,折合原煤855t/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。

作者:蔡國光單位:上海浦東煤氣制氣有限公司

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