先进控制技术在煤制氢装置中的应用

刘洋

摘  要：由于氢能量的转换产物只有水，所以氫作为一种新型能源可实现零污染排放，氢能的制备和利用已引起各国的广泛重视。煤制氢装置是现阶段大量获得氢气（H₂）的主要方式。煤制氢属于煤制气的一种，是通过煤炭与水混合后在纯氧的条件下燃烧反应最终制取氢气。文章对先进控制技术在煤制氢装置中的应用进行了研究。

关键词：先进控制技术;煤制氢装置;应用

氢气用途广泛，不仅可以作为高能燃料、保护气、石化工业原料、冶金工业还原剂，及金属高温加工过程中的保护气等，还可以作为气象观测中气球的填充气，分析测试中的标准气等。氢的另一个重要用途是对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家用清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。液氢还可用于火箭燃料和航天器的推进剂，也可用于低温材料性能试验及超导研究。

一、煤制氢工艺原理

理论上的煤制氢工艺主要有2种：外热式工艺和自供热工艺。

外供热工艺是靠外部提供热量来实现煤的气化反应，该方法不需要氧气参与，主要煤和水蒸气的反应，产生气体主要是H2和CO，CO通过之后的变换反应转化成氢气。该气化方法由于不需要燃烧掉一部分煤来供热，提高了煤炭向目的气体的转化率，同时，由于过程不需要氧气，使复杂的工艺得以简化，产生气化量也大大减少，提高了单位时间和空间下氢气的产量。该工艺的关键是如何有效地供给反应体系需要的热量，使反应能够顺利进行，这样该工艺才可能实现工业化，由于很多工程问题无法得到解决，目前还无法实现大规模的工业化。

自供热工艺是通过燃烧一部分煤放出热量，供给反应体系来实现煤的气化反应，这种气化方法的不足之处是要燃烧掉一部分煤，这部分煤约占总煤量的1/4，从而降低了目的产品的转化率;同时还要通入大量的氧气，不但使工艺变得复杂，而且产生了大量CO₂气体，增大了气体处理量，其优点是工艺条件成熟，易于生产控制，目前的大多数气化方式都是采用这种方法。

在煤制氢工艺中，很多学者将气化和变换分割开来，这样不利于生产成本控制和工艺条件优化，从整体成本控制来讲，气化和变换是密不可分的一个整体。

煤制氢的主要反应包括：与水有关的反应，与氧有关的反应和消耗氢的反应。

二、先进控制技术

1多变量预测控制技术

本装置的先进控制系统采用浙江中控自主研发的、以模型预测控制算法为核心的APC-Suite软件，并结合多重控制约束条件的先进控制技术进行实施。多变量预测控制算法利用历史数据和预测模型预测系统未来的输出，并按照设定的性能指标函数滚动优化，计算出一系列的控制输出轨迹，可对具有大时滞、强耦合等控制特点的被控对象进行有效控制。该算法利用当前实际值与模型计算值的比较偏差来修正预测值，能克服扰动和模型失配引起的偏差;在约束范围内通过对预定的性能指标进行滚动优化，可计算出系统将来的控制作用。

2专家控制策略

煤制氢装置不同于常规的精馏装置，很多被控对象无法确定精确的数学模型，受控对象具有复杂性、非线性和不确定性，难以建立精确的数学模型。应用于流程工业控制的专家控制系统可以引入专家系统的思想、体现先进控制系统的主要特性，能把数学算法和控制工程师的操作经验融合，最大限度地利用已有知识，达到传统控制方式难以取得的控制效果。专家控制系统是基于知识的智能控制系统，往往带有模糊性、不确定性和不完全性。与传统控制相比，专家控制可以更多地利用先验知识和在线信息、更注重实时推理和决策能力，能够取代熟练操作工人完成程序性任务，响应时间足够快，满足系统控制的实时需要，运行方便可靠。专家控制系统特别适合操作环境频繁或剧烈变化、在有限时间间隔内必须作出决策、需要专家经验或采用符号逻辑解决问题的场合，尤其是典型的煤化工装置。

三、措施与对策

1造气和变换工艺指标

目前，煤制氢的设计和生产还存在一些误区，对于煤制氢造气和城市煤气造气的理念区分不是很清楚。因此，很多煤制氢工艺指标没有实现更好的优化，由于煤制氢造气和变换的共同目的是最终获得更多的H₂，因此可以统筹考虑，使得煤制氢在技术和经济方面都能实现更好的优化。

2相关工艺参数的建立和修正

2.1原料煤质量指标的修正

由于热容量很大，如果水分含量大，在造气之前，原料煤在造气炉中要消耗大量的热值来实现自身干燥，这样会造成煤耗偏高，如果能够利用装置的余热对原料煤进行适当的干燥，对降低煤炭消耗是十分有利的，目前，国内很多煤制氢装置虽然设计上有干燥流程，但大多数都处于闲置状态，原因就是对水含量影响煤耗的认识不足。

目前，在国内煤制氢装置的设计中，没有原料煤的重金属含量指标要求，由于重金属含量高的煤，在造气过程中更容易发生消耗氢的反应，如铁、镍、铜、钒等，这些重金属的化合物在高温下充当了加氢反应催化剂的角色，使得一部分氢气在高温下转化成了甲烷，如果制氢装置能够使用重金属含量低一些的煤，对降低煤耗是非常有利的，建立重金属含量控制指标是未来煤制氢装置的发展方向。

2.2造气技术指标的修正

（1）原料煤消耗指标的建立

以生产1m³的H₂所消耗的干煤炭量是装置操作考核的的重要指标，这也是所有企业经营者都关心的指标，但大多数煤制氢的操作规程中都没有这一项指标要求，原因是煤消耗受原料煤质量和批次的影响比较大;技术出让方为了保证装置的顺利验收而故意隐瞒。

（2）有效气含量指标的修订

大多数煤制氢装置有效气含量的指标是以H₂+CO来衡量，如恩德炉的有效气含量指标要求H₂+CO≥68%，看似科学，但经过仔细推敲，发现确实不够专业，原因是在后面的变换中，实际生产中CO变换成H₂的效率大约75%—80%，H₂+CO不能够科学地反映煤制氢装置的工作状况，应该对CO含量的有效性进行适当的修正。建议以“H₂+0.8CO≥”来考核装置的即时运行状况，因为制氢装置的最终目标产品是纯H₂。

H₂+CO指标的长期使用，反映了国内在造气和变换在设计理念上是严重脱节的，修改这一指标是装置设计与操作优化的必然结果，也是装置设计和优化的发展方向。

结论

（1）将煤制氢的反应与水有关的反应、与氧有关的反应和消耗氢的反应，表达的更直观，有利于指导设计与生产的优化。

（2）增加煤耗指标和原料煤重金属含量指标，是企业降低成本的发展方向。

（3）煤耗指标是衡量煤制氢装置操作状况的第1指标，应早日建立煤耗控制指标。

（4）强化水含量指标控制和修订有效气含量指标，是煤制氢装置成本管理与经济优化的必然结果，也是装置优化必然的发展方向。

参考文献

[1]  苗喜林。煤制氢工艺分析与控制措施[J].石化技术，2016，23（5）：5.

[2]  赵恒平。中国石化先进过程控制应用现状[J].化工进展，2015，34（4）：930.