焦炉煤气预处理系统控制方案设计及选型配置

王 蕾

（山西省工业设备安装集团有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

焦炉煤气是十分重要的能源和化工资源。当前条件下，焦炉煤气主要用于加热、提出氢气、发电以及生产甲醇等方面；虽然应用范围广泛，但是所产生的经济效益并不明显。综合比较，基于焦炉煤气加工液化天然气并提纯氢气是其最佳的利用途径之一，涉及到的工序包括预处理、分离净化、深冷液化等，其中预处理工艺作为该工序的前置环节，对应的预处理系统直接决定后续工序能够正常工作。本文将重点对焦炉煤气预处理系统的控制方案进行设计，解决传统控制系统存在的一系列问题，最终保证天然气和氢气的产率和质量[1-2]。

1 焦炉煤气制备液化天然气工艺概述

焦炉煤气由焦化厂产生，在经过罗茨鼓风机对原料焦炉煤气增压处理后，在变温吸附装置的作用下将原料焦炉煤气中的苯、萘、焦油等杂质去除；经初步净化的原料焦炉煤气在压缩机的作用下升压和加热后送入水解塔中，将其中的有机硫水解为无机硫。经上述一系列工序处理后的高温焦炉煤气冷却后送入脱硫脱碳装置中。

在膜分离器的作用下将焦炉煤气中的硫进行充分脱除，并得到纯度为96.5%的氢气和甲烷气体。所产生的氢气一部分送入燃料气管网中，另一部分作为液态氢及其他优质原料气体；甲烷气体送入后续的液化工序中[3]。

液化工序中的主要原料为甲烷，主要包括有预冷、膨胀、深冷以及精馏等工序，最终获得液化天然气的产品；在焦炉煤气液化天然气过程中所产生的尾气后续可送至焦化厂中作为燃料使用。

综上所述，可以将原料焦炉煤气液压天然气的工艺流程归结为如图1 所示。

图1 原料焦炉煤气液化天然气工艺流程图

图1 中的工艺流程中涉及到系统主要可以归纳为预处理系统、液化系统、纯化系统以及公用工程系统。本文以其中预处理系统为研究对象，该系统主要包括气柜、气液分离器、罗茨风机、粗脱硫塔、压缩机以及变温吸附塔，重点对上述关键设备的控制进行研究，保证最终液化天然气满足工艺要求。

2 气柜控制方案的设计

煤炭焦化是一个相对不稳定的物理反应，在此期间伴随着部分化学反应；也就是说，焦化过程中所产生的焦炉煤气是不稳定且不连续的。因此，在基于原料焦炉煤气制备液化天然气的过程需要采用气柜作为缓冲装置解决焦化反应的不连续问题，为后续工艺流程提供稳定的气量。

在气柜前端加装有水封罐，避免气柜发生故障时实现对焦炉煤气的隔离，避免事故的进一步扩大。总的来讲，气柜在预处理系统中的核心作用是保护作用；因此，与气柜相关的控制系统包括联锁控制系统和紧急停车系统。

2.1 联锁控制系统的设计

气柜高度是衡量其是否能够安全生产的参数。因此，气柜联锁控制系统的控制依据为气柜的高度。结合现场生产经验，设定的限值如下：当气柜高度大于80%或者小于30%时，要求控制系统发出信号并触发警报，提醒现场人员对现场工况进行分析，并及时采取相应的措施。

2.2 紧急停车系统的设计

实践表明，单纯通过报警提醒现场人员采取措施解决气柜存在的安全隐患是不可靠的。因此，在联锁控制系统的基础上，设计紧急停车系统是非常有必要的。控制依据为：当气柜高度过高时，将入口阀切断，停止焦炉煤气的不断输入；当气柜高度过低时，需要将预处理系统紧急停车，事故扩大化。

3 初级升压控制方案的设计

气柜中储气罐的气体压力为4kPa，该压力值无法保证为后续工序中压缩机提供足够的气量，从而导致压缩机的工作效率降低。因此，在气柜后需要增加初级升压控制系统。在预处理系统中，罗茨风机为预处理系统中初级升压功能实现的关键，对应的升压流程如图2 所示。

图2 初级升压流程图

如图2 所示，气柜中的焦炉煤气在3 个罗茨风机的作用下升至24 kPa 后，再经过两台洗涤泵的作用进行洗涤、降温处理后进入气液分离器中。在初级升压工艺流程中涉及到开关量和模拟量的控制，对应的控制方案如下。

3.1 开关量的控制

在初级升压工艺流程中，开关量的控制主要包括对三台罗茨风机和两台洗涤泵启停的控制。以罗茨风机为例，其启停控制方案如图3 所示。

图3 罗茨风机启停控制方案

如图3 所示，三台罗茨风机启停控制的依据为流量控制器FC-12100 所采集的电流值。在前期对流量控制器标定的基础上，罗茨风机启停控制方案如下：当所采集的电流值在4.0～10.4 mA 之间时，说明焦炉煤气流量较小，此时仅启动罗茨风机C；当所采集的电流值在10.4～15.2 mA 时，说明焦炉煤气的流量中等，此时启动罗茨风机B 和C；当所采集的电流值在15.2～20.0 mA 之间时，说明焦炉煤气的流量较大，此时启动罗茨风机A、B 和C。

3.2 模拟量的控制

经初级升压后焦炉煤气进入变温吸附装置中，为了保证进入变温吸附装置的负荷可以调节，在初级升压系统中的气液分离器前端设置了回流管，并通过回流管中端的调节阀对气体流量进行控制，控制依据为安装在调节阀前端的控制器，对应的控制框图如图4所示。

图4 气液分离器出口压力控制框图

4 结语

焦炉煤气为煤炭焦化过程中副产品之一，原料焦炉煤气需要经过一系列的处理后才能够被应用于加热、提出氢气、发电以及生产甲醇等领域。但是，将焦炉煤气应用于制备液化天然气为其最有价值的应用方向，其中涉及到的工序包括预处理、分离净化、深冷液化等。预处理环节为液化天然气制备的初级工序，该工序的控制效果将直接决定后续工艺的效果。本文结合实践生产针对预处理工序中的气柜和初级升压系统的控制方案进行设计。

1）气柜为保证焦炉煤气稳定输出的关键装置，为进一步提升气柜装置运行的安全性，在联锁控制的基础上设计了紧急停车控制系统，极大提升了气柜装置运行的安全性，保证了焦炉煤气输出的稳定性。

2）在初级升压系统中，根据管路中焦炉煤气的流量对罗茨风机设计了控制方案，并基于PID 控制策略实现对后续变温吸附装置压力的稳定控制。