先進控制技術(shù)在煤制氫裝置中的應(yīng)用獲獎科研報告摘

要：由于氫能量的轉(zhuǎn)換產(chǎn)物只有水，所以氫作為一種新型能源可實現(xiàn)零污染排放，氫能的制備和利用已引起各國的廣泛重視。煤制氫裝置是現(xiàn)階段大量獲得氫氣（H2）的主要方式。煤制氫屬于煤制氣的一種，是通過煤炭與水混合后在純氧的條件下燃燒反應(yīng)最終制取氫氣。文章對先進控制技術(shù)在煤制氫裝置中的應(yīng)用進行了研究。

關(guān)鍵詞：先進控制技術(shù);煤制氫裝置;應(yīng)用

氫氣用途廣泛，不僅可以作為高能燃料、保護氣、石化工業(yè)原料、冶金工業(yè)還原劑，及金屬高溫加工過程中的保護氣等，還可以作為氣象觀測中氣球的填充氣，分析測試中的標(biāo)準(zhǔn)氣等。氫的另一個重要用途是對人造黃油、食用油、洗發(fā)精、潤滑劑、家用清潔劑及其它產(chǎn)品中的脂肪氫化。液氫還可用于火箭燃料和航天器的推進劑，也可用于低溫材料性能試驗及超導(dǎo)研究。

一、煤制氫工藝原理

理論上的煤制氫工藝主要有2種：外熱式工藝和自供熱工藝。

外供熱工藝是靠外部提供熱量來實現(xiàn)煤的氣化反應(yīng)，該方法不需要氧氣參與，主要煤和水蒸氣的反應(yīng)，產(chǎn)生氣體主要是H2和CO，CO通過之后的變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氫氣。該氣化方法由于不需要燃燒掉一部分煤來供熱，提高了煤炭向目的氣體的轉(zhuǎn)化率，同時，由于過程不需要氧氣，使復(fù)雜的工藝得以簡化，產(chǎn)生氣化量也大大減少，提高了單位時間和空間下氫氣的產(chǎn)量。該工藝的關(guān)鍵是如何有效地供給反應(yīng)體系需要的熱量，使反應(yīng)能夠順利進行，這樣該工藝才可能實現(xiàn)工業(yè)化，由于很多工程問題無法得到解決，目前還無法實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化。

自供熱工藝是通過燃燒一部分煤放出熱量，供給反應(yīng)體系來實現(xiàn)煤的氣化反應(yīng)，這種氣化方法的不足之處是要燃燒掉一部分煤，這部分煤約占總煤量的1/4，從而降低了目的產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率;同時還要通入大量的氧氣，不但使工藝變得復(fù)雜，而且產(chǎn)生了大量CO2氣體，增大了氣體處理量，其優(yōu)點是工藝條件成熟，易于生產(chǎn)控制，目前的大多數(shù)氣化方式都是采用這種方法。

在煤制氫工藝中，很多學(xué)者將氣化和變換分割開來，這樣不利于生產(chǎn)成本控制和工藝條件優(yōu)化，從整體成本控制來講，氣化和變換是密不可分的一個整體。

煤制氫的主要反應(yīng)包括：與水有關(guān)的反應(yīng)，與氧有關(guān)的反應(yīng)和消耗氫的反應(yīng)。

二、先進控制技術(shù)

1多變量預(yù)測控制技術(shù)

本裝置的先進控制系統(tǒng)采用浙江中控自主研發(fā)的、以模型預(yù)測控制算法為核心的APC-Suite軟件，并結(jié)合多重控制約束條件的先進控制技術(shù)進行實施。多變量預(yù)測控制算法利用歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測模型預(yù)測系統(tǒng)未來的輸出，并按照設(shè)定的性能指標(biāo)函數(shù)滾動優(yōu)化，計算出一系列的控制輸出軌跡，可對具有大時滯、強耦合等控制特點的被控對象進行有效控制。該算法利用當(dāng)前實際值與模型計算值的比較偏差來修正預(yù)測值，能克服擾動和模型失配引起的偏差;在約束范圍內(nèi)通過對預(yù)定的性能指標(biāo)進行滾動優(yōu)化，可計算出系統(tǒng)將來的控制作用。

2專家控制策略

煤制氫裝置不同于常規(guī)的精餾裝置，很多被控對象無法確定精確的數(shù)學(xué)模型，受控對象具有復(fù)雜性、非線性和不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用于流程工業(yè)控制的專家控制系統(tǒng)可以引入專家系統(tǒng)的思想、體現(xiàn)先進控制系統(tǒng)的主要特性，能把數(shù)學(xué)算法和控制工程師的操作經(jīng)驗融合，最大限度地利用已有知識，達到傳統(tǒng)控制方式難以取得的控制效果。專家控制系統(tǒng)是基于知識的智能控制系統(tǒng)，往往帶有模糊性、不確定性和不完全性。與傳統(tǒng)控制相比，專家控制可以更多地利用先驗知識和在線信息、更注重實時推理和決策能力，能夠取代熟練操作工人完成程序性任務(wù)，響應(yīng)時間足夠快，滿足系統(tǒng)控制的實時需要，運行方便可靠。專家控制系統(tǒng)特別適合操作環(huán)境頻繁或劇烈變化、在有限時間間隔內(nèi)必須作出決策、需要專家經(jīng)驗或采用符號邏輯解決問題的場合，尤其是典型的煤化工裝置。

三、措施與對策

1造氣和變換工藝指標(biāo)

目前，煤制氫的設(shè)計和生產(chǎn)還存在一些誤區(qū)，對于煤制氫造氣和城市煤氣造氣的理念區(qū)分不是很清楚。因此，很多煤制氫工藝指標(biāo)沒有實現(xiàn)更好的優(yōu)化，由于煤制氫造氣和變換的共同目的是最終獲得更多的H2，因此可以統(tǒng)籌考慮，使得煤制氫在技術(shù)和經(jīng)濟方面都能實現(xiàn)更好的優(yōu)化。

2相關(guān)工藝參數(shù)的建立和修正

2.1原料煤質(zhì)量指標(biāo)的修正

由于熱容量很大，如果水分含量大，在造氣之前，原料煤在造氣爐中要消耗大量的熱值來實現(xiàn)自身干燥，這樣會造成煤耗偏高，如果能夠利用裝置的余熱對原料煤進行適當(dāng)?shù)母稍铮瑢档兔禾肯氖鞘钟欣?，目前，國?nèi)很多煤制氫裝置雖然設(shè)計上有干燥流程，但大多數(shù)都處于閑置狀態(tài)，原因就是對水含量影響煤耗的認(rèn)識不足。

目前，在國內(nèi)煤制氫裝置的設(shè)計中，沒有原料煤的重金屬含量指標(biāo)要求，由于重金屬含量高的煤，在造氣過程中更容易發(fā)生消耗氫的反應(yīng)，如鐵、鎳、銅、釩等，這些重金屬的化合物在高溫下充當(dāng)了加氫反應(yīng)催化劑的角色，使得一部分氫氣在高溫下轉(zhuǎn)化成了甲烷，如果制氫裝置能夠使用重金屬含量低一些的煤，對降低煤耗是非常有利的，建立重金屬含量控制指標(biāo)是未來煤制氫裝置的發(fā)展方向。

2.2造氣技術(shù)指標(biāo)的修正

（1）原料煤消耗指標(biāo)的建立

以生產(chǎn)1m3的H2所消耗的干煤炭量是裝置操作考核的的重要指標(biāo)，這也是所有企業(yè)經(jīng)營者都關(guān)心的指標(biāo)，但大多數(shù)煤制氫的操作規(guī)程中都沒有這一項指標(biāo)要求，原因是煤消耗受原料煤質(zhì)量和批次的影響比較大;技術(shù)出讓方為了保證裝置的順利驗收而故意隱瞞。

（2）有效氣含量指標(biāo)的修訂

大多數(shù)煤制氫裝置有效氣含量的指標(biāo)是以H2+CO來衡量，如恩德爐的有效氣含量指標(biāo)要求H2+CO≥68%，看似科學(xué)，但經(jīng)過仔細推敲，發(fā)現(xiàn)確實不夠?qū)I(yè)，原因是在后面的變換中，實際生產(chǎn)中CO變換成H2的效率大約75%—80%，H2+CO不能夠科學(xué)地反映煤制氫裝置的工作狀況，應(yīng)該對CO含量的有效性進行適當(dāng)?shù)男拚?。建議以“H2+0.8CO≥”來考核裝置的即時運行狀況，因為制氫裝置的最終目標(biāo)產(chǎn)品是純H2。

H2+CO指標(biāo)的長期使用，反映了國內(nèi)在造氣和變換在設(shè)計理念上是嚴(yán)重脫節(jié)的，修改這一指標(biāo)是裝置設(shè)計與操作優(yōu)化的必然結(jié)果，也是裝置設(shè)計和優(yōu)化的發(fā)展方向。

結(jié)論

（1）將煤制氫的反應(yīng)與水有關(guān)的反應(yīng)、與氧有關(guān)的反應(yīng)和消耗氫的反應(yīng)，表達的更直觀，有利于指導(dǎo)設(shè)計與生產(chǎn)的優(yōu)化。

（2）增加煤耗