基于PLC控制的尿素水解制氨系統應用研究

摘要：隨著社會科技的快速發展和環保要求的不斷提高，國家對火電廠等行業的煙氣脫硝效率要求越來越高。某公司現有的SCR脫硝系統采用液氨蒸發成氨氣作為脫硝還原劑，需要定期購買液氨以保證脫硝效率，而液氨的長途運輸和儲存對社會構成重大安全威脅。為避免液氨在運輸和儲存中存在的安全風險，需要將SCR脫硝劑由液氨改為尿素，通過PLC控制的尿素水解技術，使得產生氨氣的過程更安全、更高效，以滿足設備脫硝效率要求，同時達到NOx排放濃度的環保標準。

關鍵詞：PLC；液氨；脫硝；尿素

DOI：10.12433/zgkjtz.20233648

一、液氨概述

（一）液氨的危害

液氨能夠通過吸入、攝入或皮膚接觸等途徑進入人體，引起中毒反應。其原因是液氨在空氣中能夠迅速揮發成氣態，被呼吸道吸入后進入血液循環，影響肺部和其他器官的正常功能。中毒表現包括頭暈、惡心、呼吸困難、中樞神經系統抑制等癥狀，嚴重情況下甚至可導致昏迷和死亡。

（二）脫硝還原劑液氨制氨升級改造必要性

液態氨是一種危險的有毒物質，因此，在液氨運輸和儲存中不容許存在重大安全隱患。近年來，隨著相關危險化學品安全治理方案的出臺，國家對火電廠液氨區域重大危險源管控的要求不斷提高，相關企業積極開展液氨儲罐區域重大危險源治理，加快推進以尿素水解制氨方法替代脫硝還原劑制氨，提高脫硝制備系統運行的安全性和穩定性。

將脫硝還原劑由液氨改為尿素是一種相對安全可靠的方案，并且符合國家對危險化學品的整治要求。

二、尿素水解制氨技術

（一）液氨運輸和儲存現狀

珠海經濟特區某發電公司（以下簡稱“某公司”）2×700mW機組于2000年和2001年相繼投產，2臺機組于2013年先后完成了SCR煙氣脫硝改造，采用液氨作為脫硝還原劑。脫硝催化劑按“2+1”模式布置，目前安裝2層催化劑，SCR脫硝裝置原設計脫硝效率不低于80%（進口NOx濃度為350mg/m3），目前按超低排放標準控制NOx排放濃度不高于50mg/m3。

2臺機組共同使用一套液氨儲存、氨氣制備與供應系統。氨區設置2臺容積為80m3的液氨儲罐，按氨罐最大充填量85%考慮，2臺液氨儲罐全部裝填后，氨區液氨儲存量約80t。根據《重大危險源辨識》（GB 18218–2018）規定，生產場所儲存的液氨量超過10t時，屬于重大危險源。公司廠區位于高欄港經濟區，北側緊鄰金灣發電廠，氨區距周邊海重鋼管廠、粵裕豐鋼鐵廠直線距離僅約1km。氨區儲存液氨量較大，如發生泄漏可能造成嚴重安全事故。

（二）工藝特征

尿素（CH4N2O）是一種無毒無味的白色晶體，是在廣泛使用的合成有機體，其物理、化學性質相對穩定，主要用于農業和工業運輸，儲存和管理是相對安全的。從目前形勢來看，當電站位于人口稠密地區或廠房地面狹窄時，難以確保在安全距離內儲存危險貨物，或購買和運輸液氨非常困難，因此，尿氨生產系統比液氨生產系統更為復雜。尿氨系統的投資和運營費用高于液氨系統，但其最大的優點是安全性高。尿氨生產的原理是在一定溫度下尿液溶液發生分解反應，結果氣體中含有CO2和H2OnNH3。尿酸水解用氨的典型生產系統，見圖1。用于尿素水解的氨生產系統的主要設備是尿素溶液罐、尿素溶液泵、尿素溶液儲罐、尿素溶液運輸泵和尿液水解反應器。其生產過程主要為：將尿素顆粒加入溶解罐，并用水將其溶解在尿素溶液中，質量分數為40%～60%，溫度為140°C～170°C。水解反應器中形成的含氨氣體進入SCR區。

（三）尿素水解制氨反應原理

首先尿素和水反應生成氨基甲酸銨中間體。

NH2CONH2+H2O←→NH2CO2NH4

氨基甲酸銨再在反應中進一步分解為氨：

NH2CO2NH4←→2NH3+CO2

尿素水解制氨的總反應方程式：

NH2CONH2+（1+x）H2O←→2NH3+CO2+（x）H2O

尿素對氨水解的總反應是吸收熱量的反應，其反應速率可能過溫度的函數來表現。該反應用于通過蒸汽盤或電加熱元件加熱反應液體，但須確定溫度和壓力。尿素水解轉化為氨的速率可用Aren?us方程表示：R=A*e

其中，A是指尿素在水中的摩爾濃度，E是指活化能。尿素的產量主要取決于水解器中尿素的濃度和水解器的溫度。在溫度低于115°C時，氨中的水解反應非常緩慢。尿素對氨生產的水解反應可通過調節水解器的熱量來控制。尿素溶液水解可用于低壓至中壓蒸汽（0.7-1）的水解反應或電加熱反應，通過熱入口進行控制，并在135°C～159°C范圍內進行水解。水解氨生產系統尿素用于使用尿素溶液的50%，水從發電廠脫鹽，在正常操作條件下， 溶解的CO2和尿素溶液在水解液中接近平衡取決于氨和CO2的平衡比水更容易調節，溶液更容易滑入氣相。反應溶液加富水，氨含量為2%～3%。為了提供尿素溶液的50%， 含氨水解產物含有約28.3%氨，36.7% CO2和35%水蒸氣，當溫度降低時，該氣體混合物容易凝結成晶體，具有很強的腐蝕性，加劇了腐蝕速率。如果溫度進一步降低到70°C以下，凝析油形成固體氨基甲酸鈣會堵塞管道，影響產品氣體管道中加熱的伴隨性。尿液水解系統采用通用系統布置，這是一個用于同時向多個爐子供應氨的水解系統，水解器通常集中在尿素溶液車間，在發生事故時，可打開水解器排放閥，將尿素溶液放回罐中。這一過程不產生任何操作風險，在維護、安全和經濟效益方面優于通用系統。

三、尿素水解制氨系統由以下設備和模塊組成

（一）尿素溶液制備模塊

裝載符合國際標準的工業尿素溶液，通過尿素溶液循環泵從溶解罐出口排入溶解尿素溶液罐，用于加速尿素顆粒在軟水中的溶解。因為尿素溶液制備過程是一種吸熱反應， 尿素溶液制備模塊在溶劑罐中含有發出熱量的蒸汽盤。為了防止結晶，應使尿素溶液處于低溫狀態。

（二）尿素溶液儲存及輸送模塊

水解器的尿素罐容量旨在滿足5～7天內相應安裝所需的利尿劑溶液量。每個水解器給料泵模塊包括兩個100%備用泵。模塊化泵包括自動控制的截止閥（PLC控制），負責吹掃管道和放空管道，使凈化后的泵在停機時可以沖洗。

（三）水解器模塊

氨水解尿液模塊可以滿足相應SCR裝置100%的最大氨需求。水解反應器設計溫度為190°C，設計壓力為1.6MPa。該裝置通過氣相、液體泄漏、安全閥、防爆板和其他措施來保護設備免受過壓，防止尿素溶液和模塊產品被電氣跟蹤和阻塞。尿素溶液泄壓排水管的加熱溫度保持在70°C，產品泄壓管和氣相的加熱溫度保持在140°C，尿素溶液供給管道的加熱溫度保持在30°C，尿素溶液的泄壓管道、從氣相到吸收裝置的排水管道和壓力泄漏管道都配有隔熱和加熱措施。

（四）氨氣流量控制單元氨氣流量調節模塊

提供一組用于調節氨流量的模塊（包括兩個控制模塊），每個模塊對應于一個控制模塊。每個控制單元都配有氨流量計和流量控制閥。每個氨流量控制模塊獨立控制從 DCS/PLC 輸入氨的速度。氨模塊的最高工作溫度為190°C，最大工作壓力為0.6MPa。氨流量控制模塊在停止工作時應進行蒸汽吹掃，吹掃蒸汽溫度應低于200°C，壓力應小于2.0MPa。水解液和氨流量控制模塊之間的氨加熱溫度調節到140°C～190°C，加熱溫度過高，可能損壞氨流量控制模塊上的閥門儀表；溫度過低，可能導致晶體附著在氨管線上，造成管道循環通道狹窄或管道堵塞，特殊惡劣條件可能導致管道腐蝕加劇。

四、基于PLC控制的尿素水解制氨系統

（一）基于PLC控制的硬件狀態

尿素溶液和氨控制系統將作為子系統集成到輔助網絡控制系統中，操作站將安裝在現場。尿素生產系統的PLC控制范圍包括尿素儲存和溶解系統和尿素水解反應系統。所有設備均可通過中央控制點的OPS輔助網絡進行管理，實現通用控制、監控和通訊功能，完全滿足系統功能管理的要求。新的氨回注系統控制系統已集成到原始DCS系統中。為了確保系統的可靠性、釋放擴展空間，控制柜中每個I/O點的15%通道在正式運行后仍處于待機狀態。每個機柜應有15%的模塊化插槽用于備份。控制柜中控制器的負荷水平不超過30%，工作站的可調余量在60%以上，節點通信利用率不超過30%。PLC系統應具有冗余處理器控制站，并使用兩個電源，其中一個是UPS。兩種電源應具有無干擾的自動開關。尿氨控制系統網絡使用以太網環。

（二）基于PLC控制的水解器系統控制

這種邏輯提供了兩種控制模式，可用于水解器系統的操作，即自動和半自動。使用OPS按鈕可以選擇不同的控制模式。液壓油可以在兩種模式下獨立啟動和運行。

1.自動控制操作模式

當操作員按下啟動按鈕時，PLC將自動完成水解，直到氨準備好噴霧并保持在該狀態，全程無需操作員干預。當屏幕顯示氨噴射分辨率并從控制器獲得氨噴射分辨率命令時，操作員按下氨噴射按鈕，使氨噴射液進入氨噴射模式，并在OPS上顯示每次操作的狀態。

2.半自動控制操作模式

在半自動模式下，在每個狀態的末端按下加氫器。操作員必須按下按鈕來控制OPS并將邏輯傳輸到下一個邏輯狀態。例如，操作員必須按下退出按鈕才能使PLC進入包裝狀態。當OPS顯示包裝狀態時，包裝將暫停，直到操作員按下預熱按鈕，加熱循環持續約40分鐘。當OPS指示預加熱狀態時，PLC自動切換到氨制備狀態進行噴霧，并維持該狀態；當OPS指示氨可以噴霧并從控制器接收氨授權命令時，操作員按下氨按鈕，使氨水解液進入氨噴射模式。

在噴氨模式下，操作員可以按下氨注射按鈕——“準備氨注射”，系統將進入氨注射模式。

當水解器停止時，操作員可以按“正常停止”按鈕正常關閉，或按“緊急停止”按鈕正常關閉。如果超過某些關鍵安全限制，水解器將自動啟動緊急關閉。

當水解器停止時，操作人員可以按“正常停止”按鈕或按“緊急停止”按鈕，以便正常關閉。當超過某些關鍵安全限制時，會自動觸發緊急關機。

在手動模式下，水解器系統中的所有閥門都可以手動調節以便于機器隨時運行，前提是當前工作條件完全符合工作要求。

（三）基于PLC控制的技術優勢

某公司的尿素水解制氨系統就地設有1臺操作員站，可方便運行人員在現場進行系統操作。

系統配置了雙CPU冗余系統，當主CPU出現故障時，系統將自動無擾切換至備用CPU，從而提高了系統運行的可靠性。同時配置了雙電源切換裝置，當其中一路電源失去時，此裝置能夠無擾切換至備用電源，不會造成系統因電源失去無法控制，以此保證系統的穩定性。

通過以太網環網接入輔網系統，當任意一路環網通訊出現中斷故障時，整個環網依舊保持通訊的暢通，確保了尿素水解制氨系統網絡通訊的穩定性。

在原有的C/S服務器架構中加入尿素水解制氨系統，使得上位監控畫面的修改更為便利。運行人員能夠第一時間接收到現場設備的報警信息，不用去到現場就可以遠程操控現場設備，并且可以直觀地監控現場設備的狀態信息，從而確保運行人員的人身安全，也能提高運行人員的工作效率。

五、結語

PLC控制的尿素水解制氨技術，可以有效消除現有SCR液氨脫硝系統中的氨區屬于重大危險源這一事故隱患，而且該技術符合國家、行業相關政策法規的要求，避免了液氨運輸和儲存過程中存在的安全風險。尿素水解制氨技術的應用領域廣泛，包括農業、化工、環保等，并且具有較高的安全性和運行經濟性，能夠節約運行成本。

參考文獻：

[1]孫立群，吳沖.煙氣脫硝用尿素水解制氨技術理論與實踐[J].潔凈煤技術，2020，26（06）：229-236.

[2]陳春峰，尤晨昱.尿素水解制氨裝置儀表選型及控制[J].工業儀表與自動化裝置，2020（01）：127-128.

[3]楊煒明，李二欣.脫硝系統尿素水解制氨工藝運行成本分析及優化設計[J].能源與節能，2020（01）：74-76.

作者簡介：李彥維（1989），女，河北省保定市人，本科，熱能動力工程中級工程師，研究方向為PLC控制的電廠輔控設備應用。