基于PLC控制的尿素水解制氨系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘要：隨著社會(huì)科技的快速發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，國(guó)家對(duì)火電廠等行業(yè)的煙氣脫硝效率要求越來(lái)越高。某公司現(xiàn)有的SCR脫硝系統(tǒng)采用液氨蒸發(fā)成氨氣作為脫硝還原劑，需要定期購(gòu)買液氨以保證脫硝效率，而液氨的長(zhǎng)途運(yùn)輸和儲(chǔ)存對(duì)社會(huì)構(gòu)成重大安全威脅。為避免液氨在運(yùn)輸和儲(chǔ)存中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，需要將SCR脫硝劑由液氨改為尿素，通過(guò)PLC控制的尿素水解技術(shù)，使得產(chǎn)生氨氣的過(guò)程更安全、更高效，以滿足設(shè)備脫硝效率要求，同時(shí)達(dá)到NOx排放濃度的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)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(guò)吸入、攝入或皮膚接觸等途徑進(jìn)入人體，引起中毒反應(yīng)。其原因是液氨在空氣中能夠迅速揮發(fā)成氣態(tài)，被呼吸道吸入后進(jìn)入血液循環(huán)，影響肺部和其他器官的正常功能。中毒表現(xiàn)包括頭暈、惡心、呼吸困難、中樞神經(jīng)系統(tǒng)抑制等癥狀，嚴(yán)重情況下甚至可導(dǎo)致昏迷和死亡。

（二）脫硝還原劑液氨制氨升級(jí)改造必要性

液態(tài)氨是一種危險(xiǎn)的有毒物質(zhì)，因此，在液氨運(yùn)輸和儲(chǔ)存中不容許存在重大安全隱患。近年來(lái)，隨著相關(guān)危險(xiǎn)化學(xué)品安全治理方案的出臺(tái)，國(guó)家對(duì)火電廠液氨區(qū)域重大危險(xiǎn)源管控的要求不斷提高，相關(guān)企業(yè)積極開(kāi)展液氨儲(chǔ)罐區(qū)域重大危險(xiǎn)源治理，加快推進(jìn)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(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

將脫硝還原劑由液氨改為尿素是一種相對(duì)安全可靠的方案，并且符合國(guó)家對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的整治要求。

二、尿素水解制氨技術(shù)

（一）液氨運(yùn)輸和儲(chǔ)存現(xiàn)狀

珠海經(jīng)濟(jì)特區(qū)某發(fā)電公司（以下簡(jiǎn)稱“某公司”）2×700mW機(jī)組于2000年和2001年相繼投產(chǎn)，2臺(tái)機(jī)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(shè)計(jì)脫硝效率不低于80%（進(jìn)口NOx濃度為350mg/m3），目前按超低排放標(biāo)準(zhǔn)控制NOx排放濃度不高于50mg/m3。

2臺(tái)機(jī)組共同使用一套液氨儲(chǔ)存、氨氣制備與供應(yīng)系統(tǒng)。氨區(qū)設(shè)置2臺(tái)容積為80m3的液氨儲(chǔ)罐，按氨罐最大充填量85%考慮，2臺(tái)液氨儲(chǔ)罐全部裝填后，氨區(qū)液氨儲(chǔ)存量約80t。根據(jù)《重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》（GB 18218–2018）規(guī)定，生產(chǎn)場(chǎng)所儲(chǔ)存的液氨量超過(guò)10t時(shí)，屬于重大危險(xiǎn)源。公司廠區(qū)位于高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)，北側(cè)緊鄰金灣發(fā)電廠，氨區(qū)距周邊海重鋼管廠、粵裕豐鋼鐵廠直線距離僅約1km。氨區(qū)儲(chǔ)存液氨量較大，如發(fā)生泄漏可能造成嚴(yán)重安全事故。

（二）工藝特征

尿素（CH4N2O）是一種無(wú)毒無(wú)味的白色晶體，是在廣泛使用的合成有機(jī)體，其物理、化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，主要用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)運(yùn)輸，儲(chǔ)存和管理是相對(duì)安全的。從目前形勢(shì)來(lái)看，當(dāng)電站位于人口稠密地區(qū)或廠房地面狹窄時(shí)，難以確保在安全距離內(nèi)儲(chǔ)存危險(xiǎn)貨物，或購(gòu)買和運(yùn)輸液氨非常困難，因此，尿氨生產(chǎn)系統(tǒng)比液氨生產(chǎn)系統(tǒng)更為復(fù)雜。尿氨系統(tǒng)的投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高于液氨系統(tǒng)，但其最大的優(yōu)點(diǎn)是安全性高。尿氨生產(chǎn)的原理是在一定溫度下尿液溶液發(fā)生分解反應(yīng)，結(jié)果氣體中含有CO2和H2OnNH3。尿酸水解用氨的典型生產(chǎn)系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。用于尿素水解的氨生產(chǎn)系統(tǒng)的主要設(shè)備是尿素溶液罐、尿素溶液泵、尿素溶液儲(chǔ)罐、尿素溶液運(yùn)輸泵和尿液水解反應(yīng)器。其生產(chǎn)過(guò)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%，溫度為140°C～170°C。水解反應(yīng)器中形成的含氨氣體進(jìn)入SCR區(qū)。

（三）尿素水解制氨反應(yīng)原理

首先尿素和水反應(yīng)生成氨基甲酸銨中間體。

NH2CONH2+H2O←→NH2CO2NH4

氨基甲酸銨再在反應(yīng)中進(jìn)一步分解為氨：

NH2CO2NH4←→2NH3+CO2

尿素水解制氨的總反應(yīng)方程式：

NH2CONH2+（1+x）H2O←→2NH3+CO2+（x）H2O

尿素對(duì)氨水解的總反應(yīng)是吸收熱量的反應(yīng)，其反應(yīng)速率可能過(guò)溫度的函數(shù)來(lái)表現(xiàn)。該反應(yīng)用于通過(guò)蒸汽盤或電加熱元件加熱反應(yīng)液體，但須確定溫度和壓力。尿素水解轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shí)，氨中的水解反應(yīng)非常緩慢。尿素對(duì)氨生產(chǎn)的水解反應(yīng)可通過(guò)調(diào)節(jié)水解器的熱量來(lái)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(yīng)或電加熱反應(yīng)，通過(guò)熱入口進(jìn)行控制，并在135°C～159°C范圍內(nèi)進(jìn)行水解。水解氨生產(chǎn)系統(tǒng)尿素用于使用尿素溶液的50%，水從發(fā)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(diào)節(jié)，溶液更容易滑入氣相。反應(yīng)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(chǎn)物含有約28.3%氨，36.7% CO2和35%水蒸氣，當(dāng)溫度降低時(shí)，該氣體混合物容易凝結(jié)成晶體，具有很強(qiáng)的腐蝕性，加劇了腐蝕速率。如果溫度進(jìn)一步降低到70°C以下，凝析油形成固體氨基甲酸鈣會(huì)堵塞管道，影響產(chǎn)品氣體管道中加熱的伴隨性。尿液水解系統(tǒng)采用通用系統(tǒng)布置，這是一個(gè)用于同時(shí)向多個(gè)爐子供應(yīng)氨的水解系統(tǒng)，水解器通常集中在尿素溶液車間，在發(fā)生事故時(shí)，可打開(kāi)水解器排放閥，將尿素溶液放回罐中。這一過(guò)程不產(chǎn)生任何操作風(fēng)險(xiǎn)，在維護(hù)、安全和經(jīng)濟(jì)效益方面優(yōu)于通用系統(tǒng)。

三、尿素水解制氨系統(tǒng)由以下設(shè)備和模塊組成

（一）尿素溶液制備模塊

裝載符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)尿素溶液，通過(guò)尿素溶液循環(huán)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?yàn)槟蛩厝芤褐苽溥^(guò)程是一種吸熱反應(yīng)， 尿素溶液制備模塊在溶劑罐中含有發(fā)出熱量的蒸汽盤。為了防止結(jié)晶，應(yīng)使尿素溶液處于低溫狀態(tài)。

（二）尿素溶液儲(chǔ)存及輸送模塊

水解器的尿素罐容量旨在滿足5～7天內(nèi)相應(yīng)安裝所需的利尿劑溶液量。每個(gè)水解器給料泵模塊包括兩個(gè)100%備用泵。模塊化泵包括自動(dòng)控制的截止閥（PLC控制），負(fù)責(zé)吹掃管道和放空管道，使凈化后的泵在停機(jī)時(shí)可以沖洗。

（三）水解器模塊

氨水解尿液模塊可以滿足相應(yīng)SCR裝置100%的最大氨需求。水解反應(yīng)器設(shè)計(jì)溫度為190°C，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa。該裝置通過(guò)氣相、液體泄漏、安全閥、防爆板和其他措施來(lái)保護(hù)設(shè)備免受過(guò)壓，防止尿素溶液和模塊產(chǎn)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(chǎn)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(diào)節(jié)模塊

提供一組用于調(diào)節(jié)氨流量的模塊（包括兩個(gè)控制模塊），每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)于一個(gè)控制模塊。每個(gè)控制單元都配有氨流量計(jì)和流量控制閥。每個(gè)氨流量控制模塊獨(dú)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(shí)應(yīng)進(jìn)行蒸汽吹掃，吹掃蒸汽溫度應(yīng)低于200°C，壓力應(yīng)小于2.0MPa。水解液和氨流量控制模塊之間的氨加熱溫度調(diào)節(jié)到140°C～190°C，加熱溫度過(guò)高，可能損壞氨流量控制模塊上的閥門儀表；溫度過(guò)低，可能導(dǎo)致晶體附著在氨管線上，造成管道循環(huán)通道狹窄或管道堵塞，特殊惡劣條件可能導(dǎo)致管道腐蝕加劇。

四、基于PLC控制的尿素水解制氨系統(tǒng)

（一）基于PLC控制的硬件狀態(tài)

尿素溶液和氨控制系統(tǒng)將作為子系統(tǒng)集成到輔助網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，操作站將安裝在現(xiàn)場(chǎng)。尿素生產(chǎn)系統(tǒng)的PLC控制范圍包括尿素儲(chǔ)存和溶解系統(tǒng)和尿素水解反應(yīng)系統(tǒng)。所有設(shè)備均可通過(guò)中央控制點(diǎn)的OPS輔助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)通用控制、監(jiān)控和通訊功能，完全滿足系統(tǒng)功能管理的要求。新的氨回注系統(tǒng)控制系統(tǒng)已集成到原始DCS系統(tǒng)中。為了確保系統(tǒng)的可靠性、釋放擴(kuò)展空間，控制柜中每個(gè)I/O點(diǎn)的15%通道在正式運(yùn)行后仍處于待機(jī)狀態(tài)。每個(gè)機(jī)柜應(yīng)有15%的模塊化插槽用于備份?？刂乒裰锌刂破鞯呢?fù)荷水平不超過(guò)30%，工作站的可調(diào)余量在60%以上，節(jié)點(diǎn)通信利用率不超過(guò)30%。PLC系統(tǒng)應(yīng)具有冗余處理器控制站，并使用兩個(gè)電源，其中一個(gè)是UPS。兩種電源應(yīng)具有無(wú)干擾的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。尿氨控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)使用以太網(wǎng)環(huán)。

（二）基于PLC控制的水解器系統(tǒng)控制

這種邏輯提供了兩種控制模式，可用于水解器系統(tǒng)的操作，即自動(dòng)和半自動(dòng)。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(dú)立啟動(dòng)和運(yùn)行。

1.自動(dòng)控制操作模式

當(dāng)操作員按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，PLC將自動(dòng)完成水解，直到氨準(zhǔn)備好噴霧并保持在該狀態(tài)，全程無(wú)需操作員干預(yù)。當(dāng)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(shí)，操作員按下氨噴射按鈕，使氨噴射液進(jìn)入氨噴射模式，并在OPS上顯示每次操作的狀態(tài)。

2.半自動(dòng)控制操作模式

在半自動(dòng)模式下，在每個(gè)狀態(tài)的末端按下加氫器。操作員必須按下按鈕來(lái)控制OPS并將邏輯傳輸?shù)较乱粋€(gè)邏輯狀態(tài)。例如，操作員必須按下退出按鈕才能使PLC進(jìn)入包裝狀態(tài)。當(dāng)OPS顯示包裝狀態(tài)時(shí)，包裝將暫停，直到操作員按下預(yù)熱按鈕，加熱循環(huán)持續(xù)約40分鐘。當(dāng)OPS指示預(yù)加熱狀態(tài)時(shí)，PLC自動(dòng)切換到氨制備狀態(tài)進(jìn)行噴霧，并維持該狀態(tài)；當(dāng)OPS指示氨可以噴霧并從控制器接收氨授權(quán)命令時(shí)，操作員按下氨按鈕，使氨水解液進(jìn)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(zhǔn)備氨注射”，系統(tǒng)將進(jìn)入氨注射模式。

當(dāng)水解器停止時(shí)，操作員可以按“正常停止”按鈕正常關(guān)閉，或按“緊急停止”按鈕正常關(guān)閉。如果超過(guò)某些關(guān)鍵安全限制，水解器將自動(dòng)啟動(dòng)緊急關(guān)閉。

當(dāng)水解器停止時(shí)，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(guān)閉。當(dāng)超過(guò)某些關(guān)鍵安全限制時(shí)，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)緊急關(guān)機(jī)。

在手動(dòng)模式下，水解器系統(tǒng)中的所有閥門都可以手動(dòng)調(diào)節(jié)以便于機(jī)器隨時(shí)運(yùn)行，前提是當(dāng)前工作條件完全符合工作要求。

（三）基于PLC控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

某公司的尿素水解制氨系統(tǒng)就地設(shè)有1臺(tái)操作員站，可方便運(yùn)行人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)操作。

系統(tǒng)配置了雙CPU冗余系統(tǒng)，當(dāng)主CPU出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)無(wú)擾切換至備用CPU，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。同時(shí)配置了雙電源切換裝置，當(dāng)其中一路電源失去時(shí)，此裝置能夠無(wú)擾切換至備用電源，不會(huì)造成系統(tǒng)因電源失去無(wú)法控制，以此保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過(guò)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)接入輔網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)任意一路環(huán)網(wǎng)通訊出現(xiàn)中斷故障時(shí)，整個(gè)環(huán)網(wǎng)依舊保持通訊的暢通，確保了尿素水解制氨系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊的穩(wěn)定性。

在原有的C/S服務(wù)器架構(gòu)中加入尿素水解制氨系統(tǒng)，使得上位監(jiān)控畫面的修改更為便利。運(yùn)行人員能夠第一時(shí)間接收到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的報(bào)警信息，不用去到現(xiàn)場(chǎng)就可以遠(yuǎn)程操控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并且可以直觀地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息，從而確保運(yùn)行人員的人身安全，也能提高運(yùn)行人員的工作效率。

五、結(jié)語(yǔ)

PLC控制的尿素水解制氨技術(shù)，可以有效消除現(xiàn)有SCR液氨脫硝系統(tǒng)中的氨區(qū)屬于重大危險(xiǎn)源這一事故隱患，而且該技術(shù)符合國(guó)家、行業(yè)相關(guān)政策法規(guī)的要求，避免了液氨運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。尿素水解制氨技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括農(nóng)業(yè)、化工、環(huán)保等，并且具有較高的安全性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，能夠節(jié)約運(yùn)行成本。

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作者簡(jiǎn)介：李彥維（1989），女，河北省保定市人，本科，熱能動(dòng)力工程中級(jí)工程師，研究方向?yàn)镻LC控制的電廠輔控設(shè)備應(yīng)用。