基于PLC控制的尿素水解制氨系统应用研究

摘要：随着社会科技的快速发展和环保要求的不断提高，国家对火电厂等行业的烟气脱硝效率要求越来越高。某公司现有的SCR脱硝系统采用液氨蒸发成氨气作为脱硝还原剂，需要定期购买液氨以保证脱硝效率，而液氨的长途运输和储存对社会构成重大安全威胁。为避免液氨在运输和储存中存在的安全风险，需要将SCR脱硝剂由液氨改为尿素，通过PLC控制的尿素水解技术，使得产生氨气的过程更安全、更高效，以满足设备脱硝效率要求，同时达到NOx排放浓度的环保标准。

关键词：PLC；液氨；脱硝；尿素

DOI：10.12433/zgkjtz.20233648

一、液氨概述

（一）液氨的危害

液氨能够通过吸入、摄入或皮肤接触等途径进入人体，引起中毒反应。其原因是液氨在空气中能够迅速挥发成气态，被呼吸道吸入后进入血液循环，影响肺部和其他器官的正常功能。中毒表现包括头晕、恶心、呼吸困难、中枢神经系统抑制等症状，严重情况下甚至可导致昏迷和死亡。

（二）脱硝还原剂液氨制氨升级改造必要性

液态氨是一种危险的有毒物质，因此，在液氨运输和储存中不容许存在重大安全隐患。近年来，随着相关危险化学品安全治理方案的出台，国家对火电厂液氨区域重大危险源管控的要求不断提高，相关企业积极开展液氨储罐区域重大危险源治理，加快推进以尿素水解制氨方法替代脱硝还原剂制氨，提高脱硝制备系统运行的安全性和稳定性。

将脱硝还原剂由液氨改为尿素是一种相对安全可靠的方案，并且符合国家对危险化学品的整治要求。

二、尿素水解制氨技术

（一）液氨运输和储存现状

珠海经济特区某发电公司（以下简称“某公司”）2×700mW机组于2000年和2001年相继投产，2台机组于2013年先后完成了SCR烟气脱硝改造，采用液氨作为脱硝还原剂。脱硝催化剂按“2+1”模式布置，目前安装2层催化剂，SCR脱硝装置原设计脱硝效率不低于80%（进口NOx浓度为350mg/m3），目前按超低排放标准控制NOx排放浓度不高于50mg/m3。

2台机组共同使用一套液氨储存、氨气制备与供应系统。氨区设置2台容积为80m3的液氨储罐，按氨罐最大充填量85%考虑，2台液氨储罐全部装填后，氨区液氨储存量约80t。根据《重大危险源辨识》（GB 18218–2018）规定，生产场所储存的液氨量超过10t时，属于重大危险源。公司厂区位于高栏港经济区，北侧紧邻金湾发电厂，氨区距周边海重钢管厂、粤裕丰钢铁厂直线距离仅约1km。氨区储存液氨量较大，如发生泄漏可能造成严重安全事故。

（二）工艺特征

尿素（CH4N2O）是一种无毒无味的白色晶体，是在广泛使用的合成有机体，其物理、化学性质相对稳定，主要用于农业和工业运输，储存和管理是相对安全的。从目前形势来看，当电站位于人口稠密地区或厂房地面狭窄时，难以确保在安全距离内储存危险货物，或购买和运输液氨非常困难，因此，尿氨生产系统比液氨生产系统更为复杂。尿氨系统的投资和运营费用高于液氨系统，但其最大的优点是安全性高。尿氨生产的原理是在一定温度下尿液溶液发生分解反应，结果气体中含有CO2和H2OnNH3。尿酸水解用氨的典型生产系统，见图1。用于尿素水解的氨生产系统的主要设备是尿素溶液罐、尿素溶液泵、尿素溶液储罐、尿素溶液运输泵和尿液水解反应器。其生产过程主要为：将尿素颗粒加入溶解罐，并用水将其溶解在尿素溶液中，质量分数为40%～60%，温度为140°C～170°C。水解反应器中形成的含氨气体进入SCR区。

（三）尿素水解制氨反应原理

首先尿素和水反应生成氨基甲酸铵中间体。

NH2CONH2+H2O←→NH2CO2NH4

氨基甲酸铵再在反应中进一步分解为氨：

NH2CO2NH4←→2NH3+CO2

尿素水解制氨的总反应方程式：

NH2CONH2+（1+x）H2O←→2NH3+CO2+（x）H2O

尿素对氨水解的总反应是吸收热量的反应，其反应速率可能过温度的函数来表现。该反应用于通过蒸汽盘或电加热元件加热反应液体，但须确定温度和压力。尿素水解转化为氨的速率可用Aren?us方程表示：R=A*e

其中，A是指尿素在水中的摩尔浓度，E是指活化能。尿素的产量主要取决于水解器中尿素的浓度和水解器的温度。在温度低于115°C时，氨中的水解反应非常缓慢。尿素对氨生产的水解反应可通过调节水解器的热量来控制。尿素溶液水解可用于低压至中压蒸汽（0.7-1）的水解反应或电加热反应，通过热入口进行控制，并在135°C～159°C范围内进行水解。水解氨生产系统尿素用于使用尿素溶液的50%，水从发电厂脱盐，在正常操作条件下， 溶解的CO2和尿素溶液在水解液中接近平衡取决于氨和CO2的平衡比水更容易调节，溶液更容易滑入气相。反应溶液加富水，氨含量为2%～3%。为了提供尿素溶液的50%， 含氨水解产物含有约28.3%氨，36.7% CO2和35%水蒸气，当温度降低时，该气体混合物容易凝结成晶体，具有很强的腐蚀性，加剧了腐蚀速率。如果温度进一步降低到70°C以下，凝析油形成固体氨基甲酸钙会堵塞管道，影响产品气体管道中加热的伴随性。尿液水解系统采用通用系统布置，这是一个用于同时向多个炉子供应氨的水解系统，水解器通常集中在尿素溶液车间，在发生事故时，可打开水解器排放阀，将尿素溶液放回罐中。这一过程不产生任何操作风险，在维护、安全和经济效益方面优于通用系统。

三、尿素水解制氨系统由以下设备和模块组成

（一）尿素溶液制备模块

装载符合国际标准的工业尿素溶液，通过尿素溶液循环泵从溶解罐出口排入溶解尿素溶液罐，用于加速尿素颗粒在软水中的溶解。因为尿素溶液制备过程是一种吸热反应， 尿素溶液制备模块在溶剂罐中含有发出热量的蒸汽盘。为了防止结晶，应使尿素溶液处于低温状态。

（二）尿素溶液储存及输送模块

水解器的尿素罐容量旨在满足5～7天内相应安装所需的利尿剂溶液量。每个水解器给料泵模块包括两个100%备用泵。模块化泵包括自动控制的截止阀（PLC控制），负责吹扫管道和放空管道，使净化后的泵在停机时可以冲洗。

（三）水解器模块

氨水解尿液模块可以满足相应SCR装置100%的最大氨需求。水解反应器设计温度为190°C，设计压力为1.6MPa。该装置通过气相、液体泄漏、安全阀、防爆板和其他措施来保护设备免受过压，防止尿素溶液和模块产品被电气跟踪和阻塞。尿素溶液泄压排水管的加热温度保持在70°C，产品泄压管和气相的加热温度保持在140°C，尿素溶液供给管道的加热温度保持在30°C，尿素溶液的泄压管道、从气相到吸收装置的排水管道和压力泄漏管道都配有隔热和加热措施。

（四）氨气流量控制单元氨气流量调节模块

提供一组用于调节氨流量的模块（包括两个控制模块），每个模块对应于一个控制模块。每个控制单元都配有氨流量计和流量控制阀。每个氨流量控制模块独立控制从 DCS/PLC 输入氨的速度。氨模块的最高工作温度为190°C，最大工作压力为0.6MPa。氨流量控制模块在停止工作时应进行蒸汽吹扫，吹扫蒸汽温度应低于200°C，压力应小于2.0MPa。水解液和氨流量控制模块之间的氨加热温度调节到140°C～190°C，加热温度过高，可能损坏氨流量控制模块上的阀门仪表；温度过低，可能导致晶体附着在氨管线上，造成管道循环通道狭窄或管道堵塞，特殊恶劣条件可能导致管道腐蚀加剧。

四、基于PLC控制的尿素水解制氨系统

（一）基于PLC控制的硬件状态

尿素溶液和氨控制系统将作为子系统集成到辅助网络控制系统中，操作站将安装在现场。尿素生产系统的PLC控制范围包括尿素储存和溶解系统和尿素水解反应系统。所有设备均可通过中央控制点的OPS辅助网络进行管理，实现通用控制、监控和通讯功能，完全满足系统功能管理的要求。新的氨回注系统控制系统已集成到原始DCS系统中。为了确保系统的可靠性、释放扩展空间，控制柜中每个I/O点的15%通道在正式运行后仍处于待机状态。每个机柜应有15%的模块化插槽用于备份。控制柜中控制器的负荷水平不超过30%，工作站的可调余量在60%以上，节点通信利用率不超过30%。PLC系统应具有冗余处理器控制站，并使用两个电源，其中一个是UPS。两种电源应具有无干扰的自动开关。尿氨控制系统网络使用以太网环。

（二）基于PLC控制的水解器系统控制

这种逻辑提供了两种控制模式，可用于水解器系统的操作，即自动和半自动。使用OPS按钮可以选择不同的控制模式。液压油可以在两种模式下独立启动和运行。

1.自动控制操作模式

当操作员按下启动按钮时，PLC将自动完成水解，直到氨准备好喷雾并保持在该状态，全程无需操作员干预。当屏幕显示氨喷射分辨率并从控制器获得氨喷射分辨率命令时，操作员按下氨喷射按钮，使氨喷射液进入氨喷射模式，并在OPS上显示每次操作的状态。

2.半自动控制操作模式

在半自动模式下，在每个状态的末端按下加氢器。操作员必须按下按钮来控制OPS并将逻辑传输到下一个逻辑状态。例如，操作员必须按下退出按钮才能使PLC进入包装状态。当OPS显示包装状态时，包装将暂停，直到操作员按下预热按钮，加热循环持续约40分钟。当OPS指示预加热状态时，PLC自动切换到氨制备状态进行喷雾，并维持该状态；当OPS指示氨可以喷雾并从控制器接收氨授权命令时，操作员按下氨按钮，使氨水解液进入氨喷射模式。

在喷氨模式下，操作员可以按下氨注射按钮——“准备氨注射”，系统将进入氨注射模式。

当水解器停止时，操作员可以按“正常停止”按钮正常关闭，或按“紧急停止”按钮正常关闭。如果超过某些关键安全限制，水解器将自动启动紧急关闭。

当水解器停止时，操作人员可以按“正常停止”按钮或按“紧急停止”按钮，以便正常关闭。当超过某些关键安全限制时，会自动触发紧急关机。

在手动模式下，水解器系统中的所有阀门都可以手动调节以便于机器随时运行，前提是当前工作条件完全符合工作要求。

（三）基于PLC控制的技术优势

某公司的尿素水解制氨系统就地设有1台操作员站，可方便运行人员在现场进行系统操作。

系统配置了双CPU冗余系统，当主CPU出现故障时，系统将自动无扰切换至备用CPU，从而提高了系统运行的可靠性。同时配置了双电源切换装置，当其中一路电源失去时，此装置能够无扰切换至备用电源，不会造成系统因电源失去无法控制，以此保证系统的稳定性。

通过以太网环网接入辅网系统，当任意一路环网通讯出现中断故障时，整个环网依旧保持通讯的畅通，确保了尿素水解制氨系统网络通讯的稳定性。

在原有的C/S服务器架构中加入尿素水解制氨系统，使得上位监控画面的修改更为便利。运行人员能够第一时间接收到现场设备的报警信息，不用去到现场就可以远程操控现场设备，并且可以直观地监控现场设备的状态信息，从而确保运行人员的人身安全，也能提高运行人员的工作效率。

五、结语

PLC控制的尿素水解制氨技术，可以有效消除现有SCR液氨脱硝系统中的氨区属于重大危险源这一事故隐患，而且该技术符合国家、行业相关政策法规的要求，避免了液氨运输和储存过程中存在的安全风险。尿素水解制氨技术的应用领域广泛，包括农业、化工、环保等，并且具有较高的安全性和运行经济性，能够节约运行成本。

参考文献：

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[3]杨炜明，李二欣.脱硝系统尿素水解制氨工艺运行成本分析及优化设计[J].能源与节能，2020（01）：74-76.

作者简介：李彦维（1989），女，河北省保定市人，本科，热能动力工程中级工程师，研究方向为PLC控制的电厂辅控设备应用。