CN103979575A - 一种尿素溶液水解生产氨气的系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种尿素溶液水解生产氨气的系统，包括水解器、水解器温度计T1、水解器压力变送器P、水解器液位计L、尿素溶液调节阀A1、疏水换热器、蒸汽调节阀A2、水解气出口调节阀A3、蒸汽换热器、水解气出口温度计T2、水解气出口流量计F、蒸汽疏水阀和水解系统控制模块；水解器设有7个接口，分别连接上述件；水解系统控制模块通过线缆分别与水解器温度计T1、水解器压力变送器P、水解器液位计L、尿素溶液调节阀A1、蒸汽调节阀A2、水解气出口调节阀A3、水解气出口温度计T2和水解气出口流量计F连接；一种尿素溶液水解生产氨气的控制方法，有六大步骤。本发明简单可靠，控制方便。采用蒸汽作为水解系统的热源，降低了运行成本和能耗。

Description

一种尿素溶液水解生产氨气的系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种尿素溶液水解生产氨气的系统及其控制方法，它适用于为烟气脱硝装置提供脱硝还原剂(氨气)的制备系统和控制方法。属于环保技术领域的选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术。

背景技术

煤燃烧后产生的大气污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、烟尘(可吸入颗粒物)和作为温室气体的二氧化碳。由于燃煤排放和机动车排放的原因，我国的氮氧化物的污染已经非常严重。

近年来，随着环保要求的逐渐提高，为了降低排烟尾气中氮氧化物的排放量，许多行业(如电力、化工、钢铁、水泥、垃圾焚烧等)的锅炉和其他设备(如水泥窑、烧结机等)纷纷增设烟气脱硝装置。

目前选择性催化还原(SCR)烟气脱硝法，由于其效率高，性能稳定，广泛应用在国内外的工程中，成为排烟尾气脱除氮氧化物的主流技术。SCR脱硝系统是指在催化剂的作用下，通过向烟气中喷入氨气，将烟气中的氮氧化物还原成氮气和水，对环境不造成二次污染。为提供脱硝系统所需氨气，其来源共有液氨、氨水和尿素溶液三种，尿素溶液制氨法由于其安全性能好，尿素来源方便等原因，目前得到了广发的应用。

尿素溶液制备氨气有热解法和水解法两种，热解法在常压和高温(350～600℃)下，使得尿素溶液分解为氨气、水蒸气和二氧化碳。热解法由于介质温度高，因此能耗较大，且热解法必须每台锅炉单独配置热解系统，因此投资成本也较高。而水解法的操作条件为中压(0.4～1.0MPa)和中温(120～200℃)，在水解器内使得尿素溶液分解为氨气、水蒸气和二氧化碳。由于其操作温度较低，能耗较小，且可以使用成本较低的蒸汽作为加热热源，因此大大降低了运行成本。水解器的负荷调节范围较大，可以多台锅炉公用一台水解器，因而也大大降低了投资成本，具有广泛的应用前景。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种尿素溶液水解生产氨气的系统及其控制方法。进入系统的尿素溶液首先通过疏水换热器，利用蒸汽疏水的余热，将尿素溶液的温度由～40℃提升到～100℃，然后进入水解器。在水解器内，通过蒸汽加热，将尿素溶液的压力和温度提升至中压(0.4～1.0MPa)和中温(120～200℃)的水平，在此温度和压力下，尿素水解为氨气和二氧化碳，水同时也蒸发为水蒸气，排出水解器。排出水解器的水解气为饱和蒸汽，其组分包括氨气、水蒸气和二氧化碳。水解气首先通过调节阀，将压力降低至0.1～0.4MPa，然后通过蒸汽换热器，将水解气的温度提高30～50℃，以防止氨气逆反应生成尿素或缩二脲。然后作为脱硝还原剂，送往SCR脱硝系统。进入系统的过热蒸汽首先通过蒸汽换热器，加热水解气后，其温度降低至接近或达到饱和温度，然后送至水解器，用于向水解器提供热源。从水解器出来的蒸汽疏水则进入疏水换热器，利用疏水的余热，加热进口的尿素溶液。利用后的疏水排出系统，可储存起来，用于尿素溶液的配置。整套系统无二次污染的产生。

2、技术方案：为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：

(1)一种尿素溶液水解生产氨气的系统，其特征在于，它包括水解器、水解器温度计T1、水解器压力变送器P、水解器液位计L、尿素溶液调节阀A1、疏水换热器、蒸汽调节阀A2、水解气出口调节阀A3、蒸汽换热器、水解气出口温度计T2、水解气出口流量计F、蒸汽疏水阀和水解系统控制模块，见图1。它们之间的位置连接关系是：水解器设有7个接口，分别描述如下：

N1接口连接尿素溶液进口管道，用于向水解器提供原料——尿素溶液。尿素溶液进口管道上依次设有尿素溶液调节阀A1和疏水换热器。

N2接口连接水解气出口管道，用于向外输送氨气。水解气出口管道上依次设有水解气出口调节阀A3、蒸汽换热器、水解气出口温度计T2和水解气出口流量计F。

N3接口连接加热蒸汽进口管道，用于向水解器提供热源。蒸汽进口管道上依次设有蒸汽调节阀A2和蒸汽换热器。

N4接口连接蒸汽疏水出口管道，用于向外排出蒸汽疏水。蒸汽疏水出口管道上依次设有蒸汽疏水阀和疏水换热器。

N5接口连接水解器温度计T1，用于测量水解器内的运行温度。

N6接口连接水解器压力变送器P，用于测量水解器内的运行压力。

N7接口连接水解器液位计L，用于测量水解器内的运行液位。

水解系统控制模块则通过线缆分别与水解器温度计T1、水解器压力变送器P、水解器液位计L、尿素溶液调节阀A1、蒸汽调节阀A2、水解气出口调节阀A3、水解气出口温度计T2和水解气出口流量计F连接。同时水解系统控制模块与SCR脱硝控制系统通过通讯电缆连接，从SCR脱硝控制系统获取SCR脱硝系统所需氨气流量。

该水解器是BKU型釜式重沸器，热源采用饱和蒸汽，内部设有U型管束蒸汽加热管，蒸汽加热管的换热面积和水解器的总容积根据额定水解器的氨气生产量确定。

该蒸汽换热器是立式列管换热器，热源采用过热蒸汽，内部设有列管式蒸汽加热管，蒸汽加热管的换热面积根据水解气的额定流量和温升确定。过热蒸汽通过蒸汽换热器后，其设计参数达到或接近饱和蒸汽。

该疏水换热器是立式列管换热器，热源采用蒸汽疏水，内部设有列管式疏水加热管，疏水加热管的换热面积根据尿素溶液的额定流量和温升确定。

该尿素溶液调节阀A1、蒸汽调节阀A2和水解气出口调节阀A3均为防爆型气动或电动调节阀。

该水解器压力变送器P是防爆智能型压力变送器。

该水解器温度计T1和水解气出口温度计T2是防爆型PT100型铂热电阻(双支铠装)。

该水解器出口流量计F是防爆型科氏力质量流量计。

该水解器液位计L是防爆型两线制静压管式雷达液位计。

该蒸汽疏水阀是自由浮球式蒸汽疏水阀。

该水解系统控制模块采用PLC或者DCS控制系统。

(2)一种尿素溶液水解生产氨气的控制方法，该方法具体控制步骤为：

步骤一：通过调节尿素溶液调节阀A1的开度，调整进入水解器的尿素流量，从而控制水解器液位计L的示值稳定。如果水解器运行液位低于设定值，则增大尿素溶液调节阀A1的开度，从而增加尿素溶液的进入量；如果水解器运行液位高于设定值，则减小尿素溶液调节阀A1的开度，从而减少尿素溶液的进入量。

步骤二：通过调节蒸汽调节阀A2的开度，调整进入水解器的蒸汽流量，从而控制水解器温度计T1的示值稳定。如果水解器运行温度低于设定值，则增大蒸汽调节阀A2的开度，从而增加蒸汽的进入量；如果水解器运行温度高于设定值，则减小蒸汽调节阀A2的开度，从而减少蒸汽的进入量。

步骤三：水解气出口流量计F的设定值通过选择性催化还原(SCR)烟气脱硝控制系统获得。通过调节水解气出口调节阀A3的开度，获得选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统所需的氨气流量，即水解气的流量。如果水解气流量低于设定值，则增大水解气出口调节阀A3的开度，从而增加水解气流量；如果水解气流量高于设定值，则减小水解气出口调节阀A3的开度，从而减少水解气流量。

步骤四：水解器压力变送器P的示值是通过水解器温度计T1控制的。水解器内属于气液两相，运行压力即是运行温度下的饱和压力。运行过程中，随着水解器的氨气生产量变化，运行压力将会有一定的波动。如果运行压力明显低于饱和压力，则说明水解器有泄漏；如果运行压力明显高于饱和压力，则说明仪表测量有故障，如液位计故障等。因此当运行压力与理论饱和压力的偏差高于设定值，水解系统控制模块将提出报警，并要求水解器停车检修。

步骤五：蒸汽疏水的排放是蒸汽疏水阀自动实现的。通过蒸汽疏水阀，蒸汽冷凝水排出水解器外，而蒸汽则继续留在水解器内换热。

步骤六：水解系统对水解气出口温度计T2的测量值提供实时监测，要求出口水解气的过热度高于设定值(饱和温度即水解器运行温度)，当水解气的过热度低于设定值时，水解系统控制模块将提出报警。

其中，步骤一中所述的水解器运行液位的设定值为水解器最高液位的50％。

其中，步骤二中所述的水解器运行温度的设定值为120～200℃，所对应的饱和压力为0.4～1.0MPa。

其中，步骤三中所述的水解器出口流量的设定值从SCR脱硝控制系统获取。

其中，步骤四中所述的水解器运行压力与理论饱和压力的偏差设定值为0.2MPa。

其中，步骤六中所述的出口水解气过热度的设定值为30～50℃。

3、优点及功效：本发明系统简单可靠，控制灵活方便。由于采用蒸汽作为水解系统的热源，大大降低了运行成本。由于在水解气出口管线上增加了蒸汽换热器，一方面提高了水解气的温度，避免了水解气在长距离输送过程中，由于温度低于饱和温度而导致的氨气逆反应，生产尿素或缩二脲等物质，因此极大降低了后续管道及设备中的露点腐蚀风险。另一方面由于水解器需要使用饱和蒸汽，而过热蒸汽通过了蒸汽换热器后，其参数已经接近或达到饱和蒸汽，可直接进入水解器，避免了使用蒸汽减温减压器。同时由于在尿素溶液进口管线上增加了疏水换热器，提高了尿素溶液的进口温度，同时回收了疏水的余热，有利于提高能源的利用效率，降低了能耗。本发明无副产物产生，因此无二次污染。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图中符号说明如下：①、水解器；②、水解器温度计T1；③、水解器变送器P；④、水解器液位计L；⑤、尿素溶液调节阀A1；⑥、疏水换热器；⑦、蒸汽调节阀A2；⑧、水解气出口调节阀A3；⑨、蒸汽换热器；⑩、水解气出口温度计T2、⑾、水解气出口流量计F、⑿、蒸汽疏水阀；N1—N7接口为水解器设的7个管道接口位置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

(1)参看图1，一种尿素溶液水解生产氨气的系统，其特征在于，它包括水解器①、水解器温度计T1②、水解器压力变送器P③、水解器液位计L④、尿素溶液调节阀A1⑤、疏水换热器⑥、蒸汽调节阀A2⑦、水解气出口调节阀A3⑧、蒸汽换热器⑨、水解气出口温度计T2⑩、水解气出口流量计F⑾、蒸汽疏水阀⑿和水解系统控制模块。它们之间的位置连接关系是：水解器①设有7个接口，分别描述如下：

N1接口连接尿素溶液进口管道，用于向水解器①提供原料——尿素溶液。尿素溶液进口管道上依次设有尿素溶液调节阀A1⑤和疏水换热器⑥。

N2接口连接水解气出口管道，用于向外输送氨气。水解气出口管道上依次设有水解气出口调节阀A3⑧、蒸汽换热器⑨、水解气出口温度计T2⑩和水解气出口流量计F⑾。

N3接口连接加热蒸汽进口管道，用于向水解器①提供热源。蒸汽进口管道上依次设有蒸汽调节阀A2⑦和蒸汽换热器⑨。

N4接口连接蒸汽疏水出口管道，用于向外排出蒸汽疏水。蒸汽疏水出口管道上依次设有蒸汽疏水阀⑿和疏水换热器⑥。

N5接口连接水解器温度计T1②，用于测量水解器内的运行温度。

N6接口连接水解器压力变送器P③，用于测量水解器内的运行压力。

N7接口连接水解器液位计L④，用于测量水解器内的运行液位。

水解系统控制模块则通过线缆分别与水解器温度计T1②、水解器压力变送器P③、水解器液位计L④、尿素溶液调节阀A1⑤、蒸汽调节阀A2⑦、水解气出口调节阀A3⑧、水解气出口温度计T2⑩和水解气出口流量计F⑾连接。同时水解系统控制模块与SCR脱硝控制系统通过通讯电缆连接，从SCR脱硝控制系统获取SCR脱硝系统所需氨气流量。

该水解器①是BKU型釜式重沸器，热源采用饱和蒸汽，内部设有U型管束蒸汽加热管，蒸汽加热管的换热面积和水解器的总容积根据水解器①的氨气额定生产量确定。

该蒸汽换热器⑨是立式列管换热器，热源采用过热蒸汽，内部设有列管式蒸汽加热管，蒸汽加热管的换热面积根据水解气的额定流量和温升确定。过热蒸汽通过蒸汽换热器⑨后，其设计参数达到或接近饱和蒸汽。

该疏水换热器⑥是立式列管换热器，热源采用蒸汽疏水，内部设有列管式疏水加热管，疏水加热管的换热面积根据尿素溶液的额定流量和温升确定。

该尿素溶液调节阀A1⑤、蒸汽调节阀A2⑦和水解气出口调节阀A3⑧均为防爆型气动或电动调节阀。

该水解器压力变送器P③是防爆智能型压力变送器。

该水解器温度计T1②和水解气出口温度计T2⑩是防爆型PT100型铂热电阻(双支铠装)。

该水解器出口流量计F⑾是防爆型科氏力质量流量计。

该水解器液位计L④是防爆型两线制静压管式雷达液位计。

该蒸汽疏水阀⑿是自由浮球式蒸汽疏水阀。

该水解系统控制模块采用PLC或者DCS控制系统。

(2)一种尿素溶液水解生产氨气的控制方法，该方法具体控制步骤为：

步骤一：通过调节尿素溶液调节阀A1⑤的开度，调整进入水解器①的尿素流量，从而控制水解器液位计L④的示值稳定。如果水解器①运行液位低于设定值，则增大尿素溶液调节阀A1⑤的开度，从而增加尿素溶液的进入量；如果水解器①运行液位高于设定值，则减小尿素溶液调节阀A1⑤的开度，从而减少尿素溶液的进入量。

步骤二：通过调节蒸汽调节阀A2⑦的开度，调整进入水解器①的蒸汽流量，从而控制水解器温度计T1②的示值稳定。如果水解器①运行温度低于设定值，则增大蒸汽调节阀A2⑦的开度，从而增加蒸汽的进入量；如果水解器①运行温度高于设定值，则减小蒸汽调节阀A2⑦的开度，从而减少蒸汽的进入量。

步骤三：水解气出口流量计F⑾的设定值通过选择性催化还原(SCR)烟气脱硝控制系统获得。通过调节水解气出口调节阀A3⑧的开度，获得选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统所需的氨气流量，即水解气的流量。如果水解气流量低于设定值，则增大水解气出口调节阀A3⑧的开度，从而增加水解气流量；如果水解气流量高于设定值，则减小水解气出口调节阀A3⑧的开度，从而减少水解气流量。

步骤四：水解器压力变送器P③的示值是通过水解器温度计T1②控制的。水解器内属于气液两相，运行压力即是运行温度下的饱和压力。运行过程中，随着水解器①的氨气生产量变化，运行压力将会有一定的波动。如果运行压力明显低于饱和压力，则说明水解器①有泄漏；如果运行压力明显高于饱和压力，则说明仪表测量有故障，如液位计故障等。因此当运行压力与理论饱和压力的偏差高于设定值，水解系统控制模块将提出报警，并要求水解器①停车检修。

步骤五：蒸汽疏水的排放是蒸汽疏水阀⑿自动实现的。通过蒸汽疏水阀⑿，蒸汽冷凝水排出水解器①外，而蒸汽则继续留在水解器①内换热。

步骤六：水解系统对水解气出口温度计T2⑩的测量值提供实时监测，要求出口水解气的过热度高于设定值(饱和温度即水解器①运行温度)，当水解气的过热度低于设定值时，水解系统控制模块将提出报警。

其中，步骤一中所述的水解器①运行液位的设定值为水解器最高液位的50％。

其中，步骤二中所述的水解器①运行温度的设定值为120～200℃，所对应的饱和压力为0.4～1.0MPa。

其中，步骤三中所述的水解器①出口流量的设定值从SCR脱硝控制系统获取。

其中，步骤四中所述的水解器①运行压力与理论饱和压力的偏差设定值为0.2MPa。

其中，步骤六中所述的出口水解气过热度的设定值为30～50℃。

Claims (7)

1.一种尿素溶液水解生产氨气的系统，其特征在于：它包括水解器、水解器温度计T1、水解器压力变送器P、水解器液位计L、尿素溶液调节阀A1、疏水换热器、蒸汽调节阀A2、水解气出口调节阀A3、蒸汽换热器、水解气出口温度计T2、水解气出口流量计F、蒸汽疏水阀和水解系统控制模块；水解器设有7个接口，分别连接如下：

N1接口连接尿素溶液进口管道，用于向水解器提供原料——尿素溶液，尿素溶液进口管道上依次设有尿素溶液调节阀A1和疏水换热器；

N2接口连接水解气出口管道，用于向外输送氨气，水解气出口管道上依次设有水解气出口调节阀A3、蒸汽换热器、水解气出口温度计T2和水解气出口流量计F；

N3接口连接加热蒸汽进口管道，用于向水解器提供热源，蒸汽进口管道上依次设有蒸汽调节阀A2和蒸汽换热器；

N4接口连接蒸汽疏水出口管道，用于向外排出蒸汽疏水，蒸汽疏水出口管道上依次设有蒸汽疏水阀和疏水换热器；

N5接口连接水解器温度计T1，用于测量水解器内的运行温度；

N6接口连接水解器压力变送器P，用于测量水解器内的运行压力；

N7接口连接水解器液位计L，用于测量水解器内的运行液位；

水解系统控制模块则通过线缆分别与水解器温度计T1、水解器压力变送器P、水解器液位计L、尿素溶液调节阀A1、蒸汽调节阀A2、水解气出口调节阀A3、水解气出口温度计T2和水解气出口流量计F连接；同时水解系统控制模块与SCR脱硝控制系统通过通讯电缆连接，从SCR脱硝控制系统获取SCR脱硝系统所需氨气流量；

该水解器是釜式重沸器，热源采用饱和蒸汽，内部设有U型管束蒸汽加热管，蒸汽加热管的换热面积和水解器的总容积根据额定水解器的氨气生产量确定；

该蒸汽换热器是立式列管换热器，热源采用过热蒸汽，内部设有列管式蒸汽加热管，蒸汽加热管的换热面积根据水解气的额定流量和温升确定，过热蒸汽通过蒸汽换热器后，其设计参数达到或接近饱和蒸汽；

该疏水换热器是立式列管换热器，热源采用蒸汽疏水，内部设有列管式疏水加热管，疏水加热管的换热面积根据尿素溶液的额定流量和温升确定；

该尿素溶液调节阀A1、蒸汽调节阀A2和水解气出口调节阀A3均为防爆型气动或电动调节阀；

该水解器压力变送器P是防爆智能型压力变送器；

该水解器温度计T1和水解气出口温度计T2是防爆型铂热电阻；

该水解器出口流量计F是防爆型科氏力质量流量计；

该水解器液位计L是防爆型两线制静压管式雷达液位计；

该蒸汽疏水阀是自由浮球式蒸汽疏水阀；

该水解系统控制模块采用PLC或者DCS控制系统。

2.一种尿素溶液水解生产氨气的控制方法，其特征在于：该方法具体步骤为：

步骤一：通过调节尿素溶液调节阀A1的开度，调整进入水解器的尿素流量，从而控制水解器液位计L的示值稳定；如果水解器运行液位低于设定值，则增大尿素溶液调节阀A1的开度，从而增加尿素溶液的进入量；如果水解器运行液位高于设定值，则减小尿素溶液调节阀A1的开度，从而减少尿素溶液的进入量；

步骤二：通过调节蒸汽调节阀A2的开度，调整进入水解器的蒸汽流量，从而控制水解器温度计T1的示值稳定；如果水解器运行温度低于设定值，则增大蒸汽调节阀A2的开度，从而增加蒸汽的进入量；如果水解器运行温度高于设定值，则减小蒸汽调节阀A2的开度，从而减少蒸汽的进入量；

步骤三：水解气出口流量计F的设定值通过选择性催化还原SCR烟气脱硝控制系统获得，通过调节水解气出口调节阀A3的开度，获得选择性催化还原SCR烟气脱硝系统所需的氨气流量，即水解气的流量；如果水解气流量低于设定值，则增大水解气出口调节阀A3的开度，从而增加水解气流量；如果水解气流量高于设定值，则减小水解气出口调节阀A3的开度，从而减少水解气流量；

步骤四：水解器压力变送器P的示值是通过水解器温度计T1控制的，水解器内属于气液两相，运行压力即是运行温度下的饱和压力；运行过程中，随着水解器的氨气生产量变化，运行压力将会有一定的波动；如果运行压力明显低于饱和压力，则说明水解器有泄漏；如果运行压力明显高于饱和压力，则说明仪表测量有故障，因此当运行压力与理论饱和压力的偏差高于设定值，水解系统控制模块将提出报警，并要求水解器停车检修；

步骤五：蒸汽疏水的排放是蒸汽疏水阀自动实现的，通过蒸汽疏水阀，蒸汽冷凝水排出水解器外，而蒸汽则继续留在水解器内换热；

步骤六：水解系统对水解气出口温度计T2的测量值提供实时监测，要求出口水解气的过热度高于设定值，当水解气的过热度低于设定值时，水解系统控制模块将提出报警。

3.根据权利要求2所述的一种尿素溶液水解生产氨气的控制方法，其特征在于：步骤一中所述的水解器运行液位的设定值为水解器最高液位的50％。

4.根据权利要求2所述的一种尿素溶液水解生产氨气的控制方法，其特征在于：步骤二中所述的水解器运行温度的设定值为120～200℃，所对应的饱和压力为0.4～1.0MPa。

5.根据权利要求2所述的一种尿素溶液水解生产氨气的控制方法，其特征在于：步骤三中所述的水解器出口流量的设定值从SCR脱硝控制系统获取。

6.根据权利要求2所述的一种尿素溶液水解生产氨气的控制方法，其特征在于：步骤四中所述的水解器运行压力与理论饱和压力的偏差设定值为0.2MPa。

7.根据权利要求2所述的一种尿素溶液水解生产氨气的控制方法，其特征在于：步骤六中所述的出口水解气过热度的设定值为30～50℃。