脱硝プロセスにおける尿素濃度測定
世界中で厳しい大気質規制が施行されているため、産業施設では窒素酸化物（NOx）排出量の抑制が求められています。安全で安定した物質である尿素は、脱硝システムでNOx削減に広く使用されています。重要なのは、尿素の注入量と排ガス中のNOx濃度をリアルタイムでバランスさせ、問題なく所望のNOx削減を達成することです。
U過少添加ではNOxを十分に削減できず、規制違反のリスクが生じます。過剰添加は試薬を無駄にし、コストを増加させ、「アンモニアスリップ」、つまり未反応のアンモニアが大気中に放出される現象を引き起こします。アンモニアスリップはコストがかさみ、環境にも有害であり、重亜硫酸アンモニウムや硫酸アンモニウムなどの粘着性のある塩を形成する可能性があります。これらの塩は機器を汚染し、効率を低下させ、損傷を引き起こす可能性があります。
オンライン尿素モニタリングの課題
汚れ、結晶化、腐食
ファウリングこれは根深い問題であり、特に硬水を固体尿素原料の希釈に使用する場合、顕著になります。硬水中のミネラルが溶液から沈殿し、噴射ノズルやセンサーなどの重要な部品にスケールや目詰まりを引き起こす可能性があります。この現象は不正確な測定を招き、頻繁でコストのかかるメンテナンスと洗浄を必要とし、システムの稼働時間を大幅に短縮する可能性があります。
結晶排気温度が低い場合（通常200～250℃未満）、および尿素水がパイプ壁に衝突して膜を形成する表面で発生する可能性が高くなります。噴霧量の増加や液滴サイズの増大によって膜が厚くなると、尿素分子が完全に蒸発しにくくなり、結晶形成につながります。このプロセスは、センサーとノズルの詰まりの主な原因です。
The腐食性尿素溶液自体の腐食は、計装機器にとって重大な脅威となります。尿素の合成には、腐食性の高い中間体であるカルバミン酸アンモニウムの生成が伴います。この中間体は従来の材料を急速に劣化させ、機器の壊滅的な故障につながる可能性があります。そのため、このような過酷な環境では、標準部品が動作不能になり、頻繁に交換が必要になる可能性があるため、計装機器の材料選定は最優先事項です。
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動的プロセス条件の測定への影響
流体自体の物理的特性は、正確な測定を複雑化させます。水溶液の密度は温度と圧力の両方に非常に敏感です。わずかな温度変化でさえ、測定される尿素窒素濃度に大きな影響を与える可能性があります。適切な温度補正を行わないと、測定値が大きくドリフトし、制御システムに不正確なデータを提供する可能性があります。このような変動性は、これらのプロセス変動を補正するために、リアルタイム温度補正機能を備えた尿素濃度センサーの必要性を浮き彫りにしています。
同様に、流速、粘度、混入した気泡の存在などの要因により、測定に大きな不安定性と誤差が生じる可能性があり、動的な動作条件下で本質的に堅牢で信頼性の高いセンサー設計が求められます。
ロンメーターソリューション：尿素濃度計
尿素濃度センサーの動作原理
インプロセス尿素濃度計は、パイプライン、タンク、その他の容器内の二成分液体の濃度または密度を連続的に測定するインラインセンサーです。振動する音叉の共振周波数は、周囲の流体の質量と密度に反比例して変化します。このセンサーは、電子的に駆動され、正確な共振周波数で振動するU字型の音叉で構成されています。この音叉を流体に浸すと、流体の質量が音叉の有効質量に加算され、振動周波数が低下します。センサーの高度な電子機器は、この周波数シフトを継続的に監視します。この周波数シフトを事前にプログラムされた校正曲線と相関させることで、流体の密度を正確かつ再現性の高い方法で測定できます。
真のイノベーションは、基本的な密度測定値を機能的な濃度値に変換する点にあります。Lonnmeterは、高精度温度センサーをプローブに直接組み込むことでこれを実現しています。このセンサーはリアルタイムの温度データを内部処理装置に提供し、処理装置は高度な温度補正アルゴリズムを適用します。このプロセスにより、密度測定値は標準基準温度に補正され、プロセス温度の変動の影響が最小限に抑えられます。補正された密度値は、重量パーセントなどの具体的な濃度に変換されます。この2段階のプロセス、すなわち物理的特性（密度）の測定、続いて検量線と温度補正による変換は、正確で信頼性の高い尿素濃度測定を実現するための鍵となります。
音叉型センサーの本質的な設計は、過酷な脱硝環境において大きな利点をもたらします。小さなオリフィス、狭いチャネル、繊細なダイアフラムがないため、他の技術で問題となる汚れや結晶化に対して自然な耐性を備えています。堅牢で開放的な構造により、流体は振動する歯の周囲を自由に流れ、鉱物質の堆積物や尿素結晶が蓄積して測定精度が低下する可能性を最小限に抑えます。
密度計についてさらに詳しく
脱硝環境向けに設計
ロンメーターは、脱硝プラントの過酷な環境下を想定し、最先端の材料科学に基づいてセンサーを設計しました。機器の主要接液部は316ステンレス鋼などの堅牢な材料で作られており、特にカルバミン酸アンモニウムなどの非常に腐食性の高い物質に対する高い耐腐食性を備えています。耐腐食性材料は、濃度測定機器の寿命を延ばし、メンテナンス間隔を延ばし、予定外のダウンタイムを削減します。
内蔵温度センサーと高度なアルゴリズムにより温度変化を補正し、プロセス流体の変動に関係なく安定した信頼性の高い読み取りを保証します。
シームレスな統合と接続
Lonnmeter の 4 ～ 20 mA 電流ループ出力は、次の理由により PLC または DCS システムと簡単に統合できます。
- シンプルな配線:2 線式トランスミッターであるため、電力と信号の伝送の両方に 1 組の線を使用するため、複雑さが軽減されます。
- 信頼できる信号:4-20mA 信号は長距離でも電圧降下の影響を受けず、電気ノイズや電磁干渉にも耐性があります。
- 線形スケーリング:0 ～ 100% の濃度範囲では、4 mA が 0% に、20 mA が 100% に相当し、制御システムで簡単にスケーリングできます。
- 安全で安定：センサーケースを適切に接地することで、信号の精度と電気的安全性が確保され、産業システムとの互換性が向上します。
最適な配置と実用的な利点
尿素濃度センサーを効果的に実装するには、正確な測定だけではなく、運用上のメリットを最大化するための戦略的な配置が重要です。
尿素溶液の調製と保管段階
センサー設置の最も論理的なポイントは、脱硝プロセスの開始点、つまり尿素溶液の調製タンクと貯蔵タンクです。この段階に設置されたセンサーは、品質管理における重要な第一線防御となり、調製された溶液が適切な濃度であることを、投与システムに送られる前に確認します。このプロアクティブな測定により、誤った手動希釈、固体尿素原料の変動、汚染された水の使用などによるエラーを即座に検出し、これらの問題が下流に波及してプロセス全体に悪影響を及ぼすのを防ぎます。貯蔵タンク内の濃度を監視することは、在庫管理ツールとしても役立ち、正しく調合された試薬を常に供給できるようにします。
注入ラインと投与ラインの監視
真のクローズドループ制御を実現するには、高圧注入ラインまたは注入ノズル直前の注入ラインに尿素濃度計を設置する必要があります。この配置により、システムに流入する試薬濃度をリアルタイムで最も直接的かつ正確に測定できます。このリアルタイムデータは、測定された排ガス中のNOx濃度、触媒温度、その他の運転パラメータに基づいて注入速度を継続的に調整する高度な制御戦略の基盤となる入力データです。
一部の制御システムは、注入ラインの圧力変動から問題を推測しますが、濃度を直接連続的に測定することで、より堅牢で信頼性の高い信号が得られます。ポンプの故障、部分的な閉塞、あるいは注入量の過剰/不足を事前に検知し、システムのNOx削減性能が損なわれる前に迅速かつ自動的に対応することができます。このアプローチにより、プラントは事後対応型のメンテナンスモデルから、事前対応型の予測型メンテナンスモデルへと移行します。
アンモニアスリップとの相関関係
尿素濃度センサーの価値は、単一のデータポイントをはるかに超えています。安定した信頼性の高いデータストリームを提供することで、制御システムは試薬注入速度を正確に管理し、最適な化学量論比を維持できます。この精度は、アンモニアスリップの最小化に直接関連しています。過剰注入をリアルタイムで防止することで、試薬の無駄と未反応アンモニア排出による環境への影響を削減できます。
顧客への価値
- 強化された NOx 削減と規制遵守。
- 試薬消費量と運用コストの削減
- 稼働時間の最大化とメンテナンス負担の最小化
