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        CO2汽提法尿素工藝降低蒸汽消耗的根本途徑

        2017-03-09 19:39:04孫衛(wèi)忠
        環(huán)球市場(chǎng) 2017年8期
        關(guān)鍵詞:工藝

        孫衛(wèi)忠

        山東華魯恒升化工股份有限公司

        CO2汽提法尿素工藝降低蒸汽消耗的根本途徑

        孫衛(wèi)忠

        山東華魯恒升化工股份有限公司

        隨著工農(nóng)業(yè)的高度發(fā)展,世界各國(guó)對(duì)尿素的需求量逐步增大,由此帶來(lái)的能源利用與環(huán)境保護(hù)問(wèn)題也相應(yīng)增加。我國(guó)是尿素生產(chǎn)大國(guó),建廠(chǎng)數(shù)為世界之最,生產(chǎn)能力和產(chǎn)量也居世界首位。目前,我國(guó)能源工業(yè)面臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、環(huán)境保護(hù)和社會(huì)發(fā)展的巨大壓力,因此,尿素合成工藝節(jié)能新技術(shù)的開(kāi)發(fā)及利用也越發(fā)引起人們的關(guān)注。盡管CO2汽提法尿素工藝是市場(chǎng)占有率最大的尿素工藝,但經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展,蒸汽消耗始終無(wú)法大幅度降低。本文就對(duì)CO2汽提法尿素工藝降低蒸汽消耗的根本途徑進(jìn)行分析和探討。

        CO2汽提法;尿素工藝;蒸汽消耗

        1 工藝流程

        CO2汽提尿素工藝高壓圈包括尿素合成塔、汽提塔、甲銨冷凝器、高壓洗滌器和高壓噴射器;高壓液氨作為甲銨噴射器的驅(qū)動(dòng)流體,將甲銨液增壓返回合成塔。CO2氣經(jīng)CO2壓縮機(jī)增壓進(jìn)入汽提塔。汽提塔出口液相送入低壓分解系統(tǒng),汽提塔出口的汽提氣和甲銨噴射器來(lái)的甲銨液一起進(jìn)入甲銨冷凝器,甲銨冷凝器由氣、液2根管道分別將氣體、液體送入尿素合成塔,合成塔中的尿液自流到汽提塔。合成塔氣相出口送入高壓洗滌器,高壓洗滌器出口的氣體含少量的氨和CO2,送入低壓吸收塔,用工藝?yán)淠杭罢羝淠何?,吸收后的尾氣排入大氣中。后工序僅設(shè)置了低壓分解吸收系統(tǒng);真空蒸發(fā)系統(tǒng)包括了2段真空蒸發(fā)和冷凝系統(tǒng),并設(shè)置了工藝?yán)淠禾幚砉ば?,真空蒸發(fā)后的尿液送入最終造粒工序。

        2 影響CO2汽提法工藝蒸汽消耗的因素

        2.1 CO2轉(zhuǎn)化率

        影響尿素合成塔CO2轉(zhuǎn)化率的因素主要有溫度、N/C比、H/C比和原料CO2氣體純度等。尿素合成反應(yīng)分2步進(jìn)行,第1步是原料NH3和CO2生產(chǎn)甲銨的快速放熱反應(yīng),第2步是甲銨脫水生成尿素的緩慢吸熱反應(yīng),在一定溫度范圍內(nèi),提高反應(yīng)溫度就能夠提高CO2轉(zhuǎn)化率和生成尿素的反應(yīng)速度。合成反應(yīng)需要在液相中進(jìn)行,提高反應(yīng)溫度的同時(shí)還要提高反應(yīng)壓力、增加動(dòng)力消耗,然而反應(yīng)溫度提高,介質(zhì)的腐蝕性加劇,需要更昂貴的耐腐蝕材料。CO2轉(zhuǎn)化率隨N/C比的增加而增加,在通常工藝條件下,N/C比每增加0.1,轉(zhuǎn)化率提高0.5%~1.0%。N/C比增加,則合成的平衡壓力增高,動(dòng)力消耗增加,同時(shí)過(guò)剩氨的循環(huán)量也增加,降低了合成塔的反應(yīng)空間。N/C比過(guò)高,則低壓循環(huán)負(fù)荷增加,帶入高壓圈的水量增加,高壓圈H/C比增加。而H/C比增加對(duì)合成反應(yīng)是不利的,在一定溫度和N/C比下,H/C比每增加0.1,則CO2轉(zhuǎn)化率要下降1.5%~2%。CO2氣體中的惰性氣體成分能降低氣相中氨的分壓,減少了氨在液相中的溶解度,根據(jù)研究人員測(cè)定,純度在86%~100%范圍內(nèi),每降低1%,尿素合成轉(zhuǎn)化率就降低約0.6%,所以,純度越高轉(zhuǎn)化率越高。

        2.2 汽提效率通常汽提塔的汽提效率

        當(dāng)尿素合成塔出液組成不變時(shí),汽提效率越高,低壓循環(huán)系統(tǒng)負(fù)荷就越低,返回高壓圈的水量越少,對(duì)尿素合成反應(yīng)有利,但是汽提塔的蒸汽消耗就高。反之,降低汽提效率,汽提塔蒸汽消耗降低,低壓循環(huán)負(fù)荷增加,返回高壓圈的水量增加,H/C比增加,造成CO2轉(zhuǎn)化率降低。所以汽提塔的汽提效率不是越高越好,適當(dāng)降低汽提效率可以降低2.5MPa(a)蒸汽的消耗。但是,由于傳統(tǒng)CO2汽提法工藝除高壓圈外,只有低壓分解回收系統(tǒng)回收的甲銨液的含水量較高,因此通過(guò)降低汽提效率來(lái)降低2.5MPa(a)蒸汽消耗的量是有限的。

        3 降低蒸汽消耗的途徑

        通過(guò)對(duì)影響蒸汽消耗的因素的分析,高壓圈使用耐腐蝕的超級(jí)雙相鋼材料,操作溫度已經(jīng)接近汽提法尿素工藝的操作上限,防腐加氧量已經(jīng)降得很低,甚至做到了無(wú)氧操作。N/C比提高了0.1%,則H/C比相應(yīng)的也提高了約0.09%,兩者對(duì)CO2轉(zhuǎn)化率的影響基本抵消掉,再提高N/C比對(duì)降低蒸汽消耗已無(wú)意義。

        根據(jù)NH3-CO2-H2O三元相圖可知,回收壓力越高,在甲銨液的含水量越低,比如在0.3MPa(a)下回收的甲銨液的水含量約32%,而在1.8MPa(a)下回收的甲銨液的水含量約25%,粗略計(jì)算回收相同量的NH3和CO2,返回高壓圈的水量可以減少約30%。因此可以通過(guò)增加一個(gè)中壓段,合理分配高壓分解回收、中壓分解回收和低壓分解回收的負(fù)荷,將部分高壓和低壓的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至中壓,既降低了汽提塔的蒸汽消耗,又可以解決返回高壓圈的水量增加過(guò)多的問(wèn)題,甚至可以做到返回高壓圈的水量不增加。無(wú)論是高壓分解、中壓分解,還是低壓分解,甲銨分解都需要熱量,要么外部輸入(加熱分解),要么依靠減壓閃蒸(氣化潛熱提供熱量),因此有兩種中壓段的流程。對(duì)于傳統(tǒng)的CO2汽提法尿素工藝,因高壓冷凝器副產(chǎn)的低壓蒸汽溫度太低,無(wú)法作為中壓分解的加熱熱源,只能設(shè)置中壓閃蒸流程。由于無(wú)中壓加熱熱源,中壓的負(fù)荷就受到限制,汽提塔的負(fù)荷就不能降低太多,Stamicarbon開(kāi)發(fā)的帶中壓的Urea2000plus工藝流程就是此種流程,每噸尿素的2.5MPa(a)飽和蒸汽消耗可以降低至約850kg。而另一種是有合適的中壓分解熱源,比如高效合成、低能耗尿素技術(shù)(THESES)和ACES21工藝。這兩種工藝其實(shí)也是屬于CO2汽提工藝的范疇,因其高壓冷凝設(shè)備結(jié)構(gòu)獨(dú)特,能夠副產(chǎn)0.6MPa(a)及以上的飽和蒸汽,可以用作中壓分解使用,所以可以設(shè)置在中壓分解加熱器的中壓段。由于有中壓分解加熱熱源,可以將汽提塔負(fù)荷更多地轉(zhuǎn)移至中壓系統(tǒng),可以節(jié)省更多的2.5MPa(a)蒸汽,每噸尿素的2.5MPa(a)飽和蒸汽消耗可以降低至750kg以下。

        結(jié)語(yǔ)

        隨著尿素市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和節(jié)能、減排越來(lái)越受到世人的重視,降低尿素裝置的蒸汽消耗是CO2汽提法尿素工藝努力發(fā)展的目標(biāo),增加中壓段是大幅度降低蒸汽消耗的必然選擇。

        [1]王歡.汽提法合成尿素的穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)模擬[D].北京化工大學(xué),2015.

        [2]魏拴杰.水溶液全循環(huán)法尿素生產(chǎn)工藝節(jié)能降耗技術(shù)研究[D].中國(guó)石油大學(xué),2010.

        [3]張?jiān)?大型尿素裝置工藝方案的比較和選擇[J].中氮肥,2015,02:20-24.

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