廖容波，沈永倫

(1.北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司 北京 100101；2.湖北三寧化工股份有限公司 湖北枝江 443206)

CO2汽提法尿素裝置存在問題的分析及對策

廖容波1，沈永倫2

(1.北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司 北京 100101；2.湖北三寧化工股份有限公司 湖北枝江 443206)

介紹了采用中壓分流技術(shù)改造后的二氧化碳汽提法尿素裝置的運行狀況，通過對運行中存在問題的分析和比較，找到汽提效率下降、甲銨液循環(huán)量低是造成尿素裝置產(chǎn)量下降、中壓系統(tǒng)甲銨液溫度高、無法提高負荷的主要原因，并提出切合實際的解決方案和建議措施。改造后，尿素產(chǎn)量達到1 705 t/d，噸尿素氨耗降至572 kg，汽提效率達到80%以上。

二氧化碳汽提法；汽提效率；甲銨液濃度

湖北三寧化工股份有限公司(以下簡稱湖北三寧公司)300 kt/a尿素裝置始建于2007年，采用國產(chǎn)CO2汽提工藝。2014年初，為了匹配合成氨裝置的增產(chǎn)改造，采用中壓分流技術(shù)對該套尿素裝置進行增產(chǎn)50%的技術(shù)擴能改造，即在傳統(tǒng)CO2汽提工藝的高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)之間增設(shè)中壓分解吸收系統(tǒng)、改二段蒸發(fā)為三段蒸發(fā)、增設(shè)預蒸發(fā)真空濃縮系統(tǒng)，充分利用中壓分解的熱量，使尿素產(chǎn)量達到1 750 t/d[1]。改造實施后，由于當時尿素市場不太景氣而液氨緊俏，故湖北三寧公司決定降低尿素裝置產(chǎn)量，維持在1 500 t/d左右的低負荷下運行。自2014年9月開始，液氨價格逐步下降，而尿素價格相對穩(wěn)定，但尿素裝置產(chǎn)量無法提高，只能維持在1 500 t/d左右。

1 存在的問題

當尿素產(chǎn)量達1 550 t/d時，整個尿素裝置會偏離正常操作指標：氨耗較高，嚴重時噸尿素氨耗達590 kg；高壓、中壓以及低壓系統(tǒng)會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

1.1 高壓系統(tǒng)

高壓汽提后的尿液溫度偏高，嚴重時超過175 ℃，汽提效率下降(70%～72%)，尿液含氨質(zhì)量分數(shù)達11.2%，高壓洗滌器后的放空閥開度增大。尿素裝置高壓系統(tǒng)運行參數(shù)對比見表1。

表1 尿素裝置高壓系統(tǒng)運行參數(shù)對比

項 目設(shè)計值湖北三寧公司華魯恒升公司尿素日產(chǎn)量/t180015241750汽提塔出液溫度/℃168.1172.5166.9汽提塔出液w(NH3)/%7.711.7汽提效率/%8070.88合成塔下液溫度/℃182.8183.5182.7高壓噴射器出口壓力/MPa14.514.3614.40放空閥開度/%48.720.0

由表1可看出：湖北三寧公司尿素裝置在產(chǎn)量未達設(shè)計值的情況下，汽提塔出液溫度過高，汽提效率低(比設(shè)計值低8%～10%)，造成汽提后尿液中甲銨不能有效分解為氨和二氧化碳并使氨從尿液中逸出[2]，進而導致尿液溫度不能有效降低，而華魯恒升公司尿素裝置的運行參數(shù)與設(shè)計值吻合得比較好。汽提塔出液溫度高，還會造成高壓設(shè)備的腐蝕速率加快，須在原料氣中加入更多的氧用于防腐鈍化，使原料氣純度下降，進而影響尿素轉(zhuǎn)化率，形成惡性循環(huán)。

1.2 中壓系統(tǒng)

中壓甲銨液超溫，甚至達到112 ℃，造成高壓甲銨泵和高壓管線腐蝕，尿液中鎳含量超標，中調(diào)水有時無法降低中壓甲銨液的出液溫度；另外，高壓甲銨泵容易出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，打不上量，導致中壓甲銨冷凝器液位較高，甚至出現(xiàn)滿液狀況。尿素裝置中壓系統(tǒng)運行參數(shù)對比見表2。

表2 尿素裝置中壓系統(tǒng)運行參數(shù)對比

項 目設(shè)計值湖北三寧公司華魯恒升公司中壓分解塔出液溫度/℃160151.0149.4中壓分解塔出氣溫度/℃130135.5130.0中壓甲銨液出液溫度/℃10099.497.0中調(diào)水進口溫度/℃8587.793.0中調(diào)水流量/((m3·h-1)90012251376中調(diào)水溫差/℃1024熱負荷/(MJ·h-1)36.210.323.0

由表2可看出，湖北三寧公司尿素裝置中壓系統(tǒng)甲銨冷凝器的熱負荷只有華魯恒升公司的50%，僅為設(shè)計值的1/3。從現(xiàn)場反饋情況來看，當華魯恒升公司尿素裝置達到設(shè)計產(chǎn)量時，中調(diào)水溫差為6 ℃，為設(shè)計值的90%；當尿素產(chǎn)量為1 750 t/d時，中壓系統(tǒng)表現(xiàn)得非常輕松。但湖北三寧公司尿素裝置的中壓系統(tǒng)加不上負荷，中壓甲銨液溫度高，降低中調(diào)水進口溫度，中調(diào)水出口溫度隨之降低，溫差始終無法拉開，造成此現(xiàn)象的原因可能是中壓甲銨液濃度太高。中壓甲銨液組成分析結(jié)果見表3。

表3 中壓甲銨液組成分析結(jié)果

項 目設(shè)計值湖北三寧公司山西某企業(yè)w(NH3)/%3639.0033.67w(CO2)/%4141.336.8操作溫度/℃10599.485.0結(jié)晶溫度/℃90～9195～9668氨碳比2.272.442.36

由表3可知：湖北三寧公司尿素裝置的中壓甲銨液濃度太高，達到飽和狀態(tài)，甲銨溶液的相區(qū)進入等溫線，接近結(jié)晶溫度，即使降低中調(diào)水進口溫度，也不會降低甲銨液出口溫度，且可能造成甲銨結(jié)晶而堵塞中壓甲銨冷凝器；相比之下，山西某企業(yè)類似尿素裝置的甲銨液濃度低得多，其操作溫度只有85.0 ℃，由于結(jié)晶溫度僅為68 ℃，所以其操作穩(wěn)定、相對安全。只有降低中壓甲銨液的濃度，才能降低操作溫度，根據(jù)操作手冊和實踐經(jīng)驗，中壓甲銨液的操作溫度比結(jié)晶溫度高10 ℃為宜，且不超過100 ℃[3]。

1.3 低壓系統(tǒng)

低壓系統(tǒng)主要表現(xiàn)為低壓甲銨液溫度高(80.2 ℃)，低壓放空量大且超壓；氨水槽中w(NH3)達11.7%，尿素成品中w(縮二脲)達1.0%。尿素裝置低壓系統(tǒng)運行參數(shù)對比見表4。

表4 尿素裝置低壓系統(tǒng)運行參數(shù)對比

項 目設(shè)計值湖北三寧公司華魯恒升公司低壓甲銨液出液溫度/℃69.580.270.6低壓甲銨冷凝器壓力/MPa0.220.330.30放空閥開度/%9180低調(diào)水溫差/℃7.27.4稀氨水w(NH3)/%9.911.73尿素成品中w(縮二脲)/%0.90.960.85

由表4可看出，低壓系統(tǒng)的主要問題是低壓冷凝系統(tǒng)壓力高、溫度高、尾氣放空量大，由此可以推斷低壓系統(tǒng)負荷過重，在高壓系統(tǒng)和中壓系統(tǒng)中未分解的甲銨轉(zhuǎn)移至低壓精餾塔分解，產(chǎn)生大量的氨和二氧化碳，導致低壓甲銨冷凝器無法吸收，進而造成低壓甲銨液濃度高，結(jié)晶溫度和操作溫度相應(yīng)提高，這也是導致氨水槽中氨含量高的主要原因。

2 影響因素分析

2.1 汽提效率

(1)影響汽提效率的重要因素之一是溫度。由于尿液中游離氨的蒸發(fā)和甲銨的分解需要足夠的熱量，而且必須保證汽提塔內(nèi)物料始終保持熔融狀態(tài)，要求殼程蒸汽溫度盡可能高，設(shè)計要求汽提塔殼程操作溫度214 ℃、操作壓力2.0 MPa。從湖北三寧公司現(xiàn)場操作反饋來看，高壓汽包操作壓力2.14 MPa，可推斷出溫度不是影響汽提效率的主要因素。

(2)影響汽提效率的另一個重要因素是汽提塔的液相分布。若汽提塔分布器上Φ2.5 mm分布孔發(fā)生堵塞，則會引起尿液分布不均，造成偏流，致使尿液在汽提管上無法均勻成膜，最終導致汽提效率下降、設(shè)備腐蝕。從湖北三寧公司現(xiàn)場情況分析，由于中壓甲銨液溫度高，高壓甲銨泵的填料經(jīng)常損壞，而且高壓甲銨泵出口過濾器的絲網(wǎng)也經(jīng)常出現(xiàn)脫落，特別是3#甲銨泵的出口沒有配置高壓過濾器，因此，很有可能是損壞的填料堵塞汽提塔分布器，進而影響汽提效率。

(3)液氨帶油或壓縮機帶油也有可能造成液體分布器分布孔堵塞。因為潤滑油在高溫下會分解為重油和炭黑，黏稠的重油和炭黑會附著在分布孔上，但這是一個很漫長的過程。通過現(xiàn)場分析，液氨和五段出口的二氧化碳氣體中未檢測出油含量，因此該因素影響不大。

2.2 甲銨液循環(huán)量

影響甲銨液溫度的重要因素是濃度，甲銨液濃度高則結(jié)晶溫度高，操作溫度隨之升高。降低中壓甲銨液濃度有以下2條途徑：①降低中壓系統(tǒng)負荷，但從湖北三寧公司尿素裝置中壓甲銨冷凝器的熱負荷可看出，當前的中壓系統(tǒng)問題是加不上負荷，而不是負荷過重；②增大甲銨液的循環(huán)量，將低濃度的低壓甲銨液打入中壓系統(tǒng)，將更多的中壓甲銨液注入高壓系統(tǒng)參與合成反應(yīng)，以降低中、低壓系統(tǒng)甲銨液的濃度和操作溫度。尿素裝置甲銨液循環(huán)量見表5。

表5 尿素裝置甲銨液循環(huán)量

項 目設(shè)計值湖北三寧公司華魯恒升公司尿素日產(chǎn)量/t180015241750中壓甲銨液循環(huán)量/(m3·h-1)0.780.5660.727低壓甲銨液循環(huán)量/(m3·h-1)0.460.350.44噸尿素氨耗/kg575582572

由表5可知，湖北三寧公司尿素裝置的甲銨液循環(huán)量偏小。從表3可知，低壓甲銨液的溫度高，可推斷出低壓甲銨液濃度高且循環(huán)量小，低壓甲銨液進入中壓系統(tǒng)后，很快就達到飽和，造成中壓甲銨冷凝器無法將中壓分解塔分解的氨和二氧化碳進行有效吸收，造成中壓系統(tǒng)加不上負荷。由于中壓甲銨液濃度高(達到飽和)，中壓甲銨冷凝器操作溫度隨之升高。高壓甲銨泵是三缸往復泵，泵進口壓力呈現(xiàn)脈沖波動，飽和狀態(tài)的甲銨液容易在泵入口汽化，造成泵氣蝕而無法打量。另外，大量未經(jīng)吸收的工藝氣體直接進入低壓系統(tǒng)，造成低壓系統(tǒng)負荷加重、放空量大的惡性循環(huán)。

3 解決方案

3.1 設(shè)備和管道檢修

2014年11月底，湖北三寧公司尿素裝置進入停車檢修階段，開塔檢查，發(fā)現(xiàn)汽提塔分布器堵滿了填料碎屑，于是立即組織人員對填料碎屑進行了清理；更換了現(xiàn)有甲銨過濾器的濾芯，3#甲銨泵出口增設(shè)高壓過濾器；在總管上設(shè)置1臺高壓過濾器，防止填料碎屑進入高壓系統(tǒng)；高壓甲銨泵改用品質(zhì)更好的填料，確保甲銨泵穩(wěn)定運行。

3.2 調(diào)整操作參數(shù)

結(jié)合設(shè)計參數(shù)，在尿素裝置穩(wěn)定運行的情況下，逐步增大甲銨液循環(huán)量，降低中、低壓甲銨液濃度，擴大中壓甲銨液與低壓甲銨液的濃度梯度，以便提高中壓系統(tǒng)的吸收能力，降低中、低壓甲銨液的操作溫度，進而提高中壓系統(tǒng)的負荷，以達到增產(chǎn)目的。

4 改造效果

通過上述設(shè)備檢修和操作參數(shù)的調(diào)整，湖北三寧公司尿素裝置的尿素產(chǎn)量立即達到1 632 t/d，2周后產(chǎn)量達到1 705 t/d，噸尿素氨耗降至572 kg，汽提效率達到80%以上，中壓甲銨液質(zhì)量分數(shù)下降了2%～3%，中壓甲銨液操作溫度下降了2～3 ℃，低壓甲銨液操作溫度下降了3～4 ℃，氨水槽含氨質(zhì)量分數(shù)降至7%～8%。

5 結(jié)語

(1)繼續(xù)增大中、低壓甲銨液的循環(huán)量對合成塔轉(zhuǎn)化率影響不大，而且能夠讓更多的甲銨液參與高壓合成反應(yīng)，不僅提高了中壓系統(tǒng)的吸收能力、降低了中壓甲銨液的結(jié)晶溫度、增大了中壓系統(tǒng)的操作彈性，而且可降低水解系統(tǒng)的負荷。

(2)由于當前合成塔出液含氨質(zhì)量分數(shù)只有7.0%～7.5%，低于設(shè)計值(8.0%)，而且汽提效率達到80%以上，說明汽提時尿液中沒有足夠的氨揮發(fā)出來吸收熱量以降低尿液自身溫度。因此，可適當增加高壓系統(tǒng)的氨量，即增大氨碳比，既可保持合成塔有較高的轉(zhuǎn)化率，又可降低汽提塔的出液溫度。

[1] 廖容波，張路軍.CO2汽提尿素裝置擴能改造總結(jié)[J].化肥工業(yè)，2014(4)：37- 41.

[2] 大連工學院.日產(chǎn)千噸合成氨廠——二氧化碳氣提法尿素生產(chǎn)工藝[M].北京：石油化學工業(yè)出版社，1978.

[3] 錢鏡清.水溶液全循環(huán)工藝尿素裝置操作指南[M].上海：全國化肥工業(yè)信息總站，1999.

Analysis of Problems of Urea Unit Adopting Carbon Dioxide Stripping Process and Countermeasures

LIAO Rongbo1, SHEN Yonglun2

(1.Beijing Zhongliansheng Chemical Engineering CO., Ltd. Beijing 100101；2.Hubei Sanning Chemical Industry Co., Ltd. Hubei Zhijiang 443206)

An introduction is given of operation conditions of urea unit adopting carbon dioxide stripping process after renovation with technology of medium pressure shunt, by analysis and comparison, it is found that drop of stripping efficiency and low circulating rate of ammonium carbamate solution are the main causes of decrease in production of urea unit, high temperature of ammonium carbamate solution of medium pressure system and unable to increases load, and practical solutions and recommended measures are suggested. After the revamp, urea production reaches to 1 705 t/d, the ammonia consumption per ton of urea reduces to 572 kg, stripping efficiency is higher than 80%.

CO2stripping process; stripping efficiency; concentration of ammonium carbamate solution

廖容波(1981—)，男，工程師，從事化工工藝設(shè)計；liao12837@163.com

TQ441.41

B

1006- 7779(2017)01- 0046- 03

2015- 05- 11)