許 正
(安徽六國化工股份有限公司,安徽銅陵 244023)
安徽六國化工股份有限公司(簡稱六國化工)300kt/a尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦CO2汽提工藝,于2013年建成投產(chǎn)。尿素合成系統(tǒng)內(nèi)的物料通過出料調節(jié)閥(HV4201)控制尿素合成塔液位后,依次經(jīng)過CO2汽提塔、低壓精餾塔分離出其中的NH3、CO2、NH2COONH4后進入尿液槽;尿液槽內(nèi)尿液組分(質量分數(shù))約為CO(NH2)268.56%、NH32.13%、CO21.05%、H2O28.26%,溫度100℃,尿液通過尿液泵輸送到一段蒸發(fā)加熱器,于此被加熱至125~135℃后,以切線方向進入一段蒸發(fā)分離器,一段蒸發(fā)分離器內(nèi)壓力為45~55kPa(A),尿液中的水分瞬間閃蒸出來,氣相從一段蒸發(fā)分離器頂部出去進入一段蒸發(fā)表冷器進行冷凝;出一段蒸發(fā)分離器的尿液組分為CO(NH2)295%、H2O5%,溫度130℃,依靠壓差和位差進入二段蒸發(fā)加熱器,于此被加熱至135~145℃后,以切線方向進入二段蒸發(fā)分離器,二段蒸發(fā)分離器內(nèi)壓力為8~15kPa(A),尿液中的水分進一步閃蒸出來,氣相從二段蒸發(fā)分離器頂部出去進入二段蒸發(fā)表冷器進行冷凝;出二段蒸發(fā)分離器尿液組分約為CO(NH2)299.7%、H2O0.3%,溫度140℃,通過尿素熔融泵加壓輸送到造粒塔頂部的造粒機,熔融尿液在旋轉造粒機噴頭離心力的作用下形成小液滴散落在造粒塔頂部截面上,與自下而上的空氣逆流接觸進行傳質傳熱,小液滴溫度低于132.7℃時開始凝固,最終冷卻成尿素顆粒散落在造粒塔底部的“鍋底”上,再由刮料機送入皮帶輸送至包裝崗位。
水分是成品尿素的一個重要質量控制指標,成品尿素水含量高時,尿素顆粒易結塊,不利于農(nóng)用田間施肥及工業(yè)計量使用,而蒸發(fā)系統(tǒng)溫度是成品尿素水分控制的一個重要工藝指標。實際生產(chǎn)中,蒸發(fā)系統(tǒng)溫度提不起來的情況時有發(fā)生,輕則造成成品尿素顆粒水含量高,重則可能導致尿液結晶堵管、尿素裝置被迫停車的事故。
進入蒸發(fā)系統(tǒng)尿液的水含量高,當超出蒸發(fā)加熱器的最大蒸發(fā)負荷時,勢必造成蒸發(fā)溫度提不起來甚至下降,因而進入蒸發(fā)系統(tǒng)尿液的水含量是需要嚴控的指標,而蒸發(fā)系統(tǒng)尿液水含量高的原因主要如下。
2.1.1 尿素合成系統(tǒng)水碳比偏高
尿素生產(chǎn)中,系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的水來自于四個方面:①原料NH3與CO2反應合成CO(NH2)2副產(chǎn)的水;②高壓甲銨泵輸送低壓甲銨液進入尿素合成系統(tǒng)帶入的水;③高壓沖洗水進入尿素合成系統(tǒng);④原料NH3和CO2帶入的水。當進入尿素合成系統(tǒng)的水較多,即通常所說的水碳比偏高時,所有帶入尿素合成系統(tǒng)的水最終都會通過尿素合成塔出料調節(jié)閥、汽提塔、低壓系統(tǒng)進入尿液槽,當尿液槽尿液的水含量高,超出蒸發(fā)加熱器能力時,蒸發(fā)系統(tǒng)溫度就會提不起來。
2.1.2 儀表沖洗水閥開度過大
因工藝介質容易結晶,目前能很好應對尿液結晶的液位計基本上均采用法蘭膜片式儀表,如低壓精餾塔之液位計和測壓點、低壓甲銨冷凝器液位槽之液位計和測壓點、尿液槽之液位計、蒸發(fā)系統(tǒng)之測壓點和液位計。也可采用放射性液位計,但由于放射源不安全,一般被限制使用。法蘭膜片式儀表一般是通過法蘭安裝在設備上,儀表突出于設備外,熱量容易損失,尿液很容易在膜片上產(chǎn)生結晶,影響儀表準確測量,因此工藝上一般在法蘭膜片處增設沖洗水,微開沖洗水閥對法蘭膜片進行連續(xù)沖洗,以確保儀表的正常使用和準確指示。膜片沖洗水會進入設備內(nèi)與尿液混合,當沖洗水閥開度過大時,勢必增加進入尿液中的水量,降低尿液濃度,加重蒸發(fā)系統(tǒng)負荷,繼而導致蒸發(fā)系統(tǒng)溫度提不起來。
2.1.3 沖洗水閥內(nèi)漏或沒有關死
尿素裝置開、停車時均要通過沖洗水(如高壓系統(tǒng)沖洗水、低壓精餾塔沖洗水、低壓甲銨冷凝器液位槽沖洗水、甲銨泵沖洗水、尿液泵沖洗水、尿素熔融泵沖洗水、蒸發(fā)分離器沖洗水、回流泵沖洗水等)對系統(tǒng)進行置換和檢查確認暢通與否,而生產(chǎn)正常后這些沖洗水(閥)必須關閉(蒸發(fā)分離器每2h用沖洗水沖洗1次,其他沖洗水僅在開、停車時用),當沖洗水閥沒關死或沖洗水閥內(nèi)漏時,沖洗水進入系統(tǒng),會造成尿液濃度低,加重蒸發(fā)系統(tǒng)負荷,繼而導致蒸發(fā)系統(tǒng)溫度提不起來。
蒸發(fā)系統(tǒng)對尿液加熱蒸發(fā)的過程中,尿液進入蒸發(fā)加熱器提溫,然后以切線方向進入蒸發(fā)分離器進行氣液分離,尿液中水分和NH3、CO2以氣態(tài)形式閃蒸出來,閃蒸分離所需的熱量來自尿液本身,尿液溫度稍有下降;但當尿液游離氨含量高時,大量游離NH3、CO2和水分同時從蒸發(fā)分離器尿液中閃蒸出來需吸收大量的熱,當超出蒸發(fā)加熱器的能力時,會出現(xiàn)蒸發(fā)系統(tǒng)溫度提不起來的現(xiàn)象。而蒸發(fā)系統(tǒng)尿液游離氨含量高的原因主要如下。
2.2.1 汽提塔汽提效率低
CO2汽提法尿素裝置中,尿素合成塔出液首先進入CO2汽提塔進行未反應物NH3和CO2的第一級分離,CO2汽提塔承擔著尿素合成塔出液中80%未反應物的分離回收任務,當CO2汽提塔汽提效率低時,其出液中NH3和CO2含量高,當尿液中NH3和CO2的含量超出低壓精餾系統(tǒng)及蒸發(fā)系統(tǒng)對尿液組分的要求時,蒸發(fā)系統(tǒng)負荷加重,勢必造成蒸發(fā)系統(tǒng)溫度提不起來。
2.2.2 低壓精餾塔溫度低或者壓力高
CO2汽提塔出液組分含量約為CO(NH2)255.9%、NH38.0%、CO210.0%、H2O26.0%,溫度165℃,其中的NH3和CO2需在低壓精餾塔中加熱、減壓分離,一定的精餾壓力下尿液須達到一定的溫度才能實現(xiàn)NH3、CO2的有效分離,當?shù)蛪壕s塔溫度低或壓力高,其出液中的NH3、CO2含量高出蒸發(fā)系統(tǒng)對尿液組分的要求時,蒸發(fā)系統(tǒng)負荷加重,勢必造成蒸發(fā)系統(tǒng)溫度提不起來、產(chǎn)品水含量不合格。
正常生產(chǎn)中,進入蒸發(fā)系統(tǒng)的尿液連續(xù)且均勻,蒸發(fā)加熱器對尿液連續(xù)穩(wěn)定加熱,以確保將尿液中的水分、NH3、CO2有效蒸發(fā)分離出去;但當尿液流量瞬間加大而超出蒸發(fā)加熱器的能力時,勢必造成蒸發(fā)系統(tǒng)出液溫度下降、產(chǎn)品水含量不合格。
蒸發(fā)加熱器加熱蒸汽壓力下降時,加熱器殼側的加熱蒸汽溫度下降,不能給加熱器換熱列管內(nèi)均勻流動的尿液提供充足的熱量,勢必造成蒸發(fā)系統(tǒng)出液溫度下降、產(chǎn)品水含量不合格。
蒸發(fā)加熱器蒸汽冷凝液液位槽液位一般控制在20%~50%,以使蒸發(fā)加熱器內(nèi)的蒸汽冷凝液全部順暢流入蒸汽冷凝液液位槽內(nèi),確保蒸發(fā)加熱器殼側充滿加熱蒸汽,即確保蒸發(fā)系統(tǒng)溫度的平穩(wěn)控制;但當蒸發(fā)加熱器蒸汽冷凝液液位槽液位過高時,蒸發(fā)加熱器內(nèi)的蒸汽冷凝液不能順暢地流入蒸汽冷凝液液位槽,部分冷凝液在蒸發(fā)加熱器殼側積存,會減少其有效換熱面積,導致蒸發(fā)系統(tǒng)出液溫度下降、產(chǎn)品水含量不合格。
蒸發(fā)加熱器使用的低壓蒸汽源自合成氨裝置變換廢鍋與尿素裝置高壓甲銨冷凝器副產(chǎn)的低壓蒸汽,當變換廢鍋換熱列管出現(xiàn)微小泄漏時,CO、H2等氣體進入副產(chǎn)蒸汽中,繼而進入蒸發(fā)加熱器,CO、H2等氣體在蒸發(fā)加熱器蒸汽側頂部慢慢積存,逐漸占據(jù)蒸發(fā)加熱器換熱列管的有效換熱面積,導致蒸發(fā)系統(tǒng)溫度不好提起來、產(chǎn)品水含量不合格。
為鍋爐或廢鍋提供用于產(chǎn)蒸汽的脫鹽水經(jīng)過除氧槽除去絕大部分的O2和惰氣,但尿素裝置長期連續(xù)運行,夾帶微量惰氣的加熱蒸汽在蒸發(fā)加熱器殼側會越積越多,逐漸占據(jù)蒸發(fā)加熱器換熱列管的有效換熱面積,慢慢地蒸發(fā)系統(tǒng)溫度就進入不好提升的狀態(tài)。
蒸發(fā)加熱器換熱列管堵塞時,尿液就不能通過全部換熱列管被殼側的蒸汽加熱,當堵塞的換熱列管數(shù)量較多時,蒸發(fā)加熱器有效換熱面積明顯減少,不能滿足尿液加熱所需,蒸發(fā)系統(tǒng)溫度就不好提起來。而蒸發(fā)加熱器換熱列管堵塞大多是由于停車時置換不徹底使部分尿液停留在加熱器列管內(nèi)結晶所致,另外也有尿液夾帶雜物堵塞加熱器換熱列管的情況。
尿素生產(chǎn)中,原料液氨和CO2帶入的油污,隨物料進入蒸發(fā)系統(tǒng),而蒸發(fā)加熱器內(nèi)長期為高溫狀態(tài),時間久了這些油污會在換熱列管內(nèi)壁積存形成污垢,降低換熱列管的導熱系數(shù),繼而導致蒸發(fā)系統(tǒng)溫度不好提起來。
為增產(chǎn)提效,當尿素裝置負荷超出110%,進入蒸發(fā)系統(tǒng)的尿液量超出蒸發(fā)加熱器的能力時,蒸發(fā)系統(tǒng)溫度自然就不好提升了。
蒸發(fā)加熱器為列管式換熱器,生產(chǎn)中高溫尿液在換熱列管內(nèi)以70m/s的速度通過,加熱蒸汽在殼側。由于尿液對換熱列管有強烈的腐蝕性,高速流動的尿液對換熱列管有很強的沖刷力,因而換熱列管管壁減薄泄漏的情況時有發(fā)生,當換熱列管發(fā)生泄漏時,蒸發(fā)加熱器殼側壓力較高的加熱蒸汽進入換熱列管內(nèi)壓力較低的尿液中,就會導致蒸發(fā)系統(tǒng)溫度提不上來。
蒸發(fā)系統(tǒng)正常生產(chǎn)時,尿液沿切線方向進入蒸發(fā)分離器后,尿液中的水分迅速閃蒸出來,閃蒸氣夾帶少量霧狀尿液從蒸發(fā)分離器頂部排入表冷器,閃蒸氣夾帶的霧狀尿液打在蒸發(fā)分離器頂部的內(nèi)壁,時間久了就會結晶結塊,通常采用定期沖洗的方法予以清除,六國化工采用100℃的蒸汽冷凝液作為沖洗水,而此時蒸發(fā)分離器內(nèi)部溫度為125~140℃,沖洗水進入后,水蒸氣瞬間冷凝增多、蒸發(fā)分離器內(nèi)部壓力瞬間下降,使得尿液中水分閃蒸量瞬間增多,消耗熱量增多,繼而導致蒸發(fā)系統(tǒng)出液溫度下降。
尿液在蒸發(fā)系統(tǒng)的提濃,是在一段蒸發(fā)和二段蒸發(fā)系統(tǒng)中通過加熱和降壓的方式實現(xiàn)的,一段蒸發(fā)將尿液濃度從約68%提至95%,二段蒸發(fā)將尿液濃度從約95%提至99.7%,當一段蒸發(fā)溫度或者真空度突降時,一段蒸發(fā)進入二段蒸發(fā)的尿液水含量增高,會加重二段蒸發(fā)的負荷,使二段蒸發(fā)溫度下降,繼而導致蒸發(fā)系統(tǒng)出液溫度下降。
尿液在蒸發(fā)系統(tǒng)的提濃,一段蒸發(fā)是在壓力45~55kPa(A)、溫度125~135℃狀態(tài)下將尿液濃度從約68%提至95%,二段蒸發(fā)是在壓力8~15kPa(A)、溫度135~145℃狀態(tài)下將尿液濃度從約95%提至99.7%,即整個蒸發(fā)系統(tǒng)是在連續(xù)、均衡的狀態(tài)下逐步將尿液中水分蒸發(fā)分離出去的,當一段蒸發(fā)或二段蒸發(fā)真空度瞬間提高,該段出蒸發(fā)加熱器的尿液進入蒸發(fā)分離器均會因壓力降低過多而使其中的水分閃蒸量增大、消耗熱量增多,該段蒸發(fā)出液溫度就會下降。
蒸發(fā)系統(tǒng)溫度計不直接接觸尿液,而是有個套管,當套管泄漏時,尿液會在套管與溫度計間形成結晶物,使溫度計示數(shù)偏低;當溫度計熱電偶進水時,蒸發(fā)溫度計示數(shù)也會偏低。
當蒸發(fā)系統(tǒng)溫度不好提或溫度下降時,操作人員的第一反應應該是及時開大加熱蒸汽調節(jié)閥、提高加熱蒸汽壓力,必要時適當減少進入蒸發(fā)系統(tǒng)的尿液量以降低蒸發(fā)系統(tǒng)負荷,以利蒸發(fā)系統(tǒng)溫度的快速提升,待蒸發(fā)系統(tǒng)溫度提到正常值時,再結合系統(tǒng)工藝流程逐一查找原因,原因查明并消除問題后再緩慢將蒸發(fā)系統(tǒng)負荷加至正常水平。
必須指出的是,當一段蒸發(fā)溫度降至122℃或二段蒸發(fā)溫度降至134℃時,蒸發(fā)系統(tǒng)要及時打循環(huán)、破真空,確保不發(fā)生尿液結晶堵管事故,待蒸發(fā)系統(tǒng)溫度、真空度正常后,再造粒;當一段蒸發(fā)溫度降至117℃或二段蒸發(fā)溫度降至133℃時,蒸發(fā)系統(tǒng)除了要及時打循環(huán)、破真空外,還要及時走水置換,以防尿液結晶堵塞管道,然后重啟蒸發(fā)系統(tǒng),待蒸發(fā)系統(tǒng)溫度、真空度正常后,再造粒。
控制進入蒸發(fā)系統(tǒng)尿液的含水量,須按照尿素裝置工藝流程從高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)開始逐步把控,具體控制要點如下。
(1)嚴控尿素合成系統(tǒng)水碳比。尿素合成系統(tǒng)的水碳比控制,不僅是控制進入蒸發(fā)系統(tǒng)尿液水含量的一個重要環(huán)節(jié),而且是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行與節(jié)能降耗的重要工藝指標??刂颇蛩睾铣上到y(tǒng)水碳比的關鍵環(huán)節(jié)是控制好解吸水解系統(tǒng)、低壓吸收系統(tǒng),控制好高壓洗滌器的冷凝回收等,只要尿素合成系統(tǒng)的水碳比控制在工藝指標范圍內(nèi),尿素合成塔出液水含量就不會升高。
(2)嚴控儀表沖洗水量。尿素裝置的低壓精餾塔之液位計和測壓點、低壓甲銨冷凝器液位槽之液位計和測壓點、尿液槽之液位計、蒸發(fā)系統(tǒng)之測壓點和液位計等儀表的沖洗水閥,保持微開即可。
(3)確保各置換及沖洗水閥關閉。確保尿素裝置高壓系統(tǒng)沖洗水、低壓精餾塔沖洗水、低壓甲銨冷凝器液位槽沖洗水、甲銨泵沖洗水、尿液泵沖洗水、尿素熔融泵沖洗水、蒸發(fā)分離器沖洗水、回流泵沖洗水等沖洗水閥關閉;若沖洗水閥關閉而手摸沖洗水管發(fā)熱,可判定沖洗水閥出現(xiàn)了內(nèi)漏,此種情況可將沖洗水管線配雙閥并加閥間導淋,關閉雙閥,打開閥間導淋排水。
(1)確保CO2汽提塔汽提效率在指標范圍內(nèi)。主要要求為:①控制尿素合成系統(tǒng)的氨碳比在2.9~3.2、水碳比為0.37、壓力在13.7~14.5MPa、溫度在180~185℃;②控制好尿素合成塔出料調節(jié)閥(HV4201)的開度,確保進入CO2汽提塔的尿液量與系統(tǒng)負荷相匹配;③控制CO2汽提塔液位在40% ~90%;④控制尿素裝置蒸汽系統(tǒng)高壓蒸汽包液位在20% ~50%、壓力在1.7~2.0MPa。
(2)控制好低壓精餾塔出液溫度和壓力。在低壓精餾塔的操作中,要嚴控低壓精餾塔的溫度在130~135℃、壓力在0.20~0.30MPa。
若要增加進入蒸發(fā)系統(tǒng)的尿液量,必須按照“先提溫度、再加尿液”的原則操作,加尿液量時要微量、緩慢,嚴防蒸發(fā)系統(tǒng)溫度大幅下降。
加熱蒸汽壓力不足,一般是因尿素裝置加減負荷時副產(chǎn)蒸汽量不穩(wěn)定或者加熱蒸汽控制調節(jié)閥操作不當所致,因此需嚴格依據(jù)尿素裝置加減負荷情況精心操作,及時調整加熱蒸汽的壓力。
嚴格按要求控制蒸汽加熱器蒸汽冷凝液液位槽液位在20%~50%之間。
定期取樣分析變換廢鍋等副產(chǎn)蒸汽中的NH3、H2、CO等含量,及時發(fā)現(xiàn)泄漏并及時處理,以確保蒸汽品質。一旦發(fā)現(xiàn)蒸汽中夾帶NH3、H2、CO等,要及時微開蒸發(fā)加熱器頂部的排氣閥排出這些氣體,以保證蒸發(fā)加熱器的正常工作。
蒸發(fā)加熱器預熱引蒸汽前,其殼側充滿空氣,蒸發(fā)系統(tǒng)每次開車引蒸汽時,需打開蒸發(fā)加熱器頂部排惰氣閥排氣——剛打開排惰氣閥時,因排出的是空氣,只聽得到聲音看不到“白色”的蒸汽;當空氣排盡后便會冒出“白色”的蒸汽,此時排氣閥即可關閉。由于加熱蒸汽中夾帶有微量惰氣,正常生產(chǎn)中也要定期排放蒸發(fā)加熱器蒸汽側的惰氣。
蒸發(fā)系統(tǒng)停車走水(蒸汽冷凝液)置換時,要緊盯蒸發(fā)溫度變化,以蒸發(fā)溫度變化來確認置換水走到的位置,當位于尿液槽上循環(huán)管線的溫度降至100℃時,繼續(xù)走水10~15min,確保蒸發(fā)系統(tǒng)徹底置換干凈。
(1)在保障CO2壓縮機安全運行的情況下盡可能減少氣缸注油量,同時定期檢查和清洗CO2壓縮機出口油污過濾器;液氨庫要保持50%以上的液位,以減少液氨帶油。
(2)正常生產(chǎn)中,觀察蒸發(fā)系統(tǒng)溫度的變化,若確認存在蒸發(fā)加熱器換熱列管內(nèi)油污結垢的情況,要制定好清洗方案并做好清洗準備,待尿素裝置停車大修時進行清洗。
尿素裝置的負荷要綜合考慮各系統(tǒng)均能平穩(wěn)運行,裝置負荷要與各系統(tǒng)能力匹配。
定期分析蒸發(fā)加熱器蒸汽冷凝液的電導率或氨含量——正常情況下蒸發(fā)加熱器蒸汽冷凝液電導率不超過20μS/cm、氨含量為0;若檢測到蒸汽冷凝液電導率超過20μS/cm,需增加氨含量分析頻次,以判斷蒸發(fā)加熱器列管是否有泄漏,確保及時發(fā)現(xiàn)問題并及時處理。
蒸發(fā)分離器沖洗前須先提蒸發(fā)溫度至高于正常值3~5℃,為沖洗時溫度的下降留出足夠的空間;沖洗前要將管道內(nèi)的冷水排出;每處每次沖洗時間嚴控在3~5s。
控制好一段蒸發(fā)溫度和真空度,嚴防一段蒸發(fā)溫度和真空度突然下降。
因蒸發(fā)真空度過高而致的蒸發(fā)系統(tǒng)溫度提不起來,經(jīng)常發(fā)生在蒸發(fā)系統(tǒng)開車提真空度時,因此要緊盯溫度下降趨勢(防止溫度降至尿液熔點以下),提真空度前須先提蒸發(fā)系統(tǒng)溫度,在溫度合格且有余量的情況下再提真空度,且提真空度時需緩慢多次操作。
(1)當蒸發(fā)系統(tǒng)溫度計接線盒密封蓋破損、螺釘緊固失效或密封O型圈失效等情況發(fā)生時,一旦下雨雨水就會進入接線盒引起溫度計測量不準確,因此儀表維護人員要定期對接線盒進行檢查,必要時用雨布等對溫度計接線盒進行覆蓋保護。
(2)蒸發(fā)系統(tǒng)溫度計是置于套管插入尿液管道內(nèi)測溫的,當套管出現(xiàn)泄漏時,尿液進入套管內(nèi)結晶會致溫度計示數(shù)偏低,因此應利用蒸發(fā)系統(tǒng)停車機會檢查套管的完好性或予以處理。
蒸發(fā)系統(tǒng)的溫度控制,不僅關乎尿素產(chǎn)品的水含量等,而且操作中稍有不慎可能因尿液溫度低于其熔點出現(xiàn)結晶堵管而被迫停車的事故??梢?,蒸發(fā)系統(tǒng)溫度不但是一個工藝指標,更是一個安全指標,操作人員須對蒸發(fā)系統(tǒng)溫度進行嚴格監(jiān)控和調整:日常生產(chǎn)中,要注意觀察蒸發(fā)系統(tǒng)的溫度變化,及時發(fā)現(xiàn)問題并及時處理;當出現(xiàn)蒸發(fā)系統(tǒng)溫度不好提時,尤其是蒸發(fā)系統(tǒng)溫度下降時,操作人員一定要高度重視并及時處理。