陳慶鶴

（江蘇晉控裝備新恒盛化工有限公司，江蘇新沂 221400）

伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國的工業(yè)及農(nóng)業(yè)水平提升，尤其是農(nóng)業(yè)發(fā)展對尿素產(chǎn)量提出較高的要求。我國作為尿素大國，尿素廠數(shù)量為世界最多，產(chǎn)量也處于世界榜首。但我國的能源產(chǎn)業(yè)面對較大的壓力，要求尿素產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中積極使用節(jié)能技術(shù)，避免發(fā)生能源浪費問題。二氧化碳汽提法在生產(chǎn)過程中，熱能往往沒有大量回收，而是根據(jù)循環(huán)水冷卻的方式，將熱能消耗，導(dǎo)致熱能及水資源浪費。對此，本文分析二氧化碳汽提法工藝中的節(jié)能方法，為我國尿素節(jié)能生產(chǎn)奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)二氧化碳汽提法

制作尿素最為常見的方法是汽提法，根據(jù)生產(chǎn)工藝又可分為氨氣汽提法及CO2汽提法，我國常見的是CO2汽提法，該制作方法工藝簡單，操作方便，流程短。近幾年，我國CO2汽提法不斷改善，產(chǎn)量也不斷提升，但先進(jìn)的池式反應(yīng)器使尿素框架高度降低，對減輕蒸汽消耗量幫助不大。

在傳統(tǒng)CO2汽提法生產(chǎn)過程中，通過高低壓分解及回收、解吸水解等方法，主要特點是在操作中，對溫度及壓力進(jìn)行控制，在壓力較低的狀態(tài)下生產(chǎn)，整個加工工藝流程短，在高壓轉(zhuǎn)向低壓的過程中，操作較為便利，能耗小；但存在轉(zhuǎn)化率較低，導(dǎo)致尿素產(chǎn)量無法提升的缺陷。我國在1970年開始引入斯塔米卡邦公司的CO2汽提法，并對該工藝進(jìn)行改善，在二十一世紀(jì)初期，我國引入先進(jìn)的Urea2000+工藝。在1970后，我國的尿素裝置蒸汽消耗參數(shù)發(fā)生變化。1973年，我國引入遼河裝置，溫度在183℃，壓力在13.3MPa，氨碳比為2.85，水碳比為0.388，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為57.10%，每噸消耗的蒸汽在1 005kg。1994年，我國開始引入先進(jìn)的防腐裝置，防腐加氧量在千分之五，溫度在183℃，壓力在14.3MPa，氨碳比在3.02，水碳比在0.425，二氧化碳轉(zhuǎn)化率在59.54%，每噸消耗的蒸汽量在1 003kg。2008年，我國將一種全新裝置引入，防腐加氧量保持在千分之三，溫度保持在184.6℃，壓力保持在14.1MPa，氨碳比在3.12，水碳比在0.515，二氧化碳轉(zhuǎn)化率在58.36%，每噸消耗的蒸汽量在985kg。2011年，引入博大裝置參數(shù)，溫度在184.3℃，壓力控制在14.2MPa，氨碳比在3.12，水碳比在0.513，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率在59.86%，每噸消耗蒸汽量在920kg。

2 CO2汽提法蒸汽消耗的因素

CO2汽提法蒸汽系統(tǒng)使用水解塔及汽提塔、蒸汽飽和器等，2.5MPa蒸汽進(jìn)入水解塔及汽提塔中，冷凝后進(jìn)入高壓蒸汽飽和器。對汽提塔負(fù)荷高低產(chǎn)生影響的因素是二氧化碳轉(zhuǎn)化率及汽提塔效率降低，導(dǎo)致二氧化碳轉(zhuǎn)化率增高，分解的NH2COONH4量縮減，導(dǎo)致汽提塔運行負(fù)荷縮減，汽提塔的運行效率隨之 增高。

2.1 二氧化碳轉(zhuǎn)化率

二氧化碳轉(zhuǎn)化率對尿素合成塔工作效率產(chǎn)生影響，其影響因素包括溫度、水碳比、氨碳比等。尿素合成反應(yīng)分為兩個步驟，將氨氣及二氧化碳產(chǎn)生的NH2COONH4脫水轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩?，在溫度范圍?nèi)，提升反應(yīng)溫度，有利于提升尿素的生成反應(yīng)速度，提升二氧化碳轉(zhuǎn)化率。通過蒸汽反應(yīng)，使溫度增高，介質(zhì)腐蝕程度上升。對此，還需使用價格更為昂貴的抗腐蝕性材料。伴隨氨碳比上升，在一般工藝條件下，氨碳比增高，平衡壓力增高，過剩的氨循環(huán)量增高，平衡壓力增高，動力消耗量增加，過剩的氨循環(huán)負(fù)荷增高，從而導(dǎo)致高壓圈水量增多，二氧化轉(zhuǎn)化率降低。

2.2 汽提效率

二氧化碳進(jìn)入汽提塔后，合成塔液在塔頂分布器中流動，二氧化碳自汽提塔塔底進(jìn)入，合成塔液接觸到二氧化碳，在分解反應(yīng)后，二氧化碳自塔頂輸出，進(jìn)入高壓甲銨冷凝器，可縮減氨分壓，使甲銨的分解速度加快，最終形成尿素。對此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到以下問題：①壓力有利于提升二氧化碳汽提。②尿素溶液溫度增高可加快游離，使甲銨快速分解，為氣體吸收提供幫助。③在汽提塔中氣液分布可平衡氣液比例，比例高氣體效率高。可根據(jù)計算公式進(jìn)行分析，根據(jù)α=轉(zhuǎn)化為尿素的氨氣量/總的氨氣量* 100%公式，一旦水碳比增高，二氧化碳轉(zhuǎn)化率降低。對此，汽提塔汽提率效果不理想，而是應(yīng)當(dāng)適當(dāng)對汽提率進(jìn)行縮減，縮減范圍在2.2MPa。傳統(tǒng)二氧化碳汽提法適當(dāng)降低分解吸收系統(tǒng)中的NH2COONH4量，可以降低汽提效率。

3 CO2汽提法尿素工藝中節(jié)能方法

針對CO2汽提法工藝發(fā)展情況及存在的問題，提出CO2汽提法節(jié)能措施，從而提升工藝效果，保證尿素穩(wěn)定生產(chǎn)，提升產(chǎn)量的同時，降低能源消耗。

3.1 縮減蒸汽消耗的措施

氨碳比增加千分之一，水碳比也會增加，導(dǎo)致二氧化碳轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定，增加氨碳比，對縮減蒸汽消耗的意義不大，傳統(tǒng)二氧化碳汽提法，若想縮減蒸汽消耗量，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)縮減汽提塔的運轉(zhuǎn)負(fù)荷。根據(jù)氨氣、二氧化碳、水三元圖，可以認(rèn)識到回收的NH2COONH4量水分少，0.3MPa以下的NH2COONH4液體量縮減，對此，還需增加水壓，降低汽提塔蒸汽損耗量。傳統(tǒng)二氧化碳汽提法在應(yīng)用中，冷凝器水分溫度低，無法對加熱源分解，往往需要設(shè)置中壓閃蒸措施。在沒有加熱源的情況下，負(fù)荷受到影響，往往需要設(shè)置中壓閃蒸流程。若負(fù)荷受到限制，汽提塔負(fù)荷下降量過少，使用Urea2000+工藝流程，包括日本東洋公司的ACES21工藝及五環(huán)工程THESES技術(shù)，使用特殊的高壓冷凝設(shè)備，生產(chǎn)出0.6MPa飽和蒸汽，將其作為中壓分解。這種工藝可以節(jié)約2.5MPa的蒸汽，使蒸汽消耗量控制在750kg以內(nèi)。

3.2 CO2汽提法尿素工藝部分節(jié)能措施

現(xiàn)階段，二氧化碳汽提法尿素工藝節(jié)能措施包括：①使用高壓甲銨泵及高壓液氨泵控制變頻調(diào)速裝置。在一定程度上降低噸尿素?fù)p耗，達(dá)到理想的控制效果。②尿素裝置具有14MPa合成壓力，相比水溶液循環(huán)法，尿素工藝合成壓力小，一定程度上改善電能消耗。相比水溶液循環(huán)工藝，使用的尿素合成工藝可以降低能耗。在常壓及低壓吸收塔進(jìn)行設(shè)置，對高壓洗滌器系統(tǒng)尾氣排空問題進(jìn)行處理，經(jīng)過0.4MPa吸收塔對內(nèi)部二氧化碳及氨氣進(jìn)行吸收，吸收后去常壓及低壓處理，一定程度上降低原材料消耗，達(dá)到降低有害物質(zhì)排放量的目的。

3.3 更換分布器，提升汽提率

自實際角度上看，二氧化碳汽提法通過二氧化碳汽提方式保證反應(yīng)效果，在高壓合成系統(tǒng)中完成甲銨分解，導(dǎo)致低壓負(fù)荷增加，使放空損失量增高，原料氨損失量降低。對此，應(yīng)當(dāng)合理控制汽提效果，避免對二氧化碳汽提率產(chǎn)生影響。汽提塔分布孔對汽提管液體分布產(chǎn)生影響，液膜厚度也存在差異，導(dǎo)致二氧化碳汽提率受到影響。過往的工廠在尿素生產(chǎn)過程中，汽提塔分布器具有較長的使用周期，在檢修過程中應(yīng)當(dāng)更換零件，分布混合應(yīng)用阻力也并非是正態(tài)分布，離散度較大，導(dǎo)致汽提塔液體呈現(xiàn)不均勻分布，使汽提工作效率降低。在整改及更換后，設(shè)備分布器小孔阻力集中分布，具有較小的離散度，液體分布相對均勻，這也在一定程度上保證汽提效率。

3.4 對技術(shù)進(jìn)行改造及設(shè)備更新

技術(shù)進(jìn)行改造及設(shè)備更新包括以下幾個方面：①對二氧化碳壓縮機(jī)及防喘控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。在CO2汽提法尿素生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)對二氧化碳壓縮機(jī)速度進(jìn)行控制，現(xiàn)階段的調(diào)速及防喘振系統(tǒng)中，防喘振閥預(yù)留出開度，壓縮機(jī)低壓缸循環(huán)量較大，導(dǎo)致壓縮機(jī)能耗增加、工作效率無法有效提升。對此，在升級改造過程中，需要選擇具有控制系統(tǒng)的服務(wù)商，在優(yōu)化改革后解決傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)速面對的問題，使調(diào)速精度提升，喘振裕度達(dá)到理想的標(biāo)準(zhǔn)，從而縮減二氧化碳壓縮機(jī)能源消耗。②對CO2壓縮機(jī)透平噴嘴進(jìn)行調(diào)整。在尿素生產(chǎn)過程中，前期低壓蒸汽品質(zhì)差，容易導(dǎo)致二氧化碳壓縮機(jī)透平蒸汽噴嘴處于嚴(yán)重的坑蝕狀態(tài)。在一定程度上使噴嘴形態(tài)發(fā)生變化，透平葉片內(nèi)部無法獲得蒸汽程序，無功損失率增高，降低工作效率的同時，也提升蒸汽消耗量，對此，對噴嘴進(jìn)行更換，有利于降低損耗量。

3.5 使用電機(jī)變頻調(diào)速裝置

為滿足二氧化碳汽提工藝要求，降低企業(yè)能源消耗，企業(yè)可引入電機(jī)變頻調(diào)速裝置，該裝置可縮減生產(chǎn)過程中的電消耗量，發(fā)揮節(jié)能效果。電機(jī)變頻調(diào)速裝置合成壓力在14MPa，有效減少二氧化碳壓縮機(jī)及高壓液氨泵電能消耗量，該裝置與水溶液循環(huán)尿素工藝相比，可達(dá)到降低電能的目標(biāo)。

3.6 對設(shè)備腐蝕問題進(jìn)行處理，降低消耗

在尿素生產(chǎn)過程中，常見設(shè)備腐蝕。比如，晶間腐蝕，甲銨溶液可腐蝕不銹鋼，對焊機(jī)縫融合線具有較強(qiáng)的腐蝕性。溶液中的硫化物及水分會導(dǎo)致不銹鋼發(fā)生敏化反應(yīng)。敏化反應(yīng)腐蝕對不銹鋼持續(xù)性腐蝕，先腐蝕表面，隨后腐蝕內(nèi)部，容易發(fā)生嚴(yán)重的損壞。均勻腐蝕是尿素生產(chǎn)過程中的常見問題，導(dǎo)致金屬表面失去光澤，使金屬表面變得粗糙。選擇性腐蝕，甲銨溶液對不銹鋼縫隙產(chǎn)生腐蝕，腐蝕導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生損害，工作效率降低。在二氧化碳汽提法尿素生產(chǎn)過程中，發(fā)生腐蝕的表現(xiàn)一般是受到介質(zhì)溫度及介質(zhì)物質(zhì)發(fā)生變化，介質(zhì)溫度對高壓設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，從腐蝕原理上看，尿素設(shè)備腐蝕主要發(fā)生還原性腐蝕，加速溶液還原物質(zhì)生成，從而加速尿素高壓設(shè)備電化學(xué)腐蝕。介質(zhì)物料對高壓設(shè)備也會產(chǎn)生影響，高壓設(shè)備腐蝕的電化學(xué)因素，在尿素生產(chǎn)過程中，會加大腐蝕。對此，在腐蝕管理過程中，應(yīng)當(dāng)選擇合適的材料，降低腐蝕率，腐蝕率降低后，企業(yè)能耗隨之減小。對此，在尿素生產(chǎn)過程中，受到各種影響可能停產(chǎn)，高壓物料封塔處理過程中，高壓封塔期間氧含量降低，其他材料降低的情況下，一般只能維持24h，24h未能投入新的物料，需要進(jìn)行排放處理。Safure材料處于低氧環(huán)境下具有良好的抗腐蝕能力，在尿素生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)選擇此類材料，增加搶修時間，減少停產(chǎn)頻次，降低企業(yè)損失。

3.7 解吸水解系統(tǒng)節(jié)能操作

在二氧化碳汽提法生產(chǎn)過程中，解吸塔給料泵將氨水槽中的水分加壓后（其中含有氨氣及尿素、二氧化碳，工藝?yán)淠海?，通過換熱器，將液體送至第一解吸塔，通過解吸塔處理功能及氨水槽對液位進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫度控制在117℃，自塔頂開始向下傳遞熱度，調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)回流液體過程中，第一塊塔板溫度保持在115℃，需降低第一解吸塔含水量，保證回流液的含量。在第一解吸塔中，水解塔及解吸塔將液體冷凝，將氨氣及二氧化碳提出。流出第一解吸塔后，液體中存在少量的氨氣及尿素，第一解吸塔液位調(diào)節(jié)過程中，通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)整。第一解吸塔液位調(diào)節(jié)閥在運行過程中，第一解吸塔液體使用水解泵加壓，通過水解換熱器后進(jìn)入水解塔，在操作過程中，水解塔壓力保持在1.96MPa，在操作過程中，溫度保持在215℃，停留時間保持在40min，使用高壓蒸汽加熱，隨后對蒸汽流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使蒸汽流量進(jìn)入水解塔底部。水解塔內(nèi)的液體經(jīng)過水解換熱后，液位調(diào)節(jié)閥排放至第二解吸塔，在第二解吸塔底部通低壓蒸汽，使第二解吸塔溫度保持沸點，進(jìn)一步對水解液進(jìn)行分解。

3.8 常壓吸收塔節(jié)能操作

減少0.4MPa吸收塔下液壓力，避免常壓吸收塔上段發(fā)生帶液問題，常壓吸收塔中二氧化碳質(zhì)量自15%下降到8%，觀察是否發(fā)生管路堵塞問題。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷的狀態(tài)，對吸收塔軟水加入量進(jìn)行調(diào)整，提升吸收塔的工作效率，經(jīng)過尾氣吸收后，氨氣含量降低，有利于降低尿素?fù)p耗，每噸尿素少損耗2kg。

3.9 尾氣吸收系統(tǒng)節(jié)能改造

在系統(tǒng)改造前，我國常用的低壓放空氣系統(tǒng)，在常壓狀態(tài)下，吸收塔上部填料使用0.4MPa吸收塔吸收液體，為增加循環(huán)量，進(jìn)入常壓狀態(tài)后，經(jīng)吸收塔水循環(huán)冷卻器再次送至常壓吸收塔，在第二段的填料上部完成循環(huán)吸收。常壓吸收塔工作中，存在溢流口，循環(huán)吸收的液體自溢流口進(jìn)入氨水槽。尾氣吸收系統(tǒng)存在的典型問題是吸收塔中氨量高，容易在進(jìn)入吸收塔后，發(fā)生閃蒸情況，導(dǎo)致常壓狀態(tài)下的吸收塔氣相帶液。一般情況下，常壓吸收塔液體中的氨量高，低壓放空氣含有大量的二氧化碳，常壓吸收塔下液結(jié)晶溫度處于較高的水平，溫度一般在55℃，在生產(chǎn)過程中可能發(fā)生結(jié)晶堵塞。在系統(tǒng)改造過程中，對常規(guī)循環(huán)吸收調(diào)整為常壓吸收，降低循環(huán)吸收液體濃度，保證整體吸收效果。常壓吸收塔自倒U形管管路進(jìn)行控制，調(diào)整為液管上安裝調(diào)節(jié)閥，避免液位波動產(chǎn)生氣體進(jìn)入氨水槽，也能減輕環(huán)境污染。通過舊設(shè)備改造方法，有利于改善常壓吸收，使軟水作為吸收液，降低尾氣氨氣含量，避免發(fā)生放空損耗。

4 結(jié)束語

二氧化碳汽提法發(fā)展過程中，操作工藝較為簡單，工藝流程短，已經(jīng)受到較多尿素廠的青睞，伴隨市場環(huán)境改善，節(jié)能減排受到政府重視，尿素廠在生產(chǎn)過程中，應(yīng)當(dāng)關(guān)注節(jié)能減排工作，注意電能、蒸汽、水能源的消耗量。在CO2汽提法尿素工藝中，冷卻設(shè)備的目的是換熱降溫，物料工藝上對水溫具有較高的要求，對此，對循環(huán)水溫度提出較高的要求，導(dǎo)致冷卻設(shè)備內(nèi)部發(fā)生結(jié)垢，對換熱效率產(chǎn)生影響，甚至對系統(tǒng)穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。在實際運行過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況，在換熱后對物料進(jìn)行更換或者將熱量回收，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。