張永強(qiáng)

(安徽晉煤中能化工股份有限公司， 安徽臨泉 236400)

安徽晉煤中能化工股份有限公司1#尿素裝置始建于1996年9月，由原化工部第四設(shè)計(jì)院使用“四改六”通用版設(shè)計(jì)[1]，采用水溶液全循環(huán)法工藝。多次技術(shù)改造后，2012年產(chǎn)量達(dá)到25萬t，尿 素蒸汽消耗為1 270 kg/t，電力消耗量為185 kW·h。

隨著尿素產(chǎn)能增加，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。新增的產(chǎn)能大多數(shù)采用汽提法工藝，該工藝與水溶液全循環(huán)法工藝相比，尿素蒸汽消耗低200 kg/t、電力消耗量低50 kW·h左右，成本優(yōu)勢(shì)較為明顯。為此，進(jìn)一步改造1#尿素裝置，通過調(diào)整水溶液全循環(huán)法來降低尿素生產(chǎn)成本。

1 改造前裝置情況

1.1 二氧化碳?jí)嚎s系統(tǒng)

4臺(tái)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)中，有3臺(tái)為4M12C-66/20.68，打氣量為66 m3/min；1臺(tái)為4M16E-85/22.0，打氣量為85 m3/min。為了提高打氣量，一段進(jìn)口增設(shè)了使用深冷水冷卻的氣體冷卻器。

1.2 合成系統(tǒng)

合成系統(tǒng)為雙塔并聯(lián)工藝，1#尿素合成塔容積為23 m3，2#尿素合成塔容積為44 m3。4臺(tái)高壓液氨泵中，3臺(tái)打液量為20 m3/h、1臺(tái)打液量為29 m3/h。4臺(tái)高壓甲銨泵中，3臺(tái)打液量為12 m3/h、1臺(tái)打液量為20 m3/h。1臺(tái)打氣量為85 m3/min的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)、1臺(tái)打液量為29 m3/h的高壓液氨泵、1臺(tái)打液量為20 m3/h的高壓甲銨泵，對(duì)應(yīng)容積為23 m3的尿素合成塔。2臺(tái)打氣量為66 m3/min的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)、2臺(tái)打液量為20 m3/h的高壓液氨泵、2臺(tái)打液量為12 m3/h的高壓甲銨泵，對(duì)應(yīng)容積為44 m3的尿素合成塔。

1.3 中壓分解吸收系統(tǒng)

采用預(yù)分離預(yù)精餾流程，2臺(tái)合成塔出液分別進(jìn)入2臺(tái)預(yù)分離器，減壓分離后，液相分別進(jìn)入2臺(tái)一段分解塔，氣相合并后進(jìn)入一吸冷卻器。2臺(tái)一段分解塔出氣匯合后進(jìn)入閃蒸熱能利用段，回收反應(yīng)熱后與預(yù)分離器出氣混合進(jìn)入2臺(tái)串聯(lián)的一吸冷卻器。一吸冷卻器使用脫鹽水進(jìn)行循環(huán)冷卻，換熱后的脫鹽水送溴化鋰機(jī)組，作為溴化鋰機(jī)組的熱源。溴化鋰機(jī)組制的深冷水供二段蒸發(fā)冷凝器和二氧化碳?jí)嚎s機(jī)一段進(jìn)口冷卻器使用。

1.4 低壓分解吸收系統(tǒng)

2臺(tái)一段分解塔出液匯合后進(jìn)入低壓分解塔上部精餾段，精餾后進(jìn)入下段的降膜式加熱器。出低壓分解塔的氣體進(jìn)入3臺(tái)串聯(lián)的低壓冷凝吸收器，用二表液進(jìn)行冷凝吸收。其中第一、第二低壓冷凝吸收器冷凝的二段甲銨液經(jīng)二甲泵加壓后送入閃蒸熱能利用段；第三低壓冷凝吸收器冷凝的二段氨水經(jīng)氨水泵加壓后送入惰洗器，在惰洗器內(nèi)吸收氨冷凝器尾氣后進(jìn)入一吸塔。第三低壓冷凝吸收器尾氣進(jìn)入尾氣吸收塔，再次用氨水洗滌吸收后放空。

1.5 解吸水解系統(tǒng)

采用1.3 MPa低壓解吸水解流程。氨水經(jīng)水解泵加壓后進(jìn)入水解換熱器，與解吸水解塔出液進(jìn)行換熱，回收熱量后從水解塔上部進(jìn)入。解吸出的氨和二氧化碳由解吸水解塔氣相進(jìn)入回流冷凝器，冷凝的回流液由回流泵送入閃蒸熱能利用段和解吸塔頂(作為塔頂回流液)。為了防止回流冷凝器換熱管結(jié)垢，回流冷凝器用脫鹽水閉路循環(huán)冷卻。脫鹽水帶出的熱量再通過循環(huán)冷卻器用循環(huán)水移走。解吸廢液作為循環(huán)水的補(bǔ)充水使用。

1.6 蒸發(fā)造粒系統(tǒng)

低壓分解塔出液經(jīng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入閃蒸分離器，減壓閃蒸分離后，液相進(jìn)入降膜式閃蒸熱能利用段，回收一段分解氣和二甲液的反應(yīng)熱后流入尿液緩沖槽。閃蒸氣相進(jìn)入閃蒸冷凝器，冷凝后經(jīng)閥門控制進(jìn)入一段蒸發(fā)冷凝器。流入尿液緩沖槽的尿液經(jīng)尿液泵加壓，再經(jīng)調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入一段蒸發(fā)器加熱分離，液相進(jìn)入二段蒸發(fā)器，氣相進(jìn)入一段蒸發(fā)氣洗滌器，洗滌氣相夾帶尿素后進(jìn)入一段蒸發(fā)冷凝器，冷凝后的不凝氣體由噴射泵抽出放空。進(jìn)入二段蒸發(fā)的尿液經(jīng)加熱分離，液相經(jīng)熔融泵送到造粒塔，氣相進(jìn)入二段蒸發(fā)冷凝器，冷凝后的液相流入二表槽，氣體經(jīng)蒸汽噴射泵抽入中間冷凝器，中間冷凝器出氣由噴射泵抽出放空。

1.7 循環(huán)水系統(tǒng)

循環(huán)水泵站有4臺(tái)揚(yáng)程為58 m、打液量為790 m3/h、功率為185 kW的水泵供尿素系統(tǒng)使用，2臺(tái)揚(yáng)程為42 m、打液量為790 m3/h、功率為90 kW的水泵供脫碳系統(tǒng)使用(閑置)。在尿素主廠房4樓增設(shè)1臺(tái)涼水塔，配用2臺(tái)揚(yáng)程為35 m、打液量為1 080 m3/h、功率為160 kW的水泵，專供氨冷凝器A使用。一般情況下，開3臺(tái)功率185 kW和1臺(tái)功率160 kW的水泵，理論耗電量為715 kW·h。

2 改造方案

2.1 合成系統(tǒng)

本次改造中，合成系統(tǒng)設(shè)備流程不做改動(dòng)。中壓吸收系統(tǒng)改造后，入塔水碳比降低0.15，轉(zhuǎn)化率提高2.0%左右，一段分解負(fù)荷降低，可減少蒸汽消耗量約為30 kg。

2.2 中壓分解吸收系統(tǒng)

2.2.1 增設(shè)甲銨分離器和中壓甲銨循環(huán)泵

原2臺(tái)一吸冷卻器，現(xiàn)拆除1臺(tái)。在一吸冷卻器氣液混合物出口增設(shè)容積為9.3 m3的甲銨分離器。一吸冷卻器出來的氣液混合物從甲銨分離器上部切線方向進(jìn)入，在甲銨分離器內(nèi)分離為氣液兩相，其中液相進(jìn)入高壓甲銨泵，經(jīng)高壓甲銨泵加壓后送入尿素合成塔；氣相進(jìn)入一吸塔底部。一吸塔底部少量的甲銨液用中壓甲銨循環(huán)泵加壓后回到一吸冷卻器循環(huán)。改造前后，中壓分解吸收流程示意圖分別見圖1、圖2。

圖1 改造前，中壓分解吸收流程示意圖

圖2 改造后，中壓分解吸收流程示意圖

二甲液由全部進(jìn)入閃蒸熱能利用段，改為分別進(jìn)入預(yù)濃縮器熱能利用段和一吸塔底部。甲銨循環(huán)泵采用2臺(tái)離心泵(1開1備)。由于沒有使用離心泵輸送甲銨液的經(jīng)驗(yàn)，為不影響生產(chǎn)，在改造時(shí)將高壓甲銨泵的進(jìn)出口分別與中壓甲銨循環(huán)泵的進(jìn)出口聯(lián)通，作為應(yīng)急備用。改造后，一吸塔負(fù)荷明顯降低，避免了因一吸塔液位波動(dòng)造成一吸塔超溫，穩(wěn)定了生產(chǎn)。入合成塔的一甲液溫度由改造前的95 ℃提高到110 ℃，一甲液的水碳比由2.45降低到1.60，合成塔的水碳比降低了0.15，合成塔的轉(zhuǎn)化率提高了2%左右。

2.2．2 改造閃蒸熱能利用段

原閃蒸熱能利用段換熱面積為220 m2，換熱列管直徑為19 mm，在運(yùn)行中存在以下問題：

(1) 換熱面積小，不能滿足高負(fù)荷的需求。反應(yīng)熱量回收少，大量反應(yīng)熱被后移到一吸冷卻器，被冷卻水帶走，增加了負(fù)荷[2]。

(2) 閃蒸真空度高時(shí)，換熱列管內(nèi)徑小導(dǎo)致氣體流速大，造成閃蒸分離器帶液嚴(yán)重。

(3) 設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜不便于清洗，列管結(jié)垢嚴(yán)重，換熱效率低。針對(duì)存在的問題，結(jié)合裝置實(shí)際情況，由真空預(yù)濃縮器替換原有的閃蒸器。新設(shè)備換熱列管直徑增加到50 mm，換熱面積增大到560 m2。在同等負(fù)荷情況下，列管內(nèi)的氣體流速下降到原來的7.1%，徹底解決了閃蒸分離器帶液的問題。換熱列管上部的液體分布器采用承插式結(jié)構(gòu)，方便安裝和高壓射流水清洗。由于解決了真空預(yù)濃縮器帶液的問題，真空預(yù)濃縮器內(nèi)的真空度提到520 mmHg，真空預(yù)濃縮器內(nèi)的尿液沸點(diǎn)降低，增大了尿液和氣液混合物的換熱溫差，充分回收利用了系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)熱。換熱后的氣液混合物溫度由改造前的120 ℃降低到110 ℃，僅此一項(xiàng)回收到的熱量相當(dāng)于每噸尿素150 kg蒸汽。

2.2.3 改造中壓尾氣吸收系統(tǒng)

在歷次改造中，都沒有改動(dòng)惰洗器，冷卻段的冷卻面積只有36 m2，與系統(tǒng)負(fù)荷不相匹配。此次改造本著節(jié)約利舊的原則，利用退下的閃蒸器進(jìn)行改造。保留惰洗器上部防爆段位置不動(dòng)，割除下段換熱段。分離閃蒸熱能利用段與閃蒸器上段，拆除換熱段上部的液體分布管，增加上部封頭，作為獨(dú)立的惰洗器冷卻器使用。氣氨在惰洗器冷卻器殼側(cè)充分冷凝吸收后進(jìn)入原惰洗器防爆段分離，液相回流到一吸塔，氣相進(jìn)入新增的惰氣精洗系統(tǒng)。惰氣精洗系統(tǒng)由3臺(tái)臥式冷卻器和3臺(tái)柱塞泵組成，其中兩臺(tái)氨水泵(1開1備)，利用原來的二甲泵、精洗泵、氨水泵。3臺(tái)冷卻器串聯(lián)冷卻吸收，冷卻器臥式放置，可減小系統(tǒng)阻力。惰洗器來的中壓尾氣從清洗器冷卻器A底部進(jìn)入，通過管間折流板與冷凝液逆流接觸吸收，依次通過冷卻器B/C，經(jīng)精洗器用冷凝液吸收后放空。冷凝液收集總管來的冷凝液，經(jīng)精洗泵進(jìn)口緩沖槽緩沖后溢流到蒸汽冷凝液槽，以此保證精洗泵進(jìn)口緩沖槽液位始終處于充滿狀態(tài)，減少操作控制環(huán)節(jié)。冷凝液經(jīng)精洗泵加壓后進(jìn)入冷卻器，用循環(huán)水冷卻后進(jìn)入惰氣精洗器。在精洗器初步吸收后流入精洗器冷卻器C，通過管間折流板與中壓尾氣逆流接觸冷卻吸收，依次通過冷卻器B/A進(jìn)入氨水泵，經(jīng)氨水泵加壓后送入惰洗器。為了保證精洗器冷卻器內(nèi)的液體始終處在充滿狀態(tài)并保證吸收效果，精洗器冷卻器出液管設(shè)計(jì)為“U”型管。改造后，精洗器尾氣中的氨體積分?jǐn)?shù)降低到0.2%。

改造后，尾氣精洗流程示意圖見圖3。

圖3 改造后，尾氣精洗流程示意圖

2.3 低壓分解吸收系統(tǒng)

2.3.1 改造低壓分解塔

原低壓分解塔分上下兩段，上段為5層塔板組成的精餾段，下段是降膜式加熱器，使用1.3 MPa蒸汽加熱。本次改造保留上部精餾段。在精餾段下部引入解吸水解塔出氣，降低進(jìn)入低壓吸收系統(tǒng)的總水量，割除下部加熱段，在割除部位組焊新加工制作的汽提段。汽提段內(nèi)裝有規(guī)整填料和特制的氣體分布器。新增加的低壓分解加熱器采用兩段式結(jié)構(gòu)，上段使用二級(jí)膨脹槽閃蒸出的低壓蒸汽加熱，下段利用解吸廢液加熱。中壓分解塔出來的尿液經(jīng)調(diào)節(jié)閥控制減壓后從低壓分解塔上部進(jìn)入精餾段，經(jīng)過5層塔板換熱精餾后從低壓分解塔一次出口流出，從低壓分解加熱器下部進(jìn)入，經(jīng)解吸廢液和低壓蒸汽加熱后再次進(jìn)入低壓分解塔汽提段，與從底部加入的二氧化碳?xì)怏w逆流接觸，在二氧化碳?xì)怏w汽提作用下，提高尿液中的甲銨分解率和總氨蒸出率。二氧化碳?xì)怏w來自二氧化碳?jí)嚎s機(jī)二段出口。汽提后的尿素從低壓分解塔二次出口進(jìn)入真空預(yù)濃縮器。

2.3.2 改造低壓吸收解吸系統(tǒng)

本次改造將合并低壓吸收與解吸水解系統(tǒng)，取消了尾氣吸收塔。解吸系統(tǒng)取消回流冷凝器，改造為低壓預(yù)冷吸收器；取消循環(huán)冷卻器、循環(huán)冷卻泵、回流泵。解吸塔頂回流液改為氨水(平時(shí)基本不用)。解吸水解塔出氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥控制后進(jìn)入低壓分解塔的精餾段下部，在塔板上回收解吸水解塔出氣的熱量，降低出氣中的水含量。低壓分解塔出氣從低壓預(yù)冷器頂部進(jìn)入，與從低壓第二冷凝吸收器來的甲銨液并流吸收，低壓預(yù)冷器出液管口標(biāo)高高于低壓第一冷凝吸收器，以降低系統(tǒng)阻力。為了提高吸收效果，甲銨液通過專用噴頭在設(shè)備內(nèi)霧化。低壓預(yù)冷器由解吸水解系統(tǒng)的回流冷凝器改造而成。低壓預(yù)冷器管間用脫鹽水循環(huán)冷卻，脫鹽水帶走的熱量供合成氨系統(tǒng)溴化鋰使用。通過預(yù)冷卻器冷凝后的氣液混合物進(jìn)入低壓第一冷凝吸收器進(jìn)一步冷卻冷凝吸收，形成的甲銨液用二甲泵加壓后送到預(yù)濃縮器的熱能利用段。在低壓第一冷凝吸收器未吸收完全的氣體進(jìn)入低壓第二冷凝吸收器，用二表液繼續(xù)吸收。低壓第二冷凝吸收器由兩部分組成，上部是填料精洗段，下部是冷卻段，冷卻段采用臥式結(jié)構(gòu)，以減小系統(tǒng)壓差。二表液經(jīng)二甲泵加壓后進(jìn)入低壓第二冷凝吸收器，經(jīng)噴頭噴灑到填料上，與氣體逆流接觸吸收后，流入冷卻器繼續(xù)冷卻冷凝吸收。吸收后的氣體引到造粒塔頂部放空。吸收后形成的低濃度甲銨液，經(jīng)低壓甲銨循環(huán)泵加壓后送入預(yù)冷循環(huán)吸收。

改造后，低壓分解吸收系統(tǒng)流程示意見圖4。

圖4 改造后，低壓分解吸收系統(tǒng)流程示意圖

2.4 蒸發(fā)系統(tǒng)改造

用真空預(yù)濃縮器代替原來的閃蒸蒸發(fā)器。由于真空預(yù)濃縮器回收熱量較多，閃蒸冷凝器的熱負(fù)荷比原來增加3倍以上，一段蒸發(fā)冷凝器的負(fù)荷相應(yīng)降低較多。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備情況，調(diào)整冷凝器，原一段蒸發(fā)冷凝器的換熱面積400 m2，經(jīng)計(jì)算基本滿足閃蒸冷凝器的需要，于是互換閃蒸冷凝器和一段蒸發(fā)冷凝器。改造后，不再對(duì)真空預(yù)濃縮器與一段蒸發(fā)器之間的位差和壓差有要求，真空預(yù)濃縮器內(nèi)的真空度甚至可以高于一段蒸發(fā)器內(nèi)的真空度。為便于調(diào)節(jié)真空預(yù)濃縮器真空度，閃蒸冷凝器氣相出口分兩支，分別到一段蒸發(fā)冷凝器和一段噴射器。3只噴射器原使用蒸汽作動(dòng)力，此次改造時(shí)，將一段噴射器和二段蒸發(fā)第二噴射器改為水力噴射器，以二表液(氨含量低可以代替脫鹽水)經(jīng)泵加壓后作為動(dòng)力。

與用蒸汽作動(dòng)力相比，用水作動(dòng)力有以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 能耗低。經(jīng)計(jì)算分析水力噴射消耗的電能低于蒸汽噴射消耗的熱能。

(2) 減少排放，有利于環(huán)保。蒸汽噴射器內(nèi)沒有完全冷凝的氣體(主要是氨和二氧化碳)被抽出后放空。此時(shí)，水與氣體充分混合，部分氨溶于水中后被回收到系統(tǒng)。水力噴射循環(huán)槽放置在2樓，液位高時(shí)自動(dòng)溢流到氨水槽，保證水力噴射循環(huán)槽液位始終處于充滿狀態(tài)。

2.5 改造蒸汽冷凝液系統(tǒng)

本次改造進(jìn)一步完善蒸汽冷凝液分級(jí)使用，充分利用蒸汽及冷凝液的熱能。一段分解塔加熱器、一段蒸發(fā)加熱器、二段蒸發(fā)加熱器出來的冷凝液溫度壓力較高，收集到一級(jí)蒸汽冷凝液膨脹槽，膨脹產(chǎn)生的二次蒸汽供低壓分解塔上段加熱器使用。一級(jí)蒸汽冷凝液膨脹槽的冷凝液流入二級(jí)蒸汽冷凝液膨脹槽，再次膨脹產(chǎn)生的蒸汽供系統(tǒng)保溫使用，冷凝液進(jìn)入一段蒸發(fā)下加熱器，再次回收熱量后進(jìn)入液氨預(yù)熱器用于加熱入塔液氨[3]。

改造后，蒸發(fā)系統(tǒng)流程示意見圖5。

圖5 改造后，蒸發(fā)系統(tǒng)流程示意圖

2.6 改造循環(huán)水系統(tǒng)

改造前，尿素主廠房和二氧化碳?jí)嚎s機(jī)共用循環(huán)水系統(tǒng)，在水泵選型時(shí)必須按最高處設(shè)備用水考慮，所選水泵揚(yáng)程偏高、功率較大[4]。通過測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際壓力、流量、阻力等后，決定按分層供水考慮，二氧化碳?jí)嚎s機(jī)和主廠房24 m以下的設(shè)備為一組，選擇揚(yáng)程較低的水泵供水；24 m以上的設(shè)備采用接力供水。新增一臺(tái)揚(yáng)程為29 m、體積流量為2 600 m3/h、功率為280 kW的水泵與原水泵并聯(lián)；聯(lián)通原脫碳循環(huán)水系統(tǒng)和尿素循環(huán)水系統(tǒng)，共同作為低層供水管網(wǎng)。在尿素主廠房上水總管24 m處安裝閥門，分開高層和低層用水設(shè)備。在尿素主廠房一樓增加1臺(tái)揚(yáng)程為13 m、體積流量為1 200 m3/h、功率為75 kW的水泵，把一部分循環(huán)水加壓后供24 m以上設(shè)備使用。新增的水泵不設(shè)置備用泵，當(dāng)檢修新增水泵故障時(shí)，可以切換為原來的流程。改造后，總功率從555 kW降為355 kW，按年運(yùn)行330 d計(jì)算，每年可節(jié)約資金90.3萬元。

3 改造效果

改造工作歷時(shí)16 d。開車工作不是很順利，經(jīng)過一段時(shí)間摸索后系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定。與改造前相比，一吸塔負(fù)荷明顯減輕，一吸塔操作彈性增大，特別是開車過程中一吸塔液位比較容易控制；噸尿素蒸汽消耗下降238 kg，電力消耗降低7 kW·h，原料氨消耗下降2 kg，尾氣中氨體積分?jǐn)?shù)有所下降(夏季不超過1.0%，冬季可達(dá)到0.1%)，環(huán)境效益顯著。

表1 改造前后72 h測(cè)試結(jié)果對(duì)比

改造后，生產(chǎn)尿素21萬t/a，全年平均噸尿素消耗蒸汽為1 060 kg、液氨為572 kg，耗電量為178 kW·h。每年可節(jié)約資金610萬元。本次改造極大地降低了水溶液全循環(huán)法尿素裝置的綜合能耗，降低了單位成本，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語

本次節(jié)能改造采用了先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，有效降低了水溶液全循環(huán)法尿素裝置的綜合能耗，減少了環(huán)境污染，降低了單位成本，確保了生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到降耗、節(jié)能、減排、增效的目的。