尿素裝置超低負荷運行的可行性研究

武滿紅

（云南水富云天化有限公司尿素車間，云南水富 657800）

尿素裝置超低負荷運行的可行性研究

武滿紅

（云南水富云天化有限公司尿素車間，云南水富 657800）

通過對云南水富云天化有限公司尿素裝置的設(shè)備及工藝分析，找出裝置在超低負荷（60%～65%）下運行的瓶頸。通過搜集裝置在超低負荷下運行數(shù)據(jù)，進行分析研究，針對性提出應(yīng)對措施，通過實際運行維護來驗證裝置在超低負荷運行的安全性和可行性。

尿素裝置；超低負荷；可行性

云南水富云天化有限公司（以下簡稱“公司”）尿素裝置采用荷蘭Stamicarbon二氧化碳汽提技術(shù)，原設(shè)計能力為1 620 t／d，經(jīng)過2003年的增產(chǎn)改造及系統(tǒng)優(yōu)化后，裝置最大生產(chǎn)能力已達到2 450 t／d。但是，由于外界環(huán)境的影響，天然氣供應(yīng)一直比較緊張，尿素裝置低負荷生產(chǎn)已不可避免。

尿素裝置在低負荷下運行時，經(jīng)濟效益低，單位產(chǎn)品的物耗和能耗大幅增加，同時由于裝置負荷過低，尿液和甲銨的混合液在汽提塔（201-C／CB）分配管中不易形成液位，汽提管內(nèi)液體分布不均，導(dǎo)致汽提管內(nèi)液氣比失調(diào)，造成汽提塔部分列管腐蝕加劇。根據(jù)Stamicarbon設(shè)計要求，CO2負荷不能低于70%運行（Stamicarbon口頭建議CO2負荷不能低于65%），否則汽提塔將遭受嚴重腐蝕。2011年10月，由于天然氣供應(yīng)的原因，公司的尿素裝置在62%負荷下連續(xù)運行了3天，但產(chǎn)品質(zhì)量及設(shè)備運行較好。所以，有必要探討尿素裝置在超低負荷下運行的可行性，為公司的尿素裝置在非正常供氣下運行提供依據(jù)。

1 裝置在超低負荷下運行的瓶頸

1．1 汽提塔的腐蝕速率增加

汽提塔結(jié)構(gòu)較為特殊，其中的液體分布器是汽提塔中關(guān)鍵部件，其作用就是將液體均勻分布到每根汽提管內(nèi)。當系統(tǒng)負荷降低后，流經(jīng)汽提塔的物料量將減少，使得上管箱內(nèi)液面高度降低、靜壓頭減小、液膜將變薄和不完整、液體分布不均勻性增加、部分管內(nèi)氣液比較低，造成該管內(nèi)汽提效率降低；同時，該汽提管內(nèi)液相中溶解的氧含量也將降低，甲銨在高溫下分解，管壁氧化膜被破壞，導(dǎo)致汽提塔的列管腐蝕加劇。為此，Stamicarbon建議公司尿素裝置負荷不能低于65%。

1.2 小汽提塔封塔維護風(fēng)險增大

根據(jù)Stamicarbon設(shè)計要求，當系統(tǒng)負荷低于25 000 m3／h（即65%負荷）時，需切除小汽提塔（201-CB）和新循環(huán)系統(tǒng)，但是切除小汽提塔會存在以下問題：

1）根據(jù)《汽提塔201-CB維護檢修規(guī)程》要求，201-CB封塔時間不能超過72 h，否則設(shè)備鈍化膜將遭到破壞。

2）若合成塔至201-CB進液閥HV-205內(nèi)漏較大，201-CB在有工藝介質(zhì)情況下封塔，勢必加劇201-CB的腐蝕，縮短封塔時間。

3）由于系統(tǒng)負荷很低，進入大小汽提塔的CO2不好控制。201-CB中的二氧化碳加入量控制較低將導(dǎo)致201-CB腐蝕，而201-CB二氧化碳加入量過大將導(dǎo)致大汽提塔201-C氣液比降低，不但造成201-C汽提效率降低而且造成201-C嚴重腐蝕。

4）在201-CB排放液位時，如果排放控制不好（二氧化碳竄入循環(huán)系統(tǒng)），不僅存在循環(huán)系統(tǒng)超壓風(fēng)險，甚至?xí)鸶邏杭卒@泵汽化、高壓系統(tǒng)超壓。

5）如果進201-CB的二氧化碳止逆閥內(nèi)漏，存在201-CB中的二氧化碳管線堵塞的風(fēng)險（2010年9月19日切除小汽提塔后，由于CO2止逆閥內(nèi)漏以及進入201-CB二氧化碳流量表指示不準，造成進201-CB二氧化碳管線堵塞）。

1.3 產(chǎn)品質(zhì)量下降

裝置在低負荷運行時，流入汽提塔的物料減少，造成液體流經(jīng)高溫段的流速降低，停留時間延長。由于尿素是熱敏性較強的物質(zhì)，在高溫條件下，尿素聚合反應(yīng)和水解反應(yīng)隨停留時間的延長和溫度的升高而加?。ㄈ鐖D1所示），這樣不但造成尿素產(chǎn)品中縮二脲含量升高，影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時也降低了尿素的產(chǎn)率。

尿素在循環(huán)系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)也會由于溫度高、停留時間長而造成產(chǎn)品中縮二脲含量升高。

圖1 溫度、停留時間與縮二脲生成率的關(guān)系Figure 1 Relationship among temperature，residence time and the generation rate of biuret

2 裝置在超低負荷下運行時的控制措施

針對CO2汽提法尿素裝置在超低負荷下運行所存在的問題，提出以下控制措施，以減緩設(shè)備腐蝕，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證裝置的安全運行。

2.1 控制高壓系統(tǒng)的氨碳比

從設(shè)備方面考慮，尿素裝置在超低負荷下運行時，對汽提塔的影響最為嚴重，主要是由于負荷降低后，物料不容易在汽提塔液體分布器上部形成液位，造成汽提塔列管內(nèi)物料分布不均，導(dǎo)致列管嚴重腐蝕。為此，采取提高高壓系統(tǒng)進料氨碳比的方法增加系統(tǒng)的循環(huán)量，達到提高進入汽提塔的物料量，改善汽提塔液體分布器的分配效果，從而減緩設(shè)備腐蝕。當然，高氨碳比勢必會增加裝置電力、蒸汽等消耗。

裝置氨碳比設(shè)計控制指標為3.0～3.4，當裝置在超低負荷下運行時，控制氨碳比在3.3～3.4之間。

2.2 不切除小汽提塔及新循環(huán)系統(tǒng)

不切除小汽提塔及新循環(huán)系統(tǒng)，不僅可以延長裝置在超低負荷下運行的時間，避免小汽提塔封塔72 h后裝置停車，而且也降低維護風(fēng)險。

2011年10月，公司尿素裝置在62%負荷下運行時，小汽提塔和新循環(huán)系統(tǒng)未切除，從分析數(shù)據(jù)及裝置運行情況看，小汽提塔的腐蝕在允許范圍內(nèi)。

2.3 提高進入系統(tǒng)的氧含量

提高進入系統(tǒng)的氧含量，可以提高液相中氧的溶解量，使設(shè)備氧化膜遭到破壞時，可以及時進行修復(fù)。

公司尿素裝置氧含量（質(zhì)量分數(shù)）控制范圍是0.6%～1.0%，在超低負荷時氧含量可控制在0.9%～0.95%，以減緩設(shè)備腐蝕。

2.4 降低汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力

由于縮二脲的生成速率與溫度、游離氨含量和停留時間有關(guān)，從尿素的合成反應(yīng)開始縮二脲就生成，只是由于合成塔內(nèi)游離氨含量較高，縮二脲生成的較少。但在汽提塔內(nèi)，由于汽提過程進行的溫度較高，而游離氨含量較低，所以縮二脲再次大量的生成。為此，在保證循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，盡量降低汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力，從而降低汽提塔殼側(cè)加熱蒸汽的溫度，以降低縮二脲的生成速率，同時還可以減少尿素的水解。

降低汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力，可以降低反應(yīng)進行的溫度，從而減緩設(shè)備的腐蝕，延長設(shè)備的使用壽命。

公司尿素裝置汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力控制范圍是1.62～2.05MPa，在超低負荷時蒸汽壓力可控制在1.55～1.60MPa。

2.5 降低加熱器溫度

由圖1看出，溫度越高，縮二脲生成速率越快，因此降低反應(yīng)溫度可以降低縮二脲的生成速率。

2.5.1 降低循環(huán)加熱器溫度

據(jù)統(tǒng)計，在循環(huán)系統(tǒng)有0.4%左右的縮二脲生成［1］，因此對循環(huán)系統(tǒng)的縮二脲控制也尤為重要。在超低負荷下，精餾塔出液溫度TI03-1可控制在125℃（正常指標128～135℃）。

2.5.2 降低蒸發(fā)二段溫度

在蒸發(fā)系統(tǒng)，由于游離氨含量較低，同時溫度較高，所以縮二脲的生成與溫度的控制很重要。裝置在超低負荷下運行時，在保證尿液不進入結(jié)晶區(qū)域的前提下，盡量降低蒸發(fā)二段溫度，蒸發(fā)二段溫度TIC-404可控制在137～139℃。

2.6 降低各儲槽的液位

由圖1看出，隨著停留時間的延長，縮二脲生成速率越快。因此，縮短停留時間可以降低縮二脲的生成速率。

2.6.1 控制尿液儲槽在低液位

為了縮短尿液在尿液儲槽的停留時間，將尿液槽的液位控制在低限5%～7%。

2.6.2 控制汽提塔和精餾塔在低液位

在保證不竄氣的情況下，汽提塔液位LI203／202由50%降至40%，精餾塔液位LI302／301由15%降至10%。

2.6.3 降低蒸發(fā)二段液位

由于蒸發(fā)二段尿液濃度高、溫度高、游離氨含量少，為了減少縮二脲的生成，控制蒸發(fā)二段液位LI401在30%～50%，減少停留時間，降低縮二脲的生成速率。

2.7 儀表定期檢查各測溫點

為保證蒸發(fā)一、二段溫度測量的準確，定期聯(lián)系儀表，對這兩點溫度進行調(diào)校。

2.8 減少蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)

裝置在超低負荷運行時，盡量減少蒸發(fā)循環(huán)的次數(shù)，避免停留時間過長，造成產(chǎn)品縮二脲超標。如果遇到倒噴頭或熔融尿液泵，蒸發(fā)循環(huán)時需破真空并降低蒸發(fā)一、二段溫度至100℃左右。

2.9 控制噴頭轉(zhuǎn)速在低限

尿素裝置舊噴頭（型號TX302／303）是按1 950 t／d設(shè)計制造，不能滿足裝置滿負荷生產(chǎn)需要。2011年5月，公司對尿素噴頭進行了更換（型號為TX429／430），該噴頭是按2 300 t／d設(shè)計制造。因此，裝置在超低負荷運行時，為了使噴頭轉(zhuǎn)速與負荷對應(yīng)，可以將新噴頭更換為舊噴頭，以提高產(chǎn)品粒度。

3 裝置在超低負荷下運行的實際情況

2011年10月28日至30日，公司尿素裝置在62%負荷（即22 500 m3／h）下連續(xù)運行了3 d，裝置運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 尿素裝置在62%負荷下運行數(shù)據(jù)Table 1 Load data of device running under 62%

在正常情況下，工藝介質(zhì)對設(shè)備有較小的腐蝕，并且是均勻的腐蝕，產(chǎn)品中的Ni含量穩(wěn)定在0.30μg／g以下?！度债a(chǎn)2300 t尿素裝置工藝手冊》中規(guī)定當成品尿素中Ni含量超過0.30μg／g（Ni總量達28.7 g）時，經(jīng)48 h處理后，成品中的Ni含量仍高于0.30μg／g，則應(yīng)停車排放、重新升溫鈍化［2］。雖然裝置在62%負荷下運行時產(chǎn)品中Ni含量較高，但是尿素產(chǎn)品中總Ni量變化不大，說明設(shè)備腐蝕量基本無變化。

4 結(jié)束語

通過對裝置在超低負荷下運行情況的分析研究，在針對性采取相應(yīng)措施后，雖然其中一些操作會造成裝置能耗上升，但是可有效降低裝置在超負荷下運行時設(shè)備的腐蝕，保證裝置的安全運行，可為以后裝置在超低負荷運行時的操作提供參考。

［1］ 云南云天化股份有限公司.日產(chǎn)2 300噸尿素生產(chǎn)知識問答［M］.云南水富：云南云天化股份有限公司，2008：79.

［2］ 云南云天化股份有限公司編.日產(chǎn)2 300噸尿素裝置工藝手冊［M］.云南水富：云南云天化股份有限公司，2012：3-7.

Feasibility Study of Urea plant Operation under Ultra－low－load

WU M an－h(huán)ong

（Yuntianhua Corporation，Shuifu 657800，China）

Based on the analysis of Yuntianhua AG urea plant equipment and process，bottleneck of the device running under ultra－low－load（60 to 65%，the same below）.is identified.By collecting data of device running under ultra－low load，after analysis and study，targetedmeasures are addressed.through the actual operation and maintenance of the device，the safety and feasibility of operation under ultra－lowload are to be verified.

urea plant；ultra－low load；feasibility

TQ441

： A

： 1004-275X（2014）01-0056-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.01.016

收稿：2013-09-06

武滿紅（1985－），男，助理工程師，主要從事生產(chǎn)技術(shù)工作。