引進(jìn)二手尿素設(shè)備運(yùn)行狀況的探討

張壽華 霍 杰 劉應(yīng)陶

(達(dá)州玖源化工有限公司 四川達(dá)州635000)

0 前言

達(dá)州玖源化工有限公司(以下簡稱玖源公司)尿素裝置為引進(jìn)美國1975年建設(shè)的二手設(shè)備，采用荷蘭斯塔米卡邦CO2汽提法尿素生產(chǎn)工藝，原設(shè)計能力為907 t/d，在美運(yùn)行期間曾經(jīng)過技改擴(kuò)能，最高生產(chǎn)能力達(dá)1 272 t/d；引進(jìn)后，裝置按原拆原裝原則進(jìn)行安裝，新增解吸、水解系統(tǒng)和尿素造粒塔，期望設(shè)計能力為1 350 t/d，即設(shè)計年生產(chǎn)能力為450 kt。該尿素裝置于2010年8月 7日正式投料試車投產(chǎn)，近2年來，在消化引進(jìn)設(shè)備及工藝的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對裝置運(yùn)行的管理、不斷進(jìn)行技術(shù)改造，使尿素裝置運(yùn)行負(fù)荷逐步提高，裝置最高負(fù)荷達(dá)設(shè)計的103.34%；2012年，創(chuàng)下日產(chǎn)尿素1 395 t的最高紀(jì)錄及單月平均日產(chǎn)尿素1 371 t 的紀(jì)錄。通過對裝置高負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化控制，提升產(chǎn)品質(zhì)量和加強(qiáng)節(jié)能降耗工作，使尿素產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，噸尿素氨耗和蒸汽消耗逐步降低，噸尿素氨耗保持在約575 kg、蒸汽消耗控制在約1.38 t，產(chǎn)品優(yōu)等品率>99.5%。

1 尿素裝置高負(fù)荷運(yùn)行中存在的問題

1.1 合成塔瓶頸

由于拆回的尿素合成塔容積僅為105 m3，參照國內(nèi)同等企業(yè)設(shè)備的生產(chǎn)能力及荷蘭斯塔米卡邦工藝包，1 000 t/d尿素裝置合成塔容積至少為145 m3，該尿素合成塔容積明顯偏小，故尿素合成塔反應(yīng)物料停留時間短。在美1995年擴(kuò)能至1 272 t/d時，只是將尿素合成塔內(nèi)的8塊塔板改為11塊篩孔密度不同的多孔塔板；另外，尿素合成塔溢流管頂部至尿素合成塔頂部封頭距離較近，導(dǎo)致尿素合成塔氣相空間小，壓力控制操作彈性也較小。

由于尿素合成塔的容積小，生產(chǎn)強(qiáng)度約為12.86 t/(m3·d)，尿液停留時間只有約30 min，導(dǎo)致高壓圈的CO2轉(zhuǎn)化率偏低。在尿素產(chǎn)量達(dá)1 350 t/d時，實際合成轉(zhuǎn)化率僅為55%～57%，比設(shè)計值低2%左右，由此造成汽提塔負(fù)荷加重。當(dāng)尿素產(chǎn)量>1 370 t/d時，合成轉(zhuǎn)化率已降低至53%～55%。

1.2 汽提塔瓶頸

拆回的汽提塔有1 786根汽提管，換熱面積僅為1 077 m2。當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷增加到1 350 t/d以上時，汽提效率明顯下降(72%～74%)，與設(shè)計值(80%)差距較大，導(dǎo)致汽提塔蒸汽消耗偏高，設(shè)計耗蒸汽為49.4 t/h，而實際在55.0～60.0 t/h。由于汽提管數(shù)量偏少，每根管的液體負(fù)荷近 90 L/h，導(dǎo)致蒸汽耗量增加，汽提塔出液溫度達(dá)173～174 ℃，汽提后尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為53.00%左右，遠(yuǎn)低于設(shè)計值55.74%。當(dāng)尿素產(chǎn)量>1 370 t/d時，汽提塔出液溫度已接近指標(biāo)高限(175 ℃)，將加劇汽提管腐蝕，縮短汽提塔的使用壽命。

由于汽提塔汽提效率的下降，加重了低壓系統(tǒng)的負(fù)荷；當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷逐漸增大時，低壓系統(tǒng)壓力由0.17～0.19 MPa上升到0.22～0.25 MPa，遠(yuǎn)高于設(shè)計值0.17 MPa，而且放空量的增加不利于降低系統(tǒng)的氨耗。

1.3 高壓液氨泵及甲銨泵配置能力偏小

尿素裝置原配置2臺液氨泵(1大1小)，能力分別為41.70 m3/h和13.23 m3/h。在高負(fù)荷(1 380 t/d)運(yùn)行時，2臺液氨泵轉(zhuǎn)速已均接近最大，高壓系統(tǒng)氨碳比只能維持在低限(約3.0)。如果遇小液氨泵故障，大液氨泵運(yùn)行只能維持系統(tǒng)負(fù)荷17 000 m3/h左右；如果遇大液氨泵故障需要檢修，小液氨泵將無法維持最低負(fù)荷生產(chǎn)，尿素裝置只能被迫停車。

尿素裝置原配置2臺甲銨泵，能力均為22 m3/h。在滿負(fù)荷(1 350 t/d)運(yùn)行時，所需甲銨量超過了單泵的打量，故需2臺泵同時運(yùn)行，如遇1臺泵故障，另1臺泵轉(zhuǎn)速提至最大也只能維持系統(tǒng)負(fù)荷(約18 500 m3/h)，嚴(yán)重影響了裝置的平穩(wěn)、正常生產(chǎn)。

1.4 低壓系統(tǒng)循環(huán)量大、負(fù)荷重

因高負(fù)荷下高壓圈合成轉(zhuǎn)化率低、汽提效率較差，造成循環(huán)系統(tǒng)工況也在負(fù)荷較高的情況下操作，甲銨液返回量約30 m3/h，噸尿素甲銨液返回量約650 kg，遠(yuǎn)高于設(shè)計值(519 kg)及國內(nèi)同工藝同等能力化肥企業(yè)的水平(500 kg)。除了因汽提塔負(fù)荷過高造成循環(huán)系統(tǒng)負(fù)荷高外，解吸、水解系統(tǒng)返回量太大，僅回流液返入低壓甲銨冷凝器量達(dá)7 043.2 kg/h(設(shè)計值為3 165.6 kg/h)，其中水量達(dá)2 883.42 kg/h，故限制了低壓洗滌器的加水量，使循環(huán)壓力高，且進(jìn)入常壓吸收塔NH3和CO2量大，通過常壓吸塔吸收后經(jīng)解吸系統(tǒng)返回循環(huán)系統(tǒng)。因循環(huán)系統(tǒng)分解、吸收負(fù)荷高，低壓甲銨冷凝器調(diào)溫水溫差達(dá)9 ℃，且甲銨液溫度也較高(74.0 ℃)，遠(yuǎn)高于原運(yùn)行數(shù)據(jù)(66.6 ℃)。

低壓系統(tǒng)負(fù)荷大，造成低壓系統(tǒng)尾氣中氨含量增加、氨耗上升，在高負(fù)荷運(yùn)行時較為明顯，尤其是夏季情況更為嚴(yán)重。由于循環(huán)水溫度高，引起低壓系統(tǒng)吸收液溫度較高、吸收效果差，使低壓循環(huán)系統(tǒng)工況惡化、操作困難。

1.5 閃蒸效果差，蒸發(fā)負(fù)荷加重

原裝置在美國生產(chǎn)時與大顆粒裝置配套生產(chǎn)大顆粒尿素，尿素裝置蒸發(fā)系統(tǒng)的真空度要求比塔式造粒低。由于在拆回安裝時只是對二段蒸發(fā)第2噴射器和二段蒸發(fā)第3噴射器進(jìn)行更新改造，蒸發(fā)系統(tǒng)其他部分未作改動，尿素裝置投運(yùn)以來，閃蒸槽壓力一直不能控制在設(shè)計指標(biāo)[45～55 kPa(絕壓)]；特別是在尿素裝置高負(fù)荷運(yùn)行情況下，由于閃蒸冷凝器的換熱面積小，達(dá)不到較好的冷卻效果，造成閃蒸槽壓力達(dá)65～85 kPa(絕壓)，只得臨時引一部分閃蒸氣至一段蒸發(fā)分離器來緩解此問題；但對一段真空度造成了一定影響，導(dǎo)致一段、二段蒸發(fā)負(fù)荷加重和尿素產(chǎn)品中游離氨偏高；高負(fù)荷運(yùn)行時，一段蒸發(fā)壓力只能控制在約45 kPa(絕壓)，隨著系統(tǒng)負(fù)荷的提高，對二段蒸發(fā)真空度也造成一定影響，特別是在高負(fù)荷情況下，尿素產(chǎn)品的水分含量也有所上升，直接影響尿素產(chǎn)品的質(zhì)量。

由于閃蒸效果差，加重了一段、二段蒸發(fā)的負(fù)荷，二段蒸發(fā)冷凝器的能力也稍顯不足，本來換熱面積就偏小的最終冷凝器冷凝效果也會受到影響，導(dǎo)致排入大氣的最終冷凝器尾氣中的NH3和水蒸氣比較多，不能回收利用。在冬季循環(huán)水溫度較低時，還能勉強(qiáng)滿足維持高負(fù)荷運(yùn)行的需求；而在夏季，隨著循環(huán)水溫度的上升，尿素蒸發(fā)系統(tǒng)尾氣的吸收效果較差，偏離了設(shè)計值，使氨耗也有所上升。

2 改造措施

2.1 高壓系統(tǒng)

2.1.1 優(yōu)化合成塔的工況控制

通過適當(dāng)控制汽包壓力，加快甲銨在高壓冷凝器的生成速率，使尿素合成反應(yīng)前移，緩減因合成塔容積小的局限程度；同時，將合成壓力由14.0 MPa 提高至14.2 MPa，促進(jìn)尿素合成反應(yīng)向正方向移動，以提高尿素合成轉(zhuǎn)化率。合成塔出液調(diào)節(jié)閥的開度保持與系統(tǒng)負(fù)荷相對應(yīng)，既可穩(wěn)定合成塔液位，又可保持高壓汽提塔較好且穩(wěn)定的氣液比，達(dá)到較好的汽提效果，減小汽提塔出液溫度的波動。

2.1.2 適當(dāng)降低高壓調(diào)溫水溫度

高壓調(diào)溫水控制采用大流量、小溫差的原則，高壓調(diào)溫水流量控制在330 m3/h左右，適當(dāng)降低高壓調(diào)溫水溫度，將進(jìn)口水溫控制在80 ℃，調(diào)溫水進(jìn)出口溫差控制在9～10 ℃，提高了高壓洗滌器的吸收效率，減少了尾氣中的NH3和CO2含量，有效減小了高壓洗滌器尾氣閥的開度，減輕了循環(huán)負(fù)荷，降低了消耗。

2.1.3 適當(dāng)降低尿素合成塔的氨碳比、水碳比

要減輕后系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷和解決低壓系統(tǒng)吸收能力差的問題，最主要應(yīng)降低系統(tǒng)的物流循環(huán)量以及減少高壓系統(tǒng)整體的反應(yīng)量。理論上，隨著氫碳比的降低，尿素合成塔中的CO2轉(zhuǎn)化率提高。尿素裝置設(shè)計氨碳比3.00、氫碳比0.41，而實際尿素合成塔中CO2轉(zhuǎn)化率為55%～57%、氨碳比為3.09～3.21、氫碳比為0.46～0.60，該組分嚴(yán)重偏離最低平衡壓力時的工藝參數(shù)，且在富氨側(cè)。所以，將尿素合成塔的氨碳比適當(dāng)降至3.05～3.10、氫碳比降至0.43～0.50，不僅有效地提高了CO2轉(zhuǎn)化率，同時也減輕了汽提塔的負(fù)荷和低壓循環(huán)系統(tǒng)負(fù)荷，從而降低了系統(tǒng)循環(huán)量，使低壓系統(tǒng)能夠有較好的吸收效果，達(dá)到了系統(tǒng)水平衡和全系統(tǒng)的良性循環(huán)。

2.1.4 汽提殼側(cè)壓力的控制

提高汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力即提高了汽提溫度，有利于甲銨分解。由于受合成塔CO2轉(zhuǎn)化率偏低和汽提塔能力偏小的制約，要保證有較好的汽提效果和避免系統(tǒng)負(fù)荷后移，需要適當(dāng)提高汽提塔殼側(cè)壓力，故將汽提塔殼側(cè)壓力控制在指標(biāo)高限，由原2.00～2.03 MPa逐步提高至2.04～2.09 MPa。經(jīng)過運(yùn)行觀察，在保證汽提塔出液不超溫的情況下，逐步將壓力控制在高限，有效地提高了汽提效率，取得了較好的效果。但帶來了一定的蒸汽消耗上升問題，并隨著汽提塔分解溫度的提高，其汽提管有腐蝕加劇的風(fēng)險，因此，提高汽提壓力還需謹(jǐn)慎。

2.1.5 解決液氨泵、甲銨泵能力偏小的措施

針對液氨泵無備泵的問題，在2011年度大修期間，新增了1臺27 m3/h液氨泵。若大液氨泵發(fā)生故障，則開另2臺液氨泵維持生產(chǎn)，可以有效避免因大液氨泵故障停車而導(dǎo)致尿素裝置全系統(tǒng)停車，也可實現(xiàn)小液氨泵故障停車檢修時尿素裝置不減負(fù)荷生產(chǎn)。

2013年，新增了1臺12.5 m3/h甲銨泵，若原配置的甲銨泵中有1臺發(fā)生故障，開新增甲銨泵維持滿負(fù)荷生產(chǎn)，可以有效避免因甲銨泵故障導(dǎo)致尿素裝置被迫減負(fù)荷情況的發(fā)生，也避免了因裝置負(fù)荷波動引起尿素消耗的上升。

2.1.6 高壓噴射器前后壓差及溫度的控制

加氨或減氨應(yīng)及時調(diào)節(jié)高壓噴射器前后壓差，可根據(jù)情況調(diào)整噴射器的抽吸能力以滿足工況的要求。壓差偏小，噴射器抽吸能力下降。正常情況下，噴射器前后壓差始終保持在1.5～1.8 MPa；同時，合理控制系統(tǒng)NH3和H2O添加量，使噴射泵出口物料溫度控制在125～130 ℃。

2.2 循環(huán)系統(tǒng)

2.2.1 精餾塔出液溫度的控制

在高負(fù)荷運(yùn)行、尿素產(chǎn)品中縮二脲含量不高的情況下，將精餾塔出液溫度逐步提高至132.5～136.5 ℃，控制在指標(biāo)高限，有效地改善了精餾效果，減輕了蒸發(fā)系統(tǒng)負(fù)荷，同時也降低了產(chǎn)品中游離氨含量。

2.2.2 低壓調(diào)溫水的操作

低壓調(diào)溫水的控制也采用大流量、小溫差的原則，低壓調(diào)溫水流量控制在≥1 100 m3/h，增加低壓調(diào)溫水的循環(huán)量，有效地提高了換熱效率，低壓調(diào)溫水進(jìn)出口溫差由9 ℃下降至7 ℃；同時，根據(jù)負(fù)荷大小控制低壓調(diào)溫水溫度，在負(fù)荷高時，逐步將低壓調(diào)溫水回水溫度控制在指標(biāo)低限(約45 ℃)，使低壓甲銨冷凝器出口氣液溫度由74 ℃下降至67～70 ℃，有效降低了低壓甲銨冷凝器的負(fù)荷，提高了低壓甲銨冷凝器的吸收效率，減小了低壓洗滌器尾氣閥的開度，降低了尾氣排放量及消耗。

2.2.3 回流冷凝液的控制

解吸回流冷凝液返回低壓系統(tǒng)的量，特別是水量控制的大小，對系統(tǒng)水平衡影響較大。應(yīng)減少回流冷凝液帶水量，控制好回流冷凝液的濃度，則解吸塔出氣溫度的控制就顯得比較重要。當(dāng)壓力一定時，控制此氣相溫度也就控制了回流冷凝液的濃度。適當(dāng)增大回流冷凝液返回解吸塔頂部的量，保持較低的解吸塔出口氣體溫度，有利于提高回流冷凝液濃度，使回流冷凝液返回低壓系統(tǒng)的量接近設(shè)計值，有效減輕了低壓系統(tǒng)的負(fù)荷，同時也減少了返回高壓系統(tǒng)水量。

2.2.4 低壓洗滌器液位和低壓系統(tǒng)的水平衡控制

在高壓系統(tǒng)優(yōu)化后，低壓洗滌器液位高低的控制關(guān)鍵是應(yīng)控制低壓系統(tǒng)各補(bǔ)液點的補(bǔ)水量，將甲銨液濃度控制在較佳范圍。通過摸索，在精餾塔至低壓甲銨冷凝器氣相進(jìn)口管道上適當(dāng)補(bǔ)入一定量的稀氨水，可提高甲銨的冷凝效果，使低壓循環(huán)系統(tǒng)易于控制，減少放空量。在滿足系統(tǒng)的需求下，分配好系統(tǒng)各補(bǔ)液點的補(bǔ)水量，對全系統(tǒng)的水平衡至關(guān)重要。

2.2.5 中壓吸收塔控制

中壓吸收塔的操作壓力由0.55 MPa提高至0.65 MPa，循環(huán)冷卻器出口溫度由45～65 ℃降低至40～55 ℃，提高了中壓吸收塔的吸收能力，減少了尾氣中NH3的排放量。

2.2.6 擴(kuò)大低壓甲銨冷凝器

原低壓甲銨冷凝器換熱面積為381.1 m2。在裝置安裝時，更新了該設(shè)備，擴(kuò)大了換熱面積，故低壓甲銨冷凝器在高負(fù)荷運(yùn)行時裕量大。經(jīng)不斷優(yōu)化控制，即使在氣溫較高的夏季，低壓循環(huán)系統(tǒng)的壓力和放空量也基本能得到有效控制。

2.3 閃蒸蒸發(fā)系統(tǒng)

由于閃蒸冷凝器的能力太小，換熱效果不能滿足工況要求，利用2011年度大修機(jī)會，更新了閃蒸冷凝器，將換熱面積由98.00 m2擴(kuò)大至170.00 m2；蒸發(fā)系統(tǒng)最終冷卻器利用換下的閃蒸冷凝器代替，換熱面積由7.53 m2擴(kuò)至98.00 m2。改造后，此2臺冷凝器換熱面積大幅增加，換熱效果有了明顯提高，解決了閃蒸真空度差的問題，閃蒸壓力由70 kPa(絕壓)降至55 kPa(絕壓)，閃蒸槽出液溫度由93～95 ℃下降至88～91 ℃，尿液槽的尿液組分得到了優(yōu)化，一段、二段蒸發(fā)系統(tǒng)工況明顯改善，尿素產(chǎn)品質(zhì)量也得到了進(jìn)一步保證。蒸發(fā)最終冷卻器換熱面積擴(kuò)大后，排入大氣的NH3和水蒸氣也大幅減少，基本全部回收利用，有利于尿素裝置的節(jié)能降耗。

3 改造效果

經(jīng)過近2年不斷地摸索和技術(shù)改造，尿素裝置工況得到了很好的改善和控制，產(chǎn)量也逐步提高，質(zhì)量穩(wěn)定在高負(fù)荷下正常運(yùn)行，消耗逐步降低。系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時優(yōu)化前、后主要控制工藝指標(biāo)對比見表1。

表1 系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時優(yōu)化前、后主要控制工藝指標(biāo)對比

項 目 原美國裝置玖源公司裝置設(shè)計值優(yōu)化前優(yōu)化后合成壓力/MPa14.814.513.8～14.114.0～14.3合成塔塔頂溫度/℃183.5184.3179.5～180.5180.4～181.6合成系統(tǒng)氨碳比3.063.003.09～3.213.05～3.10CO2轉(zhuǎn)化率/%5854～5756～58合成系統(tǒng)氫碳比0.410.46～0.600.43～0.50汽提效率/%778067～7270～76汽提塔耗蒸汽/(t·h-1)55.349.457.0～62.055.0～60.0汽提塔出液溫度/℃174.0170.0173.0～174.0172.9～174.3汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力/MPa2.101.70～2.102.00～2.052.04～2.08汽包壓力/MPa0.350.350.380.35～0.37汽包產(chǎn)汽量/(t·h-1)36.250.949.0～52.049.0～53.0低壓系統(tǒng)壓力/MPa0.210.170.21～0.260.18～0.21低壓甲銨液溫度/℃677673～7567～70解吸進(jìn)液流量/(m3·h-1)21.829.437.037.0精餾塔出液溫度/℃135.0135.0131.7～132.7132.5～136.5回流冷凝器溫度/℃565555～6053～58閃蒸真空度/kPa55.980.055.0閃蒸槽出液溫度/℃9193～9588～91

注：以原美國裝置日生產(chǎn)能力為1 260 t，玖源公司裝置日生產(chǎn)能力為1 376 t計算。

4 結(jié)語

針對在玖源公司尿素生產(chǎn)裝置在高負(fù)荷運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，通過對荷蘭斯塔米卡邦公司以及原美國裝置設(shè)計有缺陷的部分設(shè)備改造后，充分發(fā)揮每臺設(shè)備的全部生產(chǎn)裕能。將907 t/d的尿素生產(chǎn)裝置，在原美國裝置擴(kuò)能改造為1 272 t/d的基礎(chǔ)上，再通過較小的技術(shù)改進(jìn)和生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制，達(dá)到尿素裝置高產(chǎn)能和較好的工況穩(wěn)定運(yùn)行。如果按設(shè)計日產(chǎn)1 350 t 計算，尿素裝置能力已達(dá)到設(shè)計能力的101%～103%，達(dá)到了高產(chǎn)、低耗的運(yùn)行效果，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。