尿素解吸/水解系統(tǒng)改進(jìn)及運(yùn)行總結(jié)

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)

達(dá)州玖源化工有限公司(以下簡稱玖源公司)尿素裝置系引進(jìn)美國經(jīng)擴(kuò)能改進(jìn)后的二手尿素裝置，采用荷蘭斯塔米卡邦公司的CO2汽提工藝，引進(jìn)時(shí)無配套的工藝廢水處理裝置。為了降低尿素生產(chǎn)成本、杜絕環(huán)境污染和實(shí)現(xiàn)處理液循環(huán)回收的目的，經(jīng)充分調(diào)研和認(rèn)證，選擇了適合該二手尿素裝置的低壓解吸/中壓水解回收工藝，重新增設(shè)了1套解吸/水解系統(tǒng)，采用國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)回收工藝?yán)淠褐械腘H3，CO2和尿素。

1 解吸/水解系統(tǒng)概況

1.1 解吸/水解能力

年產(chǎn)450 kt尿素裝置從美國拆回后重新進(jìn)行了擴(kuò)能設(shè)計(jì)，裝置在滿負(fù)荷設(shè)計(jì)產(chǎn)能(1 350 t/d)運(yùn)行時(shí)，水解/解吸系統(tǒng)需處理含NH3，CO2和尿素的工藝?yán)淠海O(shè)計(jì)處理能力為30 m3/h，運(yùn)行時(shí)最大處理能力可達(dá)37～43 m3/h，外排解吸廢液量為35 m3/h。

1.2 解吸后廢液達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)

水解/解吸系統(tǒng)采用中壓(2.0 MPa)水解和低壓(0.36 MPa)解吸流程；解吸塔內(nèi)徑Φ1 400 mm，水解塔內(nèi)徑Φ1 800 mm。

碳銨液處理前設(shè)計(jì)濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：NH33.93%，CO22.53%，尿素1.27%；經(jīng)過解吸/水解系統(tǒng)處理后，工藝?yán)淠褐泻琋H3和尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均≤5×10-6。

2 生產(chǎn)過程中的改進(jìn)情況

該尿素裝置自2010年8月7日投料試生產(chǎn)以來，負(fù)荷、產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量都在不斷提升，但解吸/水解系統(tǒng)一直未能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。開車后，通過工藝調(diào)整，實(shí)際排出工藝?yán)淠褐蠳H3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(19～58)×10-6、尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(255～678)×10-6，大大超出污水站處理能力，尿素裝置氨水貯槽、2 000 m3水處理應(yīng)急池液位均長期處于高限，給環(huán)保治理帶來極大壓力；同時(shí)，尿素消耗超設(shè)計(jì)指標(biāo)，使尿素裝置生產(chǎn)被迫降低負(fù)荷運(yùn)行，對尿素裝置的正常運(yùn)行影響極大。

為此，玖源公司成立了解吸/水解攻關(guān)組，攻關(guān)目標(biāo)是將解吸廢液中NH3和尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均降至≤5×10-6。通過不斷跟蹤摸索，制定解決措施方案，分3個(gè)階段對解吸/水解系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)后，效果顯著，達(dá)到并優(yōu)于攻關(guān)目標(biāo)。

2.1 第1階段調(diào)整改進(jìn)情況

從2010年10月11日起，通過大量收集、分析解吸水解裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)單位人員共同分析、討論，認(rèn)為主要是解吸塔、水解塔設(shè)備內(nèi)部可能存在問題；根據(jù)數(shù)據(jù)分析，水解塔出液中尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5×10-6，說明問題在解吸塔。利用2010年10月17日尿素裝置停車機(jī)會(huì)，拆開解吸塔進(jìn)行內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)：①塔板與塔周圍焊接處有約50.8 mm(2″)的長裂縫；②上、下段之間的塔盤上鉆有2只Φ10 mm小孔；③降液板上有2排從上到底部的橢圓形長孔，距底板有100 mm開口；④液位變送器中心距上部接口1 100 mm，超過上、下段氣囪端口150 mm。

改進(jìn)措施：①上段液體通過降液板2排橢圓形長孔時(shí)，有部分液體可能噴入氣囪內(nèi)而進(jìn)入下段，造成高濃度氨水走短路。采取封堵氣囪上端口以上部分降液板上的2排橢圓形長孔，防止降液過程中液體從此孔噴出濺入氣囪管，使下部塔板上尿素含量增高。②修補(bǔ)焊接處的長裂縫，防止高濃度氨水走短路。③上、下段之間塔盤上設(shè)計(jì)2只小孔的目的是為了停車排液用，但由于塔板上下壓差較小，極易漏液，故進(jìn)行封堵，防止高濃度氨水走短路。

經(jīng)過整改后，于2013年10月18日19:00開車。同時(shí)，工藝操作也作了改進(jìn)：①降低解吸塔上段液位控制高度，給定值由60%降為25%，防止高液位波動(dòng)時(shí)液體進(jìn)入氣囪管而進(jìn)入下段；②水解塔塔頂壓力相應(yīng)由2.00 MPa調(diào)整為2.15 MPa、塔底部溫度由200 ℃提高至208 ℃，解吸塔塔頂壓力由0.30 MPa調(diào)整為0.32 MPa、塔底溫度控制在143～145 ℃。第1階段改進(jìn)后解吸進(jìn)料及廢液濃度見表1。

表1 第1階段改進(jìn)后解吸進(jìn)料及廢液濃度

項(xiàng) 目實(shí)測值設(shè)計(jì)指標(biāo)解吸進(jìn)料 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%5.29～13.093.93 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%3.01～14.722.53 尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%2.33～3.981.27解吸廢液 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(×10-6)5.80≤5.00 尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(×10-6)1.06≤5.00

由表1可看出：盡管進(jìn)料濃度比設(shè)計(jì)值高，經(jīng)改進(jìn)后，水解/解吸系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，且運(yùn)行結(jié)果優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，解吸廢液中NH3和尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本滿足生產(chǎn)需求，工藝廢液可達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)和排污要求；同時(shí)，對處理后的解吸廢液進(jìn)行了回收利用，送往循環(huán)水系統(tǒng)。

2.2 第2階段調(diào)整改進(jìn)情況(2010年11月11日至2010年12月10日)

通過生產(chǎn)中的不斷跟蹤發(fā)現(xiàn)：解吸/水解系統(tǒng)在正常運(yùn)行情裝飾品下，當(dāng)解吸進(jìn)液中NH3和CO2濃度較高或解吸量≥32 m3/h時(shí)，處理后的工藝廢液中NH3和CO2含量時(shí)有超標(biāo)現(xiàn)象。雖然提高了水解塔壓力，但水解塔底部溫度控制在208 ℃以上比較困難，上部溫度也有所下降。針對以上現(xiàn)象，分析認(rèn)為是水解塔頂部的出氣管上38.1 mm(1.5″)氣相調(diào)節(jié)閥即使全開時(shí)，流通量也偏小，造成水解塔上部的NH3和水蒸氣不能夠完全流出，導(dǎo)致水解塔壓力高而溫度卻達(dá)不到控制指標(biāo)，致使解吸廢液中NH3和尿素含量時(shí)有超標(biāo)。

改進(jìn)措施：①在水解塔頂部出氣管上增加1根 76.2 mm(3″)管線，接至解吸塔回流冷凝器，解決NH3和CO2濃度高時(shí)的穩(wěn)定操作問題。② 2010年11月18日完成配管后，投用效果較好，當(dāng)解吸進(jìn)液中NH3和CO2濃度較高或解吸量≥32 m3/h時(shí)，經(jīng)解吸/水解系統(tǒng)處理后的工藝廢液也完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)值和排污要求；同時(shí)，處理后的工藝?yán)淠喝克屯h(huán)水系統(tǒng)回收利用。

存在的問題：新增配管投用后，雖解決了水解塔頂部NH3和水蒸氣不能夠完全流出的問題，但也造成了此部分氣體熱能無法回收利用(氣相溫度約197 ℃)，且氣相帶水量較高，經(jīng)冷凝后進(jìn)入低壓甲銨冷凝器再進(jìn)入尿素合成系統(tǒng)，造成高壓圈水碳比升高，在一定程度上影響了系統(tǒng)水平衡，導(dǎo)致尿素合成轉(zhuǎn)化率降低。

2.3 第3階段調(diào)整改進(jìn)情況(2010年12月11日至2011年2月9日)

根據(jù)第2階段調(diào)整和改進(jìn)后存在的問題，制定了以下解決方案：水解塔頂部出氣管氣相調(diào)節(jié)閥增設(shè)76.2 mm(3″)副線，使氣相全部進(jìn)入解吸塔，進(jìn)行熱能利用和氣相中水蒸氣回收。2011年1月，利用尿素裝置停車檢修機(jī)會(huì)實(shí)施了該方案，徹底解決了第2階段改造存在的問題。

2011年2月2日尿素裝置開車后，在裝置達(dá)設(shè)計(jì)產(chǎn)能的情況下，解吸/水解系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，并將停車時(shí)排放在工藝?yán)淠翰邸⑻间@液槽內(nèi)約110 m3的碳銨液在幾天內(nèi)全部經(jīng)解吸/水解系統(tǒng)處理后回收入尿素裝置，最大解吸量達(dá)到約43 m3/h；特別是在2012年2月6日至8日，尿素裝置超設(shè)計(jì)能力運(yùn)行的情況下，解吸/水解系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，廢液中NH3和尿素含量都優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。解吸/水解系統(tǒng)72 h解吸進(jìn)料及廢液濃度見表2。

表2 解吸/水解系統(tǒng)72 h解吸進(jìn)料及廢液濃度

項(xiàng) 目實(shí)測值設(shè)計(jì)指標(biāo)解吸進(jìn)料 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%5.68～8.743.93 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)%3.19～4.122.53 尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)%1.18～1.231.27解吸廢液 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(×10-6)0.68～3.40≤5.0 尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(×10-6)0.05～0.20≤5.0

通過2年多的調(diào)試運(yùn)行，解吸/水解系統(tǒng)負(fù)荷最高可達(dá)41～43 m3/h，既滿足了生產(chǎn)的需求，又能完全滿足裝置在異常情況下的廢水處理能力。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

按尿素裝置CO2負(fù)荷量為21 500 m3/h(標(biāo)態(tài))，解吸/水解系統(tǒng)處理含NH3和CO2的工藝?yán)淠?，加?.4 MPa及2.5 MPa蒸汽，送出解吸廢液和碳銨液(回流液)。解吸/水解系統(tǒng)物料平衡見圖1。在系統(tǒng)工況穩(wěn)定的情況下分析取樣，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)解吸/水解系統(tǒng)數(shù)據(jù)見表3。

圖1 解吸/水解系統(tǒng)物料平衡

表3 滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)解吸/水解系統(tǒng)數(shù)據(jù)(平均值)

項(xiàng) 目實(shí)際組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)流量/(m3·h-1)凈水(解吸廢液) NH31.3×10-644 尿素0.2×10-6碳銨液(回流液)1) NH333.70%6.07 尿素25.47%

注：1)此處碳銨液指出解吸水解系統(tǒng)、送主裝置循環(huán)段部分回收的回流液。

從表3中數(shù)據(jù)得出：每小時(shí)回收凈水44 t，NH32.291 t，CO21.732 t；以年運(yùn)行330 d、噸氨2 500元、CO2120元/t、凈水3元/t計(jì)，則年產(chǎn)生效益4 770.49萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。由于玖源公司生產(chǎn)的NH3和CO2均過剩，如把回收的CO2用于尿素裝置擴(kuò)大產(chǎn)能，以生產(chǎn)成尿素計(jì)，則經(jīng)濟(jì)效益更大。

3.2 節(jié)能環(huán)保及社會(huì)效益

(1)通過設(shè)備和技術(shù)改進(jìn)后，尿素裝置正常運(yùn)行情況下，氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均控制在≤50×10-6，尿素裝置排放口排污量≤3 m3/h；經(jīng)解吸/水解系統(tǒng)解吸后廢液中NH3和尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均控制在≤5×10-6，達(dá)到了環(huán)保要求，杜絕了環(huán)境污染問題，確保尿素裝置正常運(yùn)行。

(2)尿素裝置產(chǎn)生的含NH3和CO2的工藝?yán)淠航?jīng)解吸/水解系統(tǒng)處理后，各項(xiàng)指標(biāo)大大優(yōu)于設(shè)計(jì)值和排污要求。處理后的濃碳銨液回收至尿素裝置低壓循環(huán)系統(tǒng)用于生產(chǎn)尿素，處理后的解吸廢液全部回收至循環(huán)水系統(tǒng)，年減少廢水排放量237 600 m3。

(3)通過對解吸/水解系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整和改進(jìn)，大幅減少了解吸/水解系統(tǒng)廢水和大氣污染物的排放量，并得到了回收再利用，達(dá)到了降低成本、節(jié)能減排的目標(biāo)和要求。