大型尿素裝置技術(shù)改造新動(dòng)向

王 麗

(中石化寧波技術(shù)研究院有限公司 浙江寧波 315103)

大型尿素裝置技術(shù)改造新動(dòng)向

王 麗

(中石化寧波技術(shù)研究院有限公司 浙江寧波 315103)

分析了我國(guó)大型尿素裝置的技術(shù)現(xiàn)狀，介紹了大型尿素裝置的技術(shù)改造情況及節(jié)能優(yōu)化措施。大型尿素裝置采用新工藝、新設(shè)備后，降低了裝置投資成本和消耗，提高了裝置的安全可靠度；通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)工藝條件、優(yōu)化裝置開車過(guò)程以及節(jié)能減排和環(huán)保治理，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了裝置零排放。

尿素 徑流式尿素合成塔 深度水解 改造

1 大型尿素裝置技術(shù)現(xiàn)狀

2013年，我國(guó)尿素生產(chǎn)能力達(dá)80 700 kt/a，尿素產(chǎn)量67 070 kt，同比增長(zhǎng)7.9%，產(chǎn)能利用率83%。2014年，尿素新增與退出產(chǎn)能相當(dāng)，總產(chǎn)能基本無(wú)增長(zhǎng)，保持在80 700 kt/a左右，尿素產(chǎn)量達(dá)到69 950 kt?；使I(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)是到2015年尿素產(chǎn)能達(dá)78 000 kt/a，尿素產(chǎn)量達(dá)到70 000 kt，產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題比較突出[1]。目前，大型尿素裝置已投產(chǎn)53套，形成尿素產(chǎn)能約31 150 kt/a；近2年新增大型尿素裝置15套(產(chǎn)能9 510 kt/a，均以煤為原料)，由于新增產(chǎn)能過(guò)快，總產(chǎn)能已趨于過(guò)剩，尿素價(jià)格持續(xù)下滑。在傳統(tǒng)氮肥產(chǎn)能過(guò)剩日趨嚴(yán)重、裝置開工率逐年下降、市場(chǎng)供需矛盾進(jìn)一步增大的情況下，氮肥企業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)呈現(xiàn)白熱化，已有多套尿素裝置停產(chǎn)，并將合成氨裝置改為制氫裝置。在這種情況下，對(duì)尿素裝置進(jìn)行技術(shù)改造以提高產(chǎn)能利用率、降低消耗，是降低尿素生產(chǎn)成本的有效途徑之一；另外，還應(yīng)緊跟農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求進(jìn)行氮肥品種調(diào)整，積極參與緩控釋肥、水溶性肥料、各類專用肥等增效環(huán)保新型肥料的開發(fā)與生產(chǎn)，積極開發(fā)氮肥增效環(huán)保新技術(shù)和新產(chǎn)品，助推氮肥產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[2]。

我國(guó)大型尿素裝置生產(chǎn)技術(shù)總體處于世界先進(jìn)水平，新建裝置全部采用先進(jìn)成熟的汽提工藝，其中二氧化碳汽提工藝約占55%，氨汽提工藝約占12%，水溶液全循環(huán)工藝約占32%[3]。裝置規(guī)模趨于大型化，更加注重規(guī)模效應(yīng)，500 kt/a以上規(guī)模產(chǎn)量所占比例大幅增加，新增產(chǎn)能大型裝置占75%以上。各種新技術(shù)的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：①池式冷凝器/池式反應(yīng)器技術(shù)的應(yīng)用，尿素合成塔徑流式塔盤的應(yīng)用；②國(guó)產(chǎn)化氨泵、甲銨泵的應(yīng)用；③二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組Tricon TS3000控制系統(tǒng)的應(yīng)用；④新型耐蝕材料的應(yīng)用，如Safurex雙相不銹鋼、雙金屬材料(外管為25- 22- 2CrNiMo，內(nèi)管為鋯材)、全鋯材、DP28W等；⑤用于改造和新建裝置的材料升級(jí)，如解吸塔填料材質(zhì)由304 L升級(jí)為316 L；⑥徑流式尿素合成塔技術(shù)用于新建裝置和老裝置合成塔塔盤改造；⑦全冷凝反應(yīng)器應(yīng)用于大型裝置中。

2 大型尿素裝置技術(shù)改造情況

2.1 斯塔米卡邦尿素改造技術(shù)

斯塔米卡邦新的尿素裝置概念：在高效塔板、池式冷凝器和池式反應(yīng)器開發(fā)的基礎(chǔ)上，新建裝置的資本投資和運(yùn)行支出降至最低，保持產(chǎn)品的高質(zhì)量和低排放，成為無(wú)需維護(hù)的裝置。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)：降低合成部分設(shè)備高度，減少了資本投資；優(yōu)化汽提效率，降低蒸汽消耗，從而降低了運(yùn)行費(fèi)用；合成部分采用了Safurex材料，實(shí)現(xiàn)無(wú)氧操作[4]。

2.2 徑流式尿素合成塔技術(shù)

徑流式尿素合成塔(CDFR)又稱為第2代尿素合成塔，其塔板為圓缺形，兩塔板之間構(gòu)成徑向(水平)流動(dòng)通道。氣相流至凸起被阻攔，通過(guò)孔以氣泡的形式進(jìn)入液相，形成鼓泡區(qū)域，在此氣液發(fā)生接觸，進(jìn)行甲銨生成反應(yīng)。液相流至缺口向上流動(dòng)，經(jīng)凸起頂部進(jìn)入徑向流動(dòng)通道，進(jìn)行尿素生成反應(yīng)[5]。由n塊塔板組成n個(gè)徑向水平通道，氣液兩相在設(shè)定的通道內(nèi)平行流動(dòng)。由于塔內(nèi)流體的流動(dòng)是由進(jìn)塔物料所受外功所推動(dòng)，只要外功存在(泵和壓縮機(jī)不停車)，始終推動(dòng)物料流體沿徑向水平前進(jìn)而不存在反向流動(dòng)，即無(wú)返混現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，第2代尿素合成塔與第1代尿素合成塔在流體力學(xué)上完全不同。

CDFR在結(jié)構(gòu)上采用無(wú)孔塔板，塔板與襯里之間無(wú)環(huán)形間隙，氣液兩相在塔內(nèi)徑向同向流動(dòng)。在流體力學(xué)上，氣體和液體兩相混合物在相鄰兩塊塔板之間平行同方向流動(dòng)，氣體走凸起通道，液體走弓形缺口通道。CDFR成功解決了二氧化碳轉(zhuǎn)化率低、蒸汽消耗高的問(wèn)題，該技術(shù)于2007年申請(qǐng)專利[6]，至2014年應(yīng)用該技術(shù)的裝置達(dá)20套，其中在大型裝置上應(yīng)用的有山東華魯恒升化工股份有限公司日產(chǎn)尿素1 400 t擴(kuò)產(chǎn)至1 800 t塔盤改造(2套二氧化碳汽提法)、河南中原大化集團(tuán)有限公司氨汽提法1套。

2.3 組合尿素合成塔塔盤

2011年，大連松海石化檢修工程有限公司對(duì)中海石油天野化工有限責(zé)任公司的尿素合成塔進(jìn)行了分析比較，確定保留原有10層篩板塔盤，在塔底部增加3層徑流式塔板，材質(zhì)由原尿素級(jí)316 L(mol)改為抗腐蝕性能更好的25- 22- 2不銹鋼。尿素合成塔塔盤改造后，二氧化碳轉(zhuǎn)化率平均值約為62.26%，比改造前提高了5.63%；汽提塔的汽提效率提高了2.74%；噸尿素蒸汽耗降低136 kg、氨耗降低2.5 kg，達(dá)到噸尿素氨耗的設(shè)計(jì)值(568 kg)；系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，操作彈性增大，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3 尿素裝置的節(jié)能優(yōu)化與環(huán)境治理

3.1 優(yōu)化工藝，降低消耗

尿素裝置工藝優(yōu)化內(nèi)容：①針對(duì)不同負(fù)荷工況進(jìn)行的優(yōu)化；②壓縮機(jī)和大機(jī)泵驅(qū)動(dòng)蒸汽/電力的合理利用；③加強(qiáng)解吸廢液、蒸汽冷凝液和流化床造粒系統(tǒng)洗滌液的回收利用；④優(yōu)化升溫鈍化流程，縮短開車時(shí)間；⑤優(yōu)化解吸塔開工程序，提高填料鈍化效果；⑥改造解吸放空管線，控制高負(fù)荷和開工時(shí)的解吸壓力，減少放空損失。

3.2 新增深度水解系統(tǒng)

目前運(yùn)行的氨汽提和二氧化碳汽提尿素裝置解吸氣經(jīng)精餾塔填料段后，出口氣中w(H2O)在11%～15%，有5 400～5 600 kg/h的水在此冷凝而不進(jìn)入尿素合成塔。如新增深度水解系統(tǒng)，通過(guò)精餾操作，使絕大部分水蒸氣冷凝并回收其熱量后，高濃度的氨與二氧化碳?xì)怏w經(jīng)吸收、冷凝后返回尿素合成塔，可主動(dòng)調(diào)控尿素合成塔的水碳比在最佳范圍內(nèi)運(yùn)行，從而達(dá)到優(yōu)化整個(gè)尿素系統(tǒng)的目的。

深度水解系統(tǒng)投用后，可取得以下效果：①合成塔水碳比降低0.15～0.25，二氧化碳轉(zhuǎn)化率提高2%以上，產(chǎn)量可提高約5%，如同時(shí)對(duì)裝置中“瓶頸”設(shè)備改造，可提高產(chǎn)量20%；②在不增加中壓蒸汽消耗的條件下，可節(jié)約低壓蒸汽消耗約10 t/h；③減少進(jìn)入尿素合成的水量約5.7 t/h，可延長(zhǎng)合成塔內(nèi)反應(yīng)物料的停留時(shí)間2～5 min，有利于提高轉(zhuǎn)化率；④降低了系統(tǒng)的蒸汽消耗，冷卻水消耗量相應(yīng)減少。

如果將深度水解系統(tǒng)的氣相與循環(huán)系統(tǒng)耦合，通過(guò)精餾操作使絕大部分水冷凝在尿液中，可大幅降低進(jìn)尿素合成塔的水量，即可主動(dòng)控制尿素合成塔的水碳比，大型尿素裝置產(chǎn)能可以提高20%～30%。

3.3 節(jié)水減排

主要的節(jié)水減排措施：①回收機(jī)泵軸承箱冷卻水、填料密封水和取樣沖洗水；②利用吸收式升溫?zé)岜没厥盏推焚|(zhì)熱能，減少循環(huán)冷卻水用量，補(bǔ)充低壓采暖蒸汽；③尿素蒸發(fā)二次蒸汽洗滌，回收夾帶的尿素。

3.4 穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量

穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的措施：①控制蒸發(fā)系統(tǒng)溫度和真空度，嚴(yán)格控制尿素水含量，添加甲醛提高粒子強(qiáng)度，調(diào)整造粒噴頭轉(zhuǎn)速，定期清理和倒換噴頭，及時(shí)處理噴頭小孔的毛刺，改進(jìn)造粒塔通風(fēng)狀況；②通過(guò)選用新型高效造粒噴頭、改進(jìn)大顆粒造粒機(jī)清理方式、回收造粒裝置廢氣等措施減少排氣粉塵量；③采用尿素造粒塔粉塵回收技術(shù)，降低并回收粉塵[7]。如：中國(guó)石油大慶石化公司化肥廠采用的超聲波和高分子納米不粘涂層技術(shù)有效解決了刮料機(jī)粉塵黏結(jié)形成“駝峰”的問(wèn)題。云南云天化股份有限公司將蒸汽噴射器改為水力噴射器，使真空度穩(wěn)定性增強(qiáng)，降低了蒸汽消耗；成品包裝采用袋式除塵器，設(shè)置風(fēng)選除塵系統(tǒng)；通過(guò)改進(jìn)造粒機(jī)清理方式、采取廢氣回收措施、增設(shè)粉塵回收裝置，可將造粒塔排放氣中粉塵質(zhì)量濃度降至50 mg/m3以下，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 加強(qiáng)環(huán)境治理

通過(guò)采取改造解吸塔塔盤擴(kuò)大處理能力、保證工藝?yán)淠核饨馕b置穩(wěn)定運(yùn)行等措施，確保出水符合鍋爐給水的要求。對(duì)于裝置中其他廢水的處理也應(yīng)高度重視，如中國(guó)石油寧夏石化公司化肥廠通過(guò)增設(shè)密閉回收系統(tǒng)回收填料密封水和取樣沖洗水、增設(shè)事故排液貯槽，實(shí)施廢水回收；優(yōu)化開停車過(guò)程控制，規(guī)范操作，減少生產(chǎn)過(guò)程中的排放量。

4 新技術(shù)、新材料的應(yīng)用

4.1 全冷凝反應(yīng)器技術(shù)

全冷凝反應(yīng)器是高效合成、低能耗尿素工藝技術(shù)(THESES)的關(guān)鍵設(shè)備，集甲銨冷凝器和尿素合成于一體，其下部和上部分別為冷凝段和反應(yīng)段。冷凝段為管式冷凝器，工藝物料(氨、二氧化碳和甲銨等氣液混合物)由下至上在管內(nèi)冷凝反應(yīng)并放出熱量；反應(yīng)段內(nèi)主要進(jìn)行甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)，其出口尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%～30%，可有效分流尿素合成塔的負(fù)荷，縮小尿素合成塔容積，有利于實(shí)現(xiàn)尿素裝置的大型化，最大產(chǎn)能可達(dá)4 000 t/d[8]。

THESES工藝的本質(zhì)是二氧化碳汽提法，但克服了傳統(tǒng)二氧化碳汽提法工藝框架過(guò)高、操作維護(hù)不便、蒸汽消耗較高等不足。THESES工藝的大型高壓設(shè)備完全可以國(guó)產(chǎn)化，裝置的總投資遠(yuǎn)低于引進(jìn)的國(guó)外著名專利商的最新技術(shù)。

4.2 新型耐蝕材料及技術(shù)

在新增或更新設(shè)備上采用新型耐蝕材料，可以提高設(shè)備(特別是高壓靜設(shè)備)的耐蝕性能，延長(zhǎng)其運(yùn)行周期。目前，國(guó)內(nèi)已有10多套裝置使用Safurex材料的汽提塔或池式冷凝器。采用新型池式冷凝器工藝更新改造傳統(tǒng)二氧化碳汽提工藝，使裝置的安全穩(wěn)定性和二氧化碳轉(zhuǎn)化率均有所提高，如中石油寧夏石化公司化肥廠第2套尿素裝置采用該工藝對(duì)原斯那姆氨汽提工藝進(jìn)行擴(kuò)能改造，成功實(shí)現(xiàn)了2種工藝的有機(jī)結(jié)合[7]。

4.3 新型高效塔盤

新型高效塔盤是對(duì)合成塔部分老塔盤進(jìn)行更換的理想選擇，如卡薩利公司、斯塔米卡邦公司以及浙江工業(yè)大學(xué)等的塔盤和相關(guān)技術(shù)服務(wù)為企業(yè)提供了幫助，可根據(jù)裝置實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行合理配置。中石化安慶分公司通過(guò)采用浙江工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的波形高效節(jié)能塔盤對(duì)合成塔內(nèi)老篩板塔盤進(jìn)行改造，不僅提高了二氧化碳轉(zhuǎn)化率，而且減輕了汽提塔和中、低壓系統(tǒng)的負(fù)荷，在降低尿素生產(chǎn)裝置能耗與物耗方面發(fā)揮了較大作用[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

大型尿素裝置采用新工藝、新設(shè)備，不僅降低了裝置投資成本和消耗，而且提高了裝置的安全可靠度；通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)工藝條件和優(yōu)化裝置開車過(guò)程，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；通過(guò)采用高壓設(shè)備在線腐蝕檢測(cè)和維修技術(shù)，提高了設(shè)備的使用壽命；通過(guò)節(jié)能減排和環(huán)保治理，實(shí)現(xiàn)了裝置零排放。

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New Trends of Technical Renovation of Large- Scale Urea Plants

WANG Li

(SINOPEC Ningbo Research Institute of Technology Co., Ltd. Zhejiang Ningbo 315103)

The current technical situation of large- scale urea plants in China is analyzed, and the technical renovation and energy saving and optimization measures of large-scale urea plants are introduced. After large-scale urea plants adopt new process and new equipments, costs of investment of plants are reduced, safety reliability of plants are increased; by optimization of process conditions of system and startup procedure of the plants, and energy saving and emission reduction and environmental protection treatment, equipment operation rate and product quality are improved, and the service life of equipment is prolonged, zero discharge of the plant is realized.

urea radial flow type urea reactor depth hydrolysis renovation

TQ441.41

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1006- 7779(2016)06- 0031- 03

2015- 06- 18)

本文作者的聯(lián)系方式：wangli.snec@sinopec.com