傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)尿素裝置創(chuàng)新升級的探討

龔普勤，張 鵬，李玉順

（河南心連心化肥有限公司，河南新鄉(xiāng) 453731）

傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)尿素裝置創(chuàng)新升級的探討

龔普勤，張 鵬，李玉順

（河南心連心化肥有限公司，河南新鄉(xiāng) 453731）

針對傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法尿素裝置高污染、高能耗等問題，借鑒國內(nèi)外近幾年尿素發(fā)展的先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，提出了相應(yīng)的技改方向。建議在尿素合成方面提高CO2轉(zhuǎn)化率，中低壓分解方面做好甲銨反應(yīng)熱利用，蒸發(fā)系統(tǒng)降低阻力，回收系統(tǒng)采用環(huán)保工藝和節(jié)能設(shè)備，與其他工段聯(lián)合做好低位熱能綜合利用；并在以上基礎(chǔ)上提出具體的改造思路。

改造升級；CO2轉(zhuǎn)化率；反應(yīng)熱；低位熱能

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.014

據(jù)中國氮肥協(xié)會不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)中、小型水溶液尿素裝置約有190多套，總生產(chǎn)能力約為2 000萬t/a，這些裝置都面臨著因裝備技術(shù)落后，原料和動力消耗高而被淘汰的危險(xiǎn)。進(jìn)入2015年，隨著尿素行業(yè)電價(jià)、增值稅等方面優(yōu)惠政策的取消，以及國內(nèi)外大型化尿素的陸續(xù)投運(yùn)，傳統(tǒng)水溶液尿素裝置生存越來越困難。近年來，國內(nèi)外尿素生產(chǎn)企業(yè)都對裝置進(jìn)行節(jié)能降耗優(yōu)化改造，取得了很好的效果，而這些節(jié)能改進(jìn)措施都在小型尿素裝置上進(jìn)行了。筆者從事尿素生產(chǎn)研究多年，通過對比發(fā)現(xiàn)，這些技術(shù)可以通過跨界移植的手段在水溶液尿素裝置中進(jìn)行應(yīng)用，為國內(nèi)傳統(tǒng)水溶液尿素升級提供參考。筆者結(jié)合公司內(nèi)三套水溶液尿素改造實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾種改造方向，供廣大尿素技術(shù)工作者參考。

1　合成系統(tǒng)謀求更高的CO2轉(zhuǎn)化率

尿素裝置中，CO2的轉(zhuǎn)化率越高，合成系統(tǒng)生成的尿素越多，出尿塔尿液中未反應(yīng)的甲銨以及過剩氨總量也就越少，后續(xù)分解工序所需蒸汽量也就越少，循環(huán)回收未反應(yīng)物所需能耗（電、冷卻水）也相應(yīng)越少。因而，CO2轉(zhuǎn)化率的高低密切關(guān)聯(lián)著尿素裝置的運(yùn)行能耗?，F(xiàn)代尿素合成理論中有以下對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，模擬CO2轉(zhuǎn)化率與蒸汽消耗的關(guān)系，見圖1。

圖1　xCO2與蒸汽耗量及合成液未反應(yīng)物料量的關(guān)系

從圖中可以看出，隨著CO2轉(zhuǎn)化率從60%提高到70%左右，水溶液尿素噸蒸汽消耗由1.6 t下降到1.1 t左右，未反應(yīng)物也隨著CO2轉(zhuǎn)化率的提高而降低。因此，采用高效的合成技術(shù)是對傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)尿素裝置進(jìn)行改造的一條最重要的途徑。

1.1采用等溫合成塔技術(shù)

等溫合成塔技術(shù)是由美國尿素技術(shù)公司（UTI）的Mavrovic等人，在傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法尿塔的基礎(chǔ)上開發(fā)出的逆流換熱合成塔，其核心技術(shù)是采用間壁式傳熱，使合成物流在盤管內(nèi)部發(fā)生甲銨合成反應(yīng)，并將反應(yīng)熱由盤管傳遞給盤管外的尿溶液，提供液態(tài)甲銨脫水反應(yīng)所需的熱量，真正實(shí)現(xiàn)甲銨反應(yīng)熱與生成熱之間的彼此獨(dú)立又彼此互換。由于這一技術(shù)的出現(xiàn)，真正使尿塔內(nèi)部物流實(shí)現(xiàn)單一液相，CO2轉(zhuǎn)化率很高，最高達(dá)到75%以上。通過這一改造，按照尿素合成理論，噸尿素蒸汽消耗可以降低約400 kg左右，與此同時(shí)，循環(huán)系統(tǒng)的冷卻水和電耗都有所下降。因此，采用等溫合成塔技術(shù)升級傳統(tǒng)水溶液尿素裝置，不失為一個(gè)好的途徑。根據(jù)筆者了解，國內(nèi)四川某設(shè)備廠已經(jīng)開發(fā)出了此種合成塔并且在新疆一公司應(yīng)用，效果非常好。

1.2汽提尿素的水溶液高壓圈改造技術(shù)

氨汽提尿素是意大利SANM公司在上世紀(jì)60年代開發(fā)的一種全新工藝，以其過量氨在高壓圈的自汽提來降低甲銨分解所需要的熱量，同時(shí)過量的氨大部分在高壓圈內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)，避免了傳統(tǒng)水溶液的過量氨在中壓系統(tǒng)通過高壓泵加入高壓系統(tǒng)的能耗。由于其高的氨碳比，出高壓圈的CO2轉(zhuǎn)化率在70%～80%之間，噸尿素蒸汽消耗可以下降250 kg左右。山東德州某廠對其傳統(tǒng)原15萬t尿素裝置進(jìn)行了改造，不僅達(dá)到了降低蒸汽消耗的目的，同時(shí)還在不進(jìn)行中低壓改造的情況下，生產(chǎn)能力提高了約30%。因此，作為傳統(tǒng)水溶液尿素改造升級，氨汽提尿素工藝對水溶液合成系統(tǒng)進(jìn)行改造也是一個(gè)可以選擇的方向。

2　做好甲銨反應(yīng)熱的再利用

傳統(tǒng)的水溶液全循環(huán)尿素裝置中，消耗蒸汽最大的是中低壓分解階段，這是因?yàn)樵诟邏汉铣芍蠧O2轉(zhuǎn)化率較低，大量的甲銨需要中低壓階段提供能量進(jìn)行分解與回收，其分解消耗的能量占到尿素總汽耗的90%以上。因此，不管是哪種尿素工藝裝置，做好中低壓分解能量的充分利用是尿素裝置節(jié)能的關(guān)鍵。通過研究目前主流尿素工藝流程，發(fā)現(xiàn)借鑒其他先進(jìn)尿素工藝中低壓熱循環(huán)工藝，充分回收中低壓甲銨回收熱是尿素中低壓技改的優(yōu)先方向。

2.1采用降膜式分解器和真空預(yù)濃縮工藝

降膜式分解器和真空預(yù)濃縮工藝是氨汽提尿素的特有工藝，其裝置的關(guān)鍵點(diǎn)是利用降膜式分解器，尿液自降膜分解器上管箱加入，經(jīng)液體分布及成膜裝置，尿液均勻分配到各換熱管內(nèi)，并沿?fù)Q熱管內(nèi)壁呈均勻膜狀流下。在液體下降過程中，自上而下成膜的尿液不僅被殼程加熱介質(zhì)加熱汽化，同時(shí)也被下部通入的CO2氣體在換熱管內(nèi)部進(jìn)行汽提，從而達(dá)到節(jié)省蒸汽的效果。真空預(yù)濃縮系統(tǒng)是集合中壓分解氣相熱量和低壓甲銨反應(yīng)熱的充分利用而設(shè)計(jì)的一個(gè)全新的蒸發(fā)器。其主要的特點(diǎn)是利用中壓分解的氣相和低壓甲銨液進(jìn)行二次反應(yīng)，大量的反應(yīng)生成熱在蒸發(fā)階段進(jìn)行利用。兩項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合和設(shè)備參數(shù)的優(yōu)化能使改造噸尿素蒸汽消耗降低約100～150 kg。斯塔米卡邦公司也在最新工藝設(shè)計(jì)中引入了真空預(yù)濃縮。

2.2采用低壓水解解吸工藝

低壓水解解吸工藝是美國UTI公司為配合其尿素工藝流程而開發(fā)的。其工藝的特點(diǎn)是將傳統(tǒng)的水解塔和解吸塔合二為一，不僅減少了設(shè)備和設(shè)備之間的阻力，同時(shí)更重要的是將水解塔和解吸塔之間的熱傳遞由間接換熱式改變?yōu)橹苯邮剑岣吡嗽O(shè)備內(nèi)部氣相與液相的對流傳質(zhì)與傳熱，提高了解吸效率，達(dá)到了環(huán)保的效果；同時(shí)，由于其解吸出氣壓力在1.0MPa（g）左右，對應(yīng)飽和溫度在170℃左右，可以與中低壓分解器配合使用，加熱尿液，節(jié)省蒸汽消耗。另外，由于其采用了1.3MPa（g）蒸汽作為熱源，非常適合沒有中高壓蒸汽的尿素廠。通過采用低壓水解解吸工藝，不僅可以使噸尿素節(jié)約蒸汽約10～20 kg，同時(shí)高壓蒸汽通過差壓發(fā)電節(jié)約系統(tǒng)能量。

3　蒸發(fā)系統(tǒng)降低系統(tǒng)阻力和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量

尿素蒸發(fā)系統(tǒng)是關(guān)系到尿素產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，其主要的原理為：在真空狀態(tài)下通過閃蒸，將尿素溶液中的游離氨和水分分離出來，由于其采用真空操作，整個(gè)系統(tǒng)的真空度保持是穩(wěn)定蒸發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵。在水溶液尿素系統(tǒng)的原始設(shè)計(jì)中，尿素系統(tǒng)采用了蒸汽升壓器和立式冷凝換熱器的配合使用，達(dá)到了當(dāng)時(shí)情況下滿足生產(chǎn)要求的目的。但是，隨著整個(gè)尿素裝置的快速發(fā)展，尿素裝置發(fā)展越來越大，尿素產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。蒸汽升壓器和立式冷凝器尿素蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)開始捉襟見肘了。

3.1降低蒸發(fā)系統(tǒng)的阻力

目前主流的大型氮肥工藝設(shè)計(jì)，不管是二氧化碳汽提尿素技術(shù)還是氨汽提尿素技術(shù)，成熟的配套蒸發(fā)設(shè)計(jì)換熱器全部采用臥式設(shè)備。我們經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，臥式冷凝器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備阻力較低，一般不超過10Pa，而立式冷凝器一般在20～30Pa左右。對于尿素真空系統(tǒng)，10 Pa左右的壓力波動就能關(guān)系到整個(gè)尿素產(chǎn)品質(zhì)量。因此，采用臥式換熱設(shè)備是大型尿素工藝的一個(gè)發(fā)展方向。

3.2蒸發(fā)表冷系統(tǒng)采用水抽真空

水力噴射是利用流體壓力能轉(zhuǎn)化成速度能，在吸氣區(qū)形成一個(gè)負(fù)壓狀態(tài)，達(dá)到產(chǎn)生真空和吸氣的目的。借鑒這一原理，我們可以設(shè)計(jì)出一個(gè)水抽真空系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)尿素裝置中的蒸汽噴射技術(shù)。目前，這一成果在國內(nèi)先進(jìn)尿素企業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，公開報(bào)道也比較多，筆者就不再進(jìn)行詳述。基于這一改造，節(jié)約噸尿素蒸汽約60～80 kg，同時(shí)，由于采用水抽真空系統(tǒng)，蒸發(fā)過程的氨氣溶入水中形成氨水，可以在解吸系統(tǒng)中得到回收利用，也減少了系統(tǒng)的氨排放。

4　回收系統(tǒng)采用環(huán)保工藝和節(jié)能設(shè)備

尿素系統(tǒng)回收工藝關(guān)系到整個(gè)尿素系統(tǒng)的能耗和環(huán)保，近年來，國內(nèi)對尿素回收系統(tǒng)研究比較多。

4.1尾氣常壓回收改為精洗器回收工藝

水溶液尿素裝置為常壓吸收，吸收液采用二段表液，尾氣氨含量為9%左右。先進(jìn)尿素裝置目前都將尾氣氨放空控制在1%左右，為此設(shè)計(jì)了帶壓吸收塔，采用冷凝液作為吸收液。根據(jù)這一思路，目前國內(nèi)已將尾吸塔改進(jìn)設(shè)計(jì)為精洗器，控制壓力在0.5MPa（g），利用冷凝水作為吸收劑，出精洗器的洗滌液不再進(jìn)入工藝?yán)淠翰郏侵苯颖萌攵柘雌?，最后靠位差流入中壓吸收塔，密閉的洗滌液流程減少了向空氣中的氨揮發(fā)。因?yàn)椴捎盟鳛榫吹南礈煲?，所以出精洗器的尾氣氨含量可以控制得極低，達(dá)到0.1%（v）。但設(shè)計(jì)及操作上需避免尾氣組成落在爆炸性區(qū)域范圍內(nèi)而形成爆炸性氣體，確保系統(tǒng)安全。

4.2氨冷設(shè)備采用蒸發(fā)式冷凝器

由于水溶液尿素系統(tǒng)采用過量氨設(shè)計(jì)，大量的氣氨在中壓段需要冷凝，這就要求水溶液尿素系統(tǒng)需要設(shè)置大型的氨冷系統(tǒng)進(jìn)行冷凝吸收過量氨，同時(shí)還需要配套設(shè)計(jì)涼水塔系統(tǒng)。目前，蒸發(fā)式冷凝器因?yàn)槠滹@著的節(jié)水和節(jié)能效果在化工行業(yè)中得到了充分地利用，其良好的節(jié)能效果也在尿素行業(yè)中得到了應(yīng)用。

5　做好低位熱能和差壓能的綜合利用

尿素生產(chǎn)企業(yè)是耗能大戶，其大部分的熱量通過低溫?zé)崮苄问结尫诺窖h(huán)水中；如果能對這部分低位熱能進(jìn)行回收利用，按低位熱能利用率為20%考慮，效益也是非?？捎^的。但是在低位熱能，差壓能利用上還需要結(jié)合工廠實(shí)際。近年來，各個(gè)尿素廠家也在充分發(fā)掘低位熱能利用，比較成熟的技術(shù)有：利用尿素裝置熱量加熱鍋爐脫鹽水回收熱量；或者利用熱量進(jìn)行溴化鋰制冷技術(shù)制取冷水，用于其他系統(tǒng)的換熱等。這些技術(shù)都在節(jié)能降耗的環(huán)節(jié)中取得了比較好的效益，是我們以后研究的一個(gè)方向。

6　結(jié)語

目前，傳統(tǒng)尿素行業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)入寒冬時(shí)代，中小尿素裝置改造升級已勢在必行。在各大尿素廠家進(jìn)行技術(shù)改造的同時(shí)，汲取先進(jìn)裝置的技術(shù)并融會到傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)尿素裝置中，必將對傳統(tǒng)水溶液尿素裝置的創(chuàng)新升級起到一定的促進(jìn)作用。

［1］沈華民.用自主創(chuàng)新的節(jié)能減排技術(shù)改造傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法尿素裝置［J］.化工設(shè)計(jì)通訊，2013，39（4）：48-52.

收改稿日期：2016-07-20

Discussion on the Innovation and Upgrading of Urea Plant of Traditional Total Recycle w ith W ater Solution

GONG Pu-qin，ZHANG Peng，LIYu-shun
（Henan Xinlianxin Chemical Co.，Ltd.，Xinxiang Henan 453731 China）

Aiming at the problemsofhigh pollution and high energy consumption of the urea plantof traditional total recyclewith water solution，the authors put forward the corresponding technical reformation direction based on the advanced energy saving technology at home and abroad in recent years.They suggest that the CO2conversion rate should be increased in the synthesis of urea，the reaction heat of ammonium be well utilized in the low and medium pressure decomposition，the resistance be reduced in the evaporation system，the technology of environmental protection and energy saving equipment be adopted in the recovery system，and the low heat energy be comprehensively used in collaboration with other sections.On the basis of above，they propose the specific ideas for the technical reformation.

reformation and upgrading；CO2conversion；reaction heat；low heat energy

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.014

TQ441.41

B

1004-8901（2016）04-0048-03

龔普勤（1984年-），男，河南新鄉(xiāng)人，2008年畢業(yè)于安陽工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事尿素系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)工作。