CO2汽提法尿素裝置存在問(wèn)題的分析及對(duì)策

廖容波，沈永倫

(1.北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司 北京 100101；2.湖北三寧化工股份有限公司 湖北枝江 443206)

CO2汽提法尿素裝置存在問(wèn)題的分析及對(duì)策

廖容波1，沈永倫2

(1.北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司 北京 100101；2.湖北三寧化工股份有限公司 湖北枝江 443206)

介紹了采用中壓分流技術(shù)改造后的二氧化碳汽提法尿素裝置的運(yùn)行狀況，通過(guò)對(duì)運(yùn)行中存在問(wèn)題的分析和比較，找到汽提效率下降、甲銨液循環(huán)量低是造成尿素裝置產(chǎn)量下降、中壓系統(tǒng)甲銨液溫度高、無(wú)法提高負(fù)荷的主要原因，并提出切合實(shí)際的解決方案和建議措施。改造后，尿素產(chǎn)量達(dá)到1 705 t/d，噸尿素氨耗降至572 kg，汽提效率達(dá)到80%以上。

二氧化碳汽提法；汽提效率；甲銨液濃度

湖北三寧化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱湖北三寧公司)300 kt/a尿素裝置始建于2007年，采用國(guó)產(chǎn)CO2汽提工藝。2014年初，為了匹配合成氨裝置的增產(chǎn)改造，采用中壓分流技術(shù)對(duì)該套尿素裝置進(jìn)行增產(chǎn)50%的技術(shù)擴(kuò)能改造，即在傳統(tǒng)CO2汽提工藝的高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)之間增設(shè)中壓分解吸收系統(tǒng)、改二段蒸發(fā)為三段蒸發(fā)、增設(shè)預(yù)蒸發(fā)真空濃縮系統(tǒng)，充分利用中壓分解的熱量，使尿素產(chǎn)量達(dá)到1 750 t/d[1]。改造實(shí)施后，由于當(dāng)時(shí)尿素市場(chǎng)不太景氣而液氨緊俏，故湖北三寧公司決定降低尿素裝置產(chǎn)量，維持在1 500 t/d左右的低負(fù)荷下運(yùn)行。自2014年9月開(kāi)始，液氨價(jià)格逐步下降，而尿素價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，但尿素裝置產(chǎn)量無(wú)法提高，只能維持在1 500 t/d左右。

1 存在的問(wèn)題

當(dāng)尿素產(chǎn)量達(dá)1 550 t/d時(shí)，整個(gè)尿素裝置會(huì)偏離正常操作指標(biāo)：氨耗較高，嚴(yán)重時(shí)噸尿素氨耗達(dá)590 kg；高壓、中壓以及低壓系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

1.1 高壓系統(tǒng)

高壓汽提后的尿液溫度偏高，嚴(yán)重時(shí)超過(guò)175 ℃，汽提效率下降(70%～72%)，尿液含氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)11.2%，高壓洗滌器后的放空閥開(kāi)度增大。尿素裝置高壓系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 尿素裝置高壓系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

項(xiàng) 目設(shè)計(jì)值湖北三寧公司華魯恒升公司尿素日產(chǎn)量/t180015241750汽提塔出液溫度/℃168.1172.5166.9汽提塔出液w(NH3)/%7.711.7汽提效率/%8070.88合成塔下液溫度/℃182.8183.5182.7高壓噴射器出口壓力/MPa14.514.3614.40放空閥開(kāi)度/%48.720.0

由表1可看出：湖北三寧公司尿素裝置在產(chǎn)量未達(dá)設(shè)計(jì)值的情況下，汽提塔出液溫度過(guò)高，汽提效率低(比設(shè)計(jì)值低8%～10%)，造成汽提后尿液中甲銨不能有效分解為氨和二氧化碳并使氨從尿液中逸出[2]，進(jìn)而導(dǎo)致尿液溫度不能有效降低，而華魯恒升公司尿素裝置的運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值吻合得比較好。汽提塔出液溫度高，還會(huì)造成高壓設(shè)備的腐蝕速率加快，須在原料氣中加入更多的氧用于防腐鈍化，使原料氣純度下降，進(jìn)而影響尿素轉(zhuǎn)化率，形成惡性循環(huán)。

1.2 中壓系統(tǒng)

中壓甲銨液超溫，甚至達(dá)到112 ℃，造成高壓甲銨泵和高壓管線腐蝕，尿液中鎳含量超標(biāo)，中調(diào)水有時(shí)無(wú)法降低中壓甲銨液的出液溫度；另外，高壓甲銨泵容易出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，打不上量，導(dǎo)致中壓甲銨冷凝器液位較高，甚至出現(xiàn)滿液狀況。尿素裝置中壓系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 尿素裝置中壓系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

項(xiàng) 目設(shè)計(jì)值湖北三寧公司華魯恒升公司中壓分解塔出液溫度/℃160151.0149.4中壓分解塔出氣溫度/℃130135.5130.0中壓甲銨液出液溫度/℃10099.497.0中調(diào)水進(jìn)口溫度/℃8587.793.0中調(diào)水流量/((m3·h-1)90012251376中調(diào)水溫差/℃1024熱負(fù)荷/(MJ·h-1)36.210.323.0

由表2可看出，湖北三寧公司尿素裝置中壓系統(tǒng)甲銨冷凝器的熱負(fù)荷只有華魯恒升公司的50%，僅為設(shè)計(jì)值的1/3。從現(xiàn)場(chǎng)反饋情況來(lái)看，當(dāng)華魯恒升公司尿素裝置達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量時(shí)，中調(diào)水溫差為6 ℃，為設(shè)計(jì)值的90%；當(dāng)尿素產(chǎn)量為1 750 t/d時(shí)，中壓系統(tǒng)表現(xiàn)得非常輕松。但湖北三寧公司尿素裝置的中壓系統(tǒng)加不上負(fù)荷，中壓甲銨液溫度高，降低中調(diào)水進(jìn)口溫度，中調(diào)水出口溫度隨之降低，溫差始終無(wú)法拉開(kāi)，造成此現(xiàn)象的原因可能是中壓甲銨液濃度太高。中壓甲銨液組成分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 中壓甲銨液組成分析結(jié)果

項(xiàng) 目設(shè)計(jì)值湖北三寧公司山西某企業(yè)w(NH3)/%3639.0033.67w(CO2)/%4141.336.8操作溫度/℃10599.485.0結(jié)晶溫度/℃90～9195～9668氨碳比2.272.442.36

由表3可知：湖北三寧公司尿素裝置的中壓甲銨液濃度太高，達(dá)到飽和狀態(tài)，甲銨溶液的相區(qū)進(jìn)入等溫線，接近結(jié)晶溫度，即使降低中調(diào)水進(jìn)口溫度，也不會(huì)降低甲銨液出口溫度，且可能造成甲銨結(jié)晶而堵塞中壓甲銨冷凝器；相比之下，山西某企業(yè)類似尿素裝置的甲銨液濃度低得多，其操作溫度只有85.0 ℃，由于結(jié)晶溫度僅為68 ℃，所以其操作穩(wěn)定、相對(duì)安全。只有降低中壓甲銨液的濃度，才能降低操作溫度，根據(jù)操作手冊(cè)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，中壓甲銨液的操作溫度比結(jié)晶溫度高10 ℃為宜，且不超過(guò)100 ℃[3]。

1.3 低壓系統(tǒng)

低壓系統(tǒng)主要表現(xiàn)為低壓甲銨液溫度高(80.2 ℃)，低壓放空量大且超壓；氨水槽中w(NH3)達(dá)11.7%，尿素成品中w(縮二脲)達(dá)1.0%。尿素裝置低壓系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 尿素裝置低壓系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

項(xiàng) 目設(shè)計(jì)值湖北三寧公司華魯恒升公司低壓甲銨液出液溫度/℃69.580.270.6低壓甲銨冷凝器壓力/MPa0.220.330.30放空閥開(kāi)度/%9180低調(diào)水溫差/℃7.27.4稀氨水w(NH3)/%9.911.73尿素成品中w(縮二脲)/%0.90.960.85

由表4可看出，低壓系統(tǒng)的主要問(wèn)題是低壓冷凝系統(tǒng)壓力高、溫度高、尾氣放空量大，由此可以推斷低壓系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)重，在高壓系統(tǒng)和中壓系統(tǒng)中未分解的甲銨轉(zhuǎn)移至低壓精餾塔分解，產(chǎn)生大量的氨和二氧化碳，導(dǎo)致低壓甲銨冷凝器無(wú)法吸收，進(jìn)而造成低壓甲銨液濃度高，結(jié)晶溫度和操作溫度相應(yīng)提高，這也是導(dǎo)致氨水槽中氨含量高的主要原因。

2 影響因素分析

2.1 汽提效率

(1)影響汽提效率的重要因素之一是溫度。由于尿液中游離氨的蒸發(fā)和甲銨的分解需要足夠的熱量，而且必須保證汽提塔內(nèi)物料始終保持熔融狀態(tài)，要求殼程蒸汽溫度盡可能高，設(shè)計(jì)要求汽提塔殼程操作溫度214 ℃、操作壓力2.0 MPa。從湖北三寧公司現(xiàn)場(chǎng)操作反饋來(lái)看，高壓汽包操作壓力2.14 MPa，可推斷出溫度不是影響汽提效率的主要因素。

(2)影響汽提效率的另一個(gè)重要因素是汽提塔的液相分布。若汽提塔分布器上Φ2.5 mm分布孔發(fā)生堵塞，則會(huì)引起尿液分布不均，造成偏流，致使尿液在汽提管上無(wú)法均勻成膜，最終導(dǎo)致汽提效率下降、設(shè)備腐蝕。從湖北三寧公司現(xiàn)場(chǎng)情況分析，由于中壓甲銨液溫度高，高壓甲銨泵的填料經(jīng)常損壞，而且高壓甲銨泵出口過(guò)濾器的絲網(wǎng)也經(jīng)常出現(xiàn)脫落，特別是3#甲銨泵的出口沒(méi)有配置高壓過(guò)濾器，因此，很有可能是損壞的填料堵塞汽提塔分布器，進(jìn)而影響汽提效率。

(3)液氨帶油或壓縮機(jī)帶油也有可能造成液體分布器分布孔堵塞。因?yàn)闈?rùn)滑油在高溫下會(huì)分解為重油和炭黑，黏稠的重油和炭黑會(huì)附著在分布孔上，但這是一個(gè)很漫長(zhǎng)的過(guò)程。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，液氨和五段出口的二氧化碳?xì)怏w中未檢測(cè)出油含量，因此該因素影響不大。

2.2 甲銨液循環(huán)量

影響甲銨液溫度的重要因素是濃度，甲銨液濃度高則結(jié)晶溫度高，操作溫度隨之升高。降低中壓甲銨液濃度有以下2條途徑：①降低中壓系統(tǒng)負(fù)荷，但從湖北三寧公司尿素裝置中壓甲銨冷凝器的熱負(fù)荷可看出，當(dāng)前的中壓系統(tǒng)問(wèn)題是加不上負(fù)荷，而不是負(fù)荷過(guò)重；②增大甲銨液的循環(huán)量，將低濃度的低壓甲銨液打入中壓系統(tǒng)，將更多的中壓甲銨液注入高壓系統(tǒng)參與合成反應(yīng)，以降低中、低壓系統(tǒng)甲銨液的濃度和操作溫度。尿素裝置甲銨液循環(huán)量見(jiàn)表5。

表5 尿素裝置甲銨液循環(huán)量

項(xiàng) 目設(shè)計(jì)值湖北三寧公司華魯恒升公司尿素日產(chǎn)量/t180015241750中壓甲銨液循環(huán)量/(m3·h-1)0.780.5660.727低壓甲銨液循環(huán)量/(m3·h-1)0.460.350.44噸尿素氨耗/kg575582572

由表5可知，湖北三寧公司尿素裝置的甲銨液循環(huán)量偏小。從表3可知，低壓甲銨液的溫度高，可推斷出低壓甲銨液濃度高且循環(huán)量小，低壓甲銨液進(jìn)入中壓系統(tǒng)后，很快就達(dá)到飽和，造成中壓甲銨冷凝器無(wú)法將中壓分解塔分解的氨和二氧化碳進(jìn)行有效吸收，造成中壓系統(tǒng)加不上負(fù)荷。由于中壓甲銨液濃度高(達(dá)到飽和)，中壓甲銨冷凝器操作溫度隨之升高。高壓甲銨泵是三缸往復(fù)泵，泵進(jìn)口壓力呈現(xiàn)脈沖波動(dòng)，飽和狀態(tài)的甲銨液容易在泵入口汽化，造成泵氣蝕而無(wú)法打量。另外，大量未經(jīng)吸收的工藝氣體直接進(jìn)入低壓系統(tǒng)，造成低壓系統(tǒng)負(fù)荷加重、放空量大的惡性循環(huán)。

3 解決方案

3.1 設(shè)備和管道檢修

2014年11月底，湖北三寧公司尿素裝置進(jìn)入停車檢修階段，開(kāi)塔檢查，發(fā)現(xiàn)汽提塔分布器堵滿了填料碎屑，于是立即組織人員對(duì)填料碎屑進(jìn)行了清理；更換了現(xiàn)有甲銨過(guò)濾器的濾芯，3#甲銨泵出口增設(shè)高壓過(guò)濾器；在總管上設(shè)置1臺(tái)高壓過(guò)濾器，防止填料碎屑進(jìn)入高壓系統(tǒng)；高壓甲銨泵改用品質(zhì)更好的填料，確保甲銨泵穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 調(diào)整操作參數(shù)

結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)，在尿素裝置穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，逐步增大甲銨液循環(huán)量，降低中、低壓甲銨液濃度，擴(kuò)大中壓甲銨液與低壓甲銨液的濃度梯度，以便提高中壓系統(tǒng)的吸收能力，降低中、低壓甲銨液的操作溫度，進(jìn)而提高中壓系統(tǒng)的負(fù)荷，以達(dá)到增產(chǎn)目的。

4 改造效果

通過(guò)上述設(shè)備檢修和操作參數(shù)的調(diào)整，湖北三寧公司尿素裝置的尿素產(chǎn)量立即達(dá)到1 632 t/d，2周后產(chǎn)量達(dá)到1 705 t/d，噸尿素氨耗降至572 kg，汽提效率達(dá)到80%以上，中壓甲銨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了2%～3%，中壓甲銨液操作溫度下降了2～3 ℃，低壓甲銨液操作溫度下降了3～4 ℃，氨水槽含氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至7%～8%。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)繼續(xù)增大中、低壓甲銨液的循環(huán)量對(duì)合成塔轉(zhuǎn)化率影響不大，而且能夠讓更多的甲銨液參與高壓合成反應(yīng)，不僅提高了中壓系統(tǒng)的吸收能力、降低了中壓甲銨液的結(jié)晶溫度、增大了中壓系統(tǒng)的操作彈性，而且可降低水解系統(tǒng)的負(fù)荷。

(2)由于當(dāng)前合成塔出液含氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有7.0%～7.5%，低于設(shè)計(jì)值(8.0%)，而且汽提效率達(dá)到80%以上，說(shuō)明汽提時(shí)尿液中沒(méi)有足夠的氨揮發(fā)出來(lái)吸收熱量以降低尿液自身溫度。因此，可適當(dāng)增加高壓系統(tǒng)的氨量，即增大氨碳比，既可保持合成塔有較高的轉(zhuǎn)化率，又可降低汽提塔的出液溫度。

[1] 廖容波，張路軍.CO2汽提尿素裝置擴(kuò)能改造總結(jié)[J].化肥工業(yè)，2014(4)：37- 41.

[2] 大連工學(xué)院.日產(chǎn)千噸合成氨廠——二氧化碳?xì)馓岱蛩厣a(chǎn)工藝[M].北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1978.

[3] 錢鏡清.水溶液全循環(huán)工藝尿素裝置操作指南[M].上海：全國(guó)化肥工業(yè)信息總站，1999.

Analysis of Problems of Urea Unit Adopting Carbon Dioxide Stripping Process and Countermeasures

LIAO Rongbo1, SHEN Yonglun2

(1.Beijing Zhongliansheng Chemical Engineering CO., Ltd. Beijing 100101；2.Hubei Sanning Chemical Industry Co., Ltd. Hubei Zhijiang 443206)

An introduction is given of operation conditions of urea unit adopting carbon dioxide stripping process after renovation with technology of medium pressure shunt, by analysis and comparison, it is found that drop of stripping efficiency and low circulating rate of ammonium carbamate solution are the main causes of decrease in production of urea unit, high temperature of ammonium carbamate solution of medium pressure system and unable to increases load, and practical solutions and recommended measures are suggested. After the revamp, urea production reaches to 1 705 t/d, the ammonia consumption per ton of urea reduces to 572 kg, stripping efficiency is higher than 80%.

CO2stripping process; stripping efficiency; concentration of ammonium carbamate solution

廖容波(1981—)，男，工程師，從事化工工藝設(shè)計(jì)；liao12837@163.com

TQ441.41

B

1006- 7779(2017)01- 0046- 03

2015- 05- 11)