52萬(wàn)t尿素裝置工藝方案比較和選擇

梁建新

（國(guó)家電投集團(tuán)新疆能源化工有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊830010）

1 尿素關(guān)鍵技術(shù)

目前尿素技術(shù)市場(chǎng)中常用的是水溶液全循環(huán)法，經(jīng)過(guò)十多年的運(yùn)用，其工藝技術(shù)得以改善。為選擇科學(xué)、合理的尿素生產(chǎn)工藝，將上述幾種方法特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)效益等對(duì)比，為生產(chǎn)工藝技術(shù)的選擇提供參考。根據(jù)國(guó)內(nèi)當(dāng)前資源情況分析，天然氣的供應(yīng)量少，且輕、渣油水的價(jià)格一直持續(xù)上漲，在氣頭尿素裝置中，天然氣生產(chǎn)成本則高達(dá)80%[1]。所以在能源價(jià)格上漲的大局情況下煤頭尿素優(yōu)勢(shì)也會(huì)不斷提升，在煤礦資源區(qū)域需可以發(fā)展以煤作為原料的氮肥生產(chǎn)裝置。且需要考慮產(chǎn)品多元化的問(wèn)題及可持續(xù)發(fā)展的情況，在設(shè)立氮肥時(shí)還需要建設(shè)甲醇的裝置，這不管是對(duì)于效益還是成本來(lái)說(shuō)，均有利于均衡發(fā)展，且讓企業(yè)有一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

1.1 氨氣提工藝與斯那姆工藝[2]

這一工藝的核心做法為利用過(guò)多的氨，以此作為自氣提劑的一種全循環(huán)氣提過(guò)程。合成回路可以突出其特點(diǎn)：操作時(shí)設(shè)置15.0～15.5MPa 的壓力，在塔入口處將反應(yīng)溫度控制在186～189℃。這樣的操作條件可達(dá)65%～67%的CO2轉(zhuǎn)化率。在塔內(nèi)，多層孔板可防止返流混合，在良好條件下生成尿素。

因?yàn)檫^(guò)量的氨氣提作用，當(dāng)液體入塔后，分解了多數(shù)未被轉(zhuǎn)化的甲銨，因此可達(dá)到高達(dá)85%的路尿素產(chǎn)率。而剩下的物資（游離氨、甲銨）可在相應(yīng)的條件被分解、回收。

從頂端而出的CO2、NH3，與中壓甲銨混合，通過(guò)冷凝作用返回至合成塔。冷凝器利用的是通過(guò)冷凝而產(chǎn)生的低壓蒸汽，這樣就可以供給下游處的蒸發(fā)、分解所利用。

同時(shí)，該方法還具有一系列的熱回收措施，大大節(jié)約了水和蒸汽。例如，合成塔中的液氨可以通過(guò)低壓預(yù)熱分解，預(yù)汽化器可以通過(guò)中壓分解氣加熱，直到給水經(jīng)過(guò)水解處理，回收的低壓蒸汽可以用于第二階段蒸發(fā)。在40%負(fù)荷中運(yùn)行其操作具有一定彈性。

CO2氣提法為專利法，也是工業(yè)化開始用的較早的技術(shù)，在各范圍內(nèi)均有廣泛使用，生產(chǎn)能力比較足。其特點(diǎn)在于：在CO2—NH3—H2O 系統(tǒng)共沸點(diǎn)溫度上運(yùn)用高壓圈，對(duì)于轉(zhuǎn)化率不過(guò)度追求，而在考慮CO2與NH3的兩者轉(zhuǎn)化率，對(duì)各方因素加以綜合分析，用最低成本得到最良的氨碳比。氣提劑用CO2，效果理想，不會(huì)產(chǎn)生太多的氨，在中壓分解回收時(shí)無(wú)需操作，流程有了相應(yīng)的減少，讓設(shè)備投資更少。由于增加了環(huán)境污染處理系統(tǒng)，即廢水深度解吸系統(tǒng)，可讓廢水中氨、尿素的含量減少至5ppm，回收后作為鍋爐給水之用。

1.2 CO2 氣提工藝與斯塔米卡邦工藝[3]

第一種：60%的CO2轉(zhuǎn)化率在池式冷凝器完成，其他的則在圓筒型合成塔里完成，框架高度只需要33m 即可，比原來(lái)使用的78m 下降了非常多。且容積也大大縮小。

第二種：尿素合成全在池式冷凝器中完成，這就是池式冷凝反應(yīng)器，傳統(tǒng)的尿素合成塔取消了，這讓其框架布置得到了降低。

當(dāng)前CO2氣提法通過(guò)上面所說(shuō)的優(yōu)化效果理想，表現(xiàn)如下：保持低氨碳比、高分解率、低分解壓力，確保了系統(tǒng)的可靠、安全，減少了設(shè)備的磨損，運(yùn)行周期得以增加，讓氨耗、蒸汽的耗量下降。與ACES 法相同1t 尿素消耗指標(biāo)和氨氣提法是一樣的。且污染情況也得到了改善，啟動(dòng)的時(shí)間大大減少，只需要1d 的時(shí)間即可達(dá)到了滿負(fù)荷的運(yùn)行情況。減少框架高度，安裝、操作、檢修等都非常方便，節(jié)約了投資。

同時(shí)，有著極高的回收率。實(shí)際操作中高壓甲銨冷凝器的壓力較高，所以期間凝點(diǎn)溫度有明顯變化，使反應(yīng)冷凝熱得到高效運(yùn)行。反應(yīng)熱部分用在副產(chǎn)0.5MPa 低壓蒸汽，另外的用在加熱氣提塔出的尿液。中壓分解氣冷凝熱主要是在尿液濃縮中運(yùn)用，并且消除尿液中的污染。因?yàn)閺U氣使用吸收塔之后凈化放空，NH3含量不高，這時(shí)工藝?yán)淠核庵罂梢岳缅仩t這一設(shè)備進(jìn)行處理。造粒機(jī)的頂端安裝除塵系統(tǒng)，可以降低氣體的含塵量，使其低于20 mg/Nm3。

汽提塔結(jié)構(gòu)比較特殊，上方是板式塔，下方是降膜式換熱器。一方面針對(duì)尿素水解、縮二脲形成進(jìn)行抑制，另一方面可以使用二氧化碳汽提法分離沒(méi)有轉(zhuǎn)化的甲基銨、過(guò)量氨，達(dá)到降低蒸汽消耗的目的。

合成塔、高壓氨基甲酸銨冷凝器、高壓洗滌器在設(shè)置期間，需要使用高層框架，造價(jià)也不低。

2 技術(shù)方案的遴選[4]

以上的工藝，其能耗是比較類似的，理論值也接近。從熱利用及對(duì)三廢的處理方面比較，二氧化碳?xì)馓岱ǖ耐顿Y不高但能耗高，而ACES 法的使用率卻不高。當(dāng)前，二氧化碳?xì)馓岱ㄊ侨蜃钤缤度氲囊环N設(shè)備，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)好，裝置數(shù)量也較多，與其他的工藝比較，二氧化碳?xì)馓岱üに嚢碧嫉?、靈活、中壓段也較少，防腐空間量大。

但由國(guó)內(nèi)廠家多年運(yùn)行情況分析，關(guān)鍵設(shè)備的使用年限決定著設(shè)備的使用年限，設(shè)備池小負(fù)載60%即可完成。同時(shí)，優(yōu)化其工藝與設(shè)備，特別是這些年選擇的2000+TM 工藝，這一工藝可以解決高框架的問(wèn)題，減少投入成本，提升設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力。且創(chuàng)新性的技術(shù)可節(jié)省更多的費(fèi)用。

氨氣提工藝，其操作性靈活，框架布局低，這是全球發(fā)展最快的工業(yè)尿素的一項(xiàng)技術(shù)。二十世紀(jì)八十年代中，有的國(guó)家引入幾座大、中型尿素的裝置，通過(guò)多年的實(shí)踐，具有中壓段負(fù)荷大、氣提淺、運(yùn)行不暢等特點(diǎn)。高壓氨泵及長(zhǎng)流程，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜。汽提塔采用鈦管，人們對(duì)其耐腐蝕性有疑問(wèn)。有些機(jī)組啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)“紅色尿素”現(xiàn)象。高壓鈦設(shè)備加工制造成本高，維護(hù)不方便。近年來(lái)，雖然氨汽提塔管已改為鋯雙金屬材料，使其耐腐蝕性有所提高，但價(jià)格昂貴，投資大于二氧化碳?xì)馓崴?/p>

為了減少投資，縮短投資回收期，我們采用了傳統(tǒng)的二氧化碳的氣提工藝。經(jīng)過(guò)30 多年的消化吸收，該技術(shù)和設(shè)備已具備國(guó)產(chǎn)化的基本條件。改進(jìn)后的CO2氣提技術(shù)的主要特點(diǎn)是：合成塔運(yùn)行壓力低、功耗低；無(wú)中壓分解段汽提塔深度氣提；高框布置和潮流布置設(shè)備。ENT（新CO2汽提工藝的低機(jī)架布置）；高壓設(shè)備采用316lug 和25-22-2。材料；投資少，建設(shè)周期也比較短。

3 結(jié)語(yǔ)

裝置可以最大限度利用生產(chǎn)中所自我排出的熱量，可最大限度運(yùn)用反應(yīng)熱，運(yùn)用二氧化碳的氣提法，通過(guò)高低壓蒸汽的飽和器、低壓蒸汽袋等，可以一步一步的用不同等級(jí)熱能，低壓0.28MPa蒸汽的副產(chǎn)物送凈化除氧器綜合利用。另外，幾乎所有未反應(yīng)的氨和二氧化碳都是通過(guò)高壓回收和低壓循環(huán)回收的，這使得原氨和二氧化碳的消耗量接近理論值。

在尿素裝置內(nèi)，三廢治理包括了廢氣、廢水。0.4MPa 吸收塔頂部放空氣含氨量約為2.77kg/h，幾乎達(dá)到了國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)。而工藝廢水通過(guò)進(jìn)一步的吸收分解處理后，氨含量＜5ppm（Wt）、尿素含量，在正常生產(chǎn)穩(wěn)定時(shí)，可以用作用鍋爐給水，在非正常情況處理可以進(jìn)入到溫水處理站，采取二次利用后可達(dá)排放的標(biāo)準(zhǔn)。