解吸塔液泛原因分析及對策

(中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317)

中煤鄂爾多斯能源化工有限公司2×80萬t/a尿素裝置，采用中國五環(huán)工程有限公司(以下簡稱中國五環(huán))改進(jìn)型CO2汽提技術(shù)及荷蘭荷豐公司流化床大顆粒造粒技術(shù)。其中，解吸水解系統(tǒng)采用中國五環(huán)技術(shù)，用于回收尿素生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工藝?yán)淠褐械陌焙湍蛩?設(shè)計(jì)工藝?yán)淠航M分為NH3：5%～8%、CO2：3%～6%)，設(shè)計(jì)最大處理能力為79m3/h。第一解吸塔塔盤15層，第二解吸塔塔盤24層，水解塔塔盤11層，以上均為篩板塔。

2014年2月投產(chǎn)以來，解吸水解系統(tǒng)運(yùn)行基本正常，由于裝置負(fù)荷偏低，工藝?yán)淠禾幚砹吭?5～55m3/h。裝置于2014年10月及2016年5月進(jìn)行了2次大修，重點(diǎn)檢查了篩盤是否變形、吹翻、卡扣松動(dòng)等，均未發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)。

2016年7月，隨著尿素裝置生產(chǎn)負(fù)荷的提高，解吸水解負(fù)荷也逐漸提高至100%以上，處理量達(dá)65m3/h，但是，氣液比稍有波動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)解吸塔液泛現(xiàn)象，給操作帶來了很大的難度，為了解決問題及確定檢修方向，針對液泛的各種原因進(jìn)行判斷排除，2017年1月確定為塔盤孔堵塞。2017年5月20日進(jìn)行檢修，清理塔盤，檢修完成后，于5月28日開工，系統(tǒng)運(yùn)行正常，此次經(jīng)歷對今后的問題判斷積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 工藝流程

解吸水解系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 解吸水解系統(tǒng)流程

從蒸發(fā)冷凝器來的工藝?yán)淠海晒に嚴(yán)淠罕眉訅汉?，?jīng)解吸塔換熱器與來自第二解吸塔的液體換熱，然后送至第一解吸塔上部的第三塊塔盤下，與來自第二解吸塔的高溫氣體接觸，其中大部分氨和二氧化碳被汽提出來并通過氣相管進(jìn)入回流冷凝器吸收后送至低壓系統(tǒng)，液相由水解泵送至水解塔換熱器，與來自水解塔底部的液相換熱后，進(jìn)入水解塔頂部。水解塔底部通入2.5MPa透平蒸汽，液相中的尿素被水解成氨和二氧化碳，由氣相管進(jìn)入第一解吸塔頂部與其氣相一起進(jìn)入回流冷凝器。水解塔液相與來自第一解吸塔的液體換熱后自流入第二解吸塔，與來自底部的低壓蒸汽(0.36MPa)接觸后進(jìn)入第二解吸塔底部，第二解吸塔出液進(jìn)入解吸換熱器與工藝?yán)淠罕盟蛠淼墓に嚴(yán)淠簱Q熱后經(jīng)過凈化工藝?yán)淠豪鋮s，合格的凈化工藝?yán)淠河杀靡徊糠炙椭凉┧囬g用于制作脫鹽水，另一部分送至大顆粒做為洗滌補(bǔ)液。

2 問題描述及判斷

2.1 系統(tǒng)異常現(xiàn)象描述

(1)解吸處理量在60m3/h以上時(shí)，解吸系統(tǒng)的異?，F(xiàn)象如下：①第一解吸塔氣相溫度長期偏低，該溫度在110～116℃(正常運(yùn)行時(shí)，氣相溫度在119～121℃，)；②運(yùn)行中解吸塔壓力會(huì)快速降低；③第一解吸塔液位逐漸下降；④凈化工藝?yán)淠和馑烷y逐漸關(guān)??；⑤回流冷液位槽液位增長很快；⑥第二解吸塔頂部溫度下降；⑦凈化工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率自35μs/cm上漲至80μs/cm；⑧回流冷卻器循環(huán)水上回水溫差拉大，達(dá)到15℃左右(正常生產(chǎn)中循環(huán)水上回水溫差在8～10℃)；⑨蒸汽加入量逐漸減小。

(2)將解吸處理量由60m3/h減至50～55m3/h的過程中，系統(tǒng)發(fā)生如下變化：①解吸塔氣相溫度緩慢上升；②解吸塔壓力逐漸上漲；③凈化工藝?yán)淠和馑土恐饾u增大。

2.2 問題分析判斷

從解吸塔出現(xiàn)的各種現(xiàn)象可以看出，解吸水解提不起負(fù)荷的主要原因是：解吸塔盤上的蒸汽流通小孔的孔徑變小，致使塔中汽液比失調(diào)，塔盤上的蒸汽流通量大幅減少，使上下塔板兩端的板壓降增加，引起第一解吸塔經(jīng)常液泛。

正常生產(chǎn)時(shí)，塔盤中液相介質(zhì)從上一層(P1)流入下一層(P2)過程中，降液管為滿液操作，液相介質(zhì)液位高于塔板入口處的液面，其差值為板壓降(hf)與液體經(jīng)過降液管的阻力降(∑hf)之和。塔板入口處的液相高度由3部分構(gòu)成：堰高(hw)；堰上液體高度(how)，即溢流堰上層液體與堰板的垂直距離；液面落差Δ。

因此，降液管內(nèi)的液相高度hd=hw+how+Δ+hf+∑hf[2]。

在一定生產(chǎn)負(fù)荷時(shí)，如果要維持相對應(yīng)的液相介質(zhì)流量和氣相介質(zhì)流量不變，即hw、how、Δ、∑hf保持不變，若某層塔盤的篩孔變小時(shí)，蒸汽流通量就會(huì)減少，造成該層空間內(nèi)壓力增加，該層塔盤與上一層塔盤的板壓降將會(huì)增大，因此，降液管內(nèi)的液相介質(zhì)的液面就會(huì)增大，而壓差的逐漸增大會(huì)導(dǎo)致降液管內(nèi)液面的逐漸上升。但是，當(dāng)降液管內(nèi)液面升至上層塔板的溢流堰最上端時(shí)，降液管內(nèi)的液相液面將與塔板上的液相液面同步升高，因此，當(dāng)降液管內(nèi)的液面升至堰板最上端時(shí)，該降液管內(nèi)的液體流量為其極限狀態(tài)下的通過的最大流量，若液體流量超過此極限值，解吸塔塔板就會(huì)失去自衡能力，塔板上開始積液增加，最終使全塔充滿液體，氣液相失去平衡引起溢流液泛。生產(chǎn)中通過多次試驗(yàn)，確定檢修前解吸塔篩孔變小后的流量極限僅為55m3/h[2]。

上述現(xiàn)象表明，解吸水解處理量在60m3/h時(shí)，塔內(nèi)的汽液平衡被打破，第一解吸塔發(fā)生液泛。為了查明液泛的原因以便有針對性地解決，通過查閱資料、調(diào)整系統(tǒng)等手段排除以下幾種原因：①解吸塔內(nèi)汽/液比失調(diào)；②解吸塔超負(fù)荷運(yùn)行；③送入解吸塔內(nèi)的溶液組分發(fā)生突然的變化；④水解塔的壓力控制閥閥位主控與現(xiàn)場不對應(yīng)。最終通過解吸電導(dǎo)率的變化，判斷應(yīng)為含鹽較高的水進(jìn)入工藝?yán)淠褐?，造成塔盤篩孔結(jié)垢從而引起的液泛。

3 檢修及處理

2017年5月20日，尿素系統(tǒng)停車進(jìn)行計(jì)劃檢修，主要對水解塔、第一、第二解吸塔塔盤檢查處理，本項(xiàng)目檢修由維護(hù)人員和工藝技術(shù)人員共同入塔，進(jìn)行塔盤檢查拆裝，所查問題如下。

3.1 發(fā)現(xiàn)的問題

解吸塔塔盤每層有4塊篩板，由卡扣鏈接。解吸塔及塔盤結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 解吸塔及塔盤結(jié)構(gòu)

首先拆卸第一解吸塔，前3塊塔盤拆卸中未發(fā)現(xiàn)異常，卡扣鏈接完好，塔盤未發(fā)生變形，下液板及溢流堰正常。拆卸完第4塊塔盤后，發(fā)現(xiàn)塔盤表面有一層灰褐色的垢，塔盤小孔變小，篩孔設(shè)計(jì)為φ6mm，部分篩孔的通徑只有φ5mm，越往下結(jié)垢越嚴(yán)重。第4塊及以下塔盤結(jié)垢的原因?yàn)椋汗に嚴(yán)淠河傻谝唤馕牡?塊塔盤進(jìn)入。

拆卸第二解吸塔塔盤時(shí)，卡扣、下液板、溢流堰正常，只是塔盤上有微量的結(jié)垢，物質(zhì)的顏色與第一解吸塔相比稍淺，具體情況見圖4。

圖4 第二解吸塔塔盤結(jié)構(gòu)

在清理氨水槽時(shí)，也發(fā)現(xiàn)在底部存在大量的褐紅色固體雜質(zhì)。因此，認(rèn)為解吸塔中存在的固體雜質(zhì)是來自于氨水槽，解吸塔的塔盤上和篩孔上的硬垢是在日常生產(chǎn)中形成的。

3.2 塔盤上雜質(zhì)、結(jié)垢的來源分析及處理措施

3.2.1 塔盤上雜質(zhì)的主要來源

(1)大顆粒尿素生產(chǎn)中添加甲醛所帶來的影響。大顆粒尿素生產(chǎn)過程中為了保障大顆粒強(qiáng)度質(zhì)量指標(biāo)而添加37%(w)的甲醛溶液，而外購的甲醛溶液在入廠分析化驗(yàn)時(shí)，僅對其主要成分進(jìn)行了分析，對甲醛溶液沉積物和雜質(zhì)含量監(jiān)控力度不夠。

(2)地下槽及密封導(dǎo)淋槽的氨水中有油。正常運(yùn)行時(shí)，氨水由解吸水解系統(tǒng)進(jìn)行處理，地下槽及密封導(dǎo)淋槽是用于尿素裝置在停車及倒泵時(shí)，存儲(chǔ)沖洗設(shè)備及管道后廢液的中間氨水儲(chǔ)槽；停車或倒泵后進(jìn)行清洗設(shè)備及管道的氨水，首先進(jìn)入密封導(dǎo)淋槽，當(dāng)密封導(dǎo)淋槽液位高時(shí)，氨水通過溢流管進(jìn)入地下槽；當(dāng)?shù)叵虏壑械囊何贿_(dá)到指標(biāo)時(shí)，操作人員會(huì)定期用地下槽泵將氨水打入氨水槽。尿素裝置的氨水中含有微量的潤滑油，主要來自前系統(tǒng)泄漏的密封油及機(jī)泵常年運(yùn)轉(zhuǎn)泄漏的潤滑油。由于地下槽及密封導(dǎo)淋槽只有在停車檢修時(shí)才進(jìn)行清理，因此，氨水中油或雜質(zhì)都集聚在氨水槽的底部。在生產(chǎn)過程中，既要保持地下槽內(nèi)低液位，又要避免一次性將過多含雜質(zhì)的氨水打入氨水槽，引起解吸系統(tǒng)工藝指標(biāo)的波動(dòng)，給生產(chǎn)帶來不利的影響。

(3)低壓系統(tǒng)精餾塔內(nèi)有鮑爾環(huán)填料腐蝕的產(chǎn)物。精餾塔檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，鮑爾環(huán)填料裝填高度降低，且存在鮑爾環(huán)填料腐蝕后的細(xì)小雜物，部分雜物可能在生產(chǎn)運(yùn)行過程中隨產(chǎn)品帶出系統(tǒng)，另一部分可能留在了氨水槽中。

3.2.2 塔盤上雜質(zhì)處理措施

(1)對塔盤進(jìn)行清理。首先，用高壓沖洗水對塔盤及篩孔進(jìn)行沖洗；其次，人工進(jìn)行檢查，死角及未清理干凈的篩孔用φ6mm的錐子與塔盤垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，確保篩孔清理干凈。

(2)加強(qiáng)對氨水槽中雜質(zhì)的控制。為了加強(qiáng)氨水中雜質(zhì)的控制，防止解吸塔液泛現(xiàn)象反復(fù)發(fā)生，采取了以下措施：①加強(qiáng)甲醛溶液入廠的質(zhì)量控制；②嚴(yán)格控制尿素產(chǎn)品中甲醛的加入量；③加強(qiáng)班組對氨水槽和地下槽的液位控制；④加強(qiáng)對氨水槽和地下槽的定期清理。

3.2.3 塔盤結(jié)垢原因分析及處理措施

根據(jù)塔盤結(jié)垢情況，分析塔盤結(jié)垢的原因?yàn)楣に嚴(yán)淠簝?nèi)進(jìn)入了含鹽較高的水，工藝?yán)淠簝?nèi)的鈣鎂離子及淤泥在高溫加熱后，沉淀在塔盤上，長期積累造成塔盤結(jié)垢、篩孔變小。針對上述原因，將可能進(jìn)入氨水槽的介質(zhì)逐一排查，最終發(fā)現(xiàn)下面兩個(gè)問題。

3.2.3.1 一段蒸發(fā)冷凝器泄漏

通過對所有與工藝?yán)淠耗芙佑|的換熱器進(jìn)行查漏，發(fā)現(xiàn)一段蒸發(fā)冷凝有10根列管與管板間有裂紋，生產(chǎn)中發(fā)生泄漏，導(dǎo)致氨水中鈣鎂離子超標(biāo)。分析列管泄漏原因如下。

(1)熱應(yīng)力過大。按工藝設(shè)計(jì)一段蒸發(fā)冷凝器的設(shè)備殼程為溫度較高的蒸發(fā)尾氣，管程為溫度較低的循環(huán)水。正常運(yùn)行時(shí)，由于列管式換熱器殼程和管程中冷、熱流體溫度不同，使殼體和管壁的溫度必然存在較大差異。較大的溫度差導(dǎo)致了列管換熱器的管殼和換熱管熱膨脹量的不同；當(dāng)殼程和管程兩側(cè)溫差過大時(shí)可能將列管扭曲，或使列管從管板上拉松，或使折流板發(fā)生形變，內(nèi)部換熱管分布間距變化，甚至使整個(gè)換熱器化熱效率變差，給工藝系統(tǒng)帶來影響。另外，一段蒸發(fā)冷凝器系統(tǒng)開停車過程中溫度升降率超過設(shè)計(jì)值，換熱器的管束和管板受到較大熱應(yīng)力沖擊，管束與管板聯(lián)接處的強(qiáng)度密封焊接面或脹接面發(fā)生形變，導(dǎo)致管束端口泄漏；系統(tǒng)運(yùn)行中調(diào)節(jié)蒸發(fā)負(fù)荷時(shí)，加減量太快或因其他原因?qū)Q熱器負(fù)荷突降為零時(shí)，導(dǎo)致設(shè)備殼程快速停止供汽。而循環(huán)水側(cè)不能馬上停水而繼續(xù)循環(huán)，因換熱器的管束為壁薄管，熱脹冷縮速率較快，管板較厚熱脹冷縮速率較慢，管束與管板連接處的焊縫及脹接面就遭到了破壞，列管端口出現(xiàn)泄漏。

(2)管板變形。一段蒸發(fā)冷凝器本體直徑較大，在設(shè)備廠商對管板設(shè)計(jì)加工及裝配過程易產(chǎn)生局部變形，管板與管束組裝后相連處存在一定的應(yīng)力。若管板受熱后變形量增大，使管束拉松端口易發(fā)生泄漏。另外，在一段蒸發(fā)冷凝器的運(yùn)行過程中，水走管程，工藝介質(zhì)走殼程。管程循環(huán)水側(cè)壓力高、溫度低，殼程則壓力低、溫度高，若管板厚度的設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠，在溫度、壓力交替變化下管板中心會(huì)向壓力低、溫度高的工藝介質(zhì)側(cè)鼓凸。在循環(huán)水側(cè)，溫度較低，管板發(fā)生中心凹陷現(xiàn)象，若在負(fù)荷變調(diào)節(jié)幅度大，或調(diào)節(jié)速率過快或負(fù)荷突變時(shí)，管板極易發(fā)生較大變形。這些變化使管板發(fā)生變形，導(dǎo)致管子端口泄漏或管板發(fā)生永久變形。

(3)堵管工藝不當(dāng)。一段蒸發(fā)冷凝器換熱管發(fā)生泄漏后，檢修維護(hù)通常采用錐形塞焊接堵管法。將錐形塞用適度力打入泄漏的換熱管端口；在檢修過程中封堵泄漏管束時(shí)，錐形堵頭捶擊力量過大，會(huì)引起管孔變形，造成二次損傷，出現(xiàn)新的泄漏點(diǎn)。若焊接過程中，預(yù)熱、焊縫位置及尺寸不合適，出現(xiàn)應(yīng)力形變或熱變形，則會(huì)導(dǎo)致鄰近管子與管板連接處受損壞而出現(xiàn)泄漏。

3.2.3.2 塔盤結(jié)垢的應(yīng)對與預(yù)防措施

首先，要求一段蒸發(fā)冷凝器設(shè)備廠商按特殊工況，設(shè)計(jì)核算熱膨脹量及管板強(qiáng)度，并留有足夠的余量；其次，對于密封性能要求較高、運(yùn)行中時(shí)常承受振動(dòng)或疲勞載荷的換熱管，管端密封處理需采用貼脹加強(qiáng)度密封焊，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，消除熱?yīng)力；再次，換熱管泄漏檢修時(shí)，現(xiàn)場一般采用錐形塞焊接堵管法。將錐形塞用適度力打入泄漏的換熱管端口，堵塞管子的兩個(gè)端口，確保檢修過程中不發(fā)生二次損壞的問題。因此，為保證管束檢修的質(zhì)量，檢修前要對被堵管束的端頭部位打磨干凈，使錐形堵頭與管束孔接觸良好。當(dāng)管束與管板連接處有裂紋或沖蝕的情況下，必須去除管束端部焊接金屬，使管束與脹接面裸露出來，再進(jìn)行錐形塞焊接堵管法封堵處理。最后，在操作運(yùn)行過程中要嚴(yán)格執(zhí)行工藝操作規(guī)程，使換熱器在啟停時(shí)的溫升率、溫降率不超過規(guī)定值，盡量避免大幅度變負(fù)荷調(diào)節(jié)，水側(cè)要有安全閥防止超壓。

3.2.4 落地肥處理

(1)尿素大顆粒成品在散料運(yùn)輸、包裝、碼垛過程中，由于撒料、破袋、除塵系統(tǒng)回收的粉塵以及次品肥處理，會(huì)產(chǎn)生大量的落地肥。因尿素裝置原始設(shè)計(jì)時(shí)未考慮落地肥的處理系統(tǒng)，尿素裝置開車一年多以來產(chǎn)生的大量落地肥堆積在成品庫房中，即占用了大量的存儲(chǔ)空間，又不利于尿素系統(tǒng)的節(jié)能降耗。因此，在2015年5月，尿素裝置新增加融肥槽，對融肥過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)未采取有效的去除措施，將含大量雜質(zhì)的尿素溶液返回到尿液內(nèi)，通過蒸發(fā)器后，灰塵被帶入工藝?yán)淠合到y(tǒng)，造成解吸水解系統(tǒng)工藝指標(biāo)波動(dòng)，負(fù)荷受到較大的影響，運(yùn)行一段時(shí)間后，只有停止融肥才能保證解吸水解系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(2)應(yīng)對與預(yù)防措施。在新增加溶肥槽頂部入料口以及融肥槽尿素溶液輸送泵進(jìn)出口管道，分別增設(shè)了100目不銹鋼過濾器，并定期清洗；另外，對融肥槽也進(jìn)行定期清理；保證了溶肥槽的尿素溶液中無雜物。

4 處理后的效果

針對解吸塔運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，分析查找原因，逐項(xiàng)落實(shí)整改。2017年5月28日裝置開車后，解吸水解系統(tǒng)運(yùn)行正常，處理量能力達(dá)到65m3/h。為防止上述問題再次出現(xiàn)導(dǎo)致液泛現(xiàn)象發(fā)生，制定了以下措施：首先，加強(qiáng)對融肥過程的控制，增加返回尿液的過濾工序，確保進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)尿液的質(zhì)量；其次，蒸發(fā)系統(tǒng)開車時(shí)，控制蒸發(fā)升溫速率，防止一段蒸發(fā)冷卻器升溫過快引起列管泄漏；最后，定期分析一段蒸發(fā)冷凝器下液鈣鎂離子，發(fā)現(xiàn)泄漏，立即處理。

5 結(jié)語

針對解吸塔運(yùn)行中出現(xiàn)液泛，造成解吸水解系統(tǒng)負(fù)荷低的原因進(jìn)行了分析，并制定相應(yīng)的防范措施。運(yùn)行至今，解吸水解系統(tǒng)運(yùn)行正常，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，且能滿足105%負(fù)荷運(yùn)行。