低負荷下尿素產(chǎn)品質(zhì)量控制措施

(中國石油大慶石化分公司化肥廠，黑龍江 大慶 163714)

中國石油大慶石化分公司化肥廠(以下簡稱大慶石化化肥廠)于1973年引進了荷蘭斯塔米卡邦二氧化碳汽提法工藝的大型化肥裝置，原裝置設計能力為48萬t/a尿素，裝置在2005年進行了50%擴容改造，生產(chǎn)能力提高到75.9萬t/a(年產(chǎn)按330 d計)。

近年來，國內(nèi)尿素產(chǎn)能嚴重過剩、市場供大于求、尿素價格持續(xù)走低，大慶石化化肥廠連續(xù)虧損，生存壓力巨大。為提高企業(yè)效益，化肥廠調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增大商品氨銷售量，降低尿素銷量，且隨著國內(nèi)民用天然氣用量逐漸增加，化肥用氣供應緊張，尿素裝置不得不維持低負荷運行。

1 工藝流程

二氧化碳汽提法生產(chǎn)尿素的工藝流程見圖1。

圖1 二氧化碳汽提法工藝流程

在尿素生產(chǎn)工藝中，原料氨和二氧化碳進入合成系統(tǒng)，反應生成尿素；含有甲銨、水、二氧化碳的尿液經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)精餾后進入尿液儲槽；經(jīng)一段、二段蒸發(fā)后尿液質(zhì)量濃度達到 99.7%，送至造粒噴頭。循環(huán)系統(tǒng)分離出來的氨、二氧化碳經(jīng)吸收系統(tǒng)吸收，以甲銨液形式回收至合成系統(tǒng)再循環(huán)利用。蒸發(fā)系統(tǒng)氣相冷凝液進入水解系統(tǒng)，分離出來的碳銨液回收至循環(huán)系統(tǒng)[1]。

2 產(chǎn)品現(xiàn)狀

隨著民用氣用量的增加，化肥用氣供應緊張，合成氨裝置負荷偏低，加上商品氨銷量增加，尿素裝置長時間在低負荷運行，成品尿素中縮二脲含量升高，尤其是負荷低于60%，縮二脲含量經(jīng)常在指標上限，甚至出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，均值在0.89%～0.90%。縮二脲是尿素成品質(zhì)量的一個重要指標(優(yōu)等品要求含量不高于0.9%)，縮二脲含量高，顆粒強度下降，粉塵量增加，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重影響企業(yè)的經(jīng)濟效益和品牌效益，尿素顆粒強度下降，顆粒在下落和運輸過程中極易破碎，粉塵量增加，不但影響企業(yè)的效益，還對裝置安全環(huán)保帶來不利影響。2016年8月成品皮帶及冷卻單元粉塵含量統(tǒng)計見表1。

表1 2016年8月成品粉塵統(tǒng)計

3 原因分析

3.1 生產(chǎn)負荷偏低影響

現(xiàn)汽提塔設計生產(chǎn)能力1 740 t/d，按汽提塔要求最低負荷70%計算，裝置允許最低負荷為53%，氨量控制為29 t/h。因合成氨裝置商品氨銷售量增加，且油田氣供應不足，合成氨裝置無法高負荷生產(chǎn)。尿素裝置冬季控制負荷55%，低負荷下，為保證裝置穩(wěn)定，高、低壓系統(tǒng)及蒸發(fā)液位控制偏高，停留時間長，尿液流速降低，造成尿素中縮二脲含量偏高(見表2)。

表2 2016年8～10月尿素中縮二脲含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表2看出，裝置生產(chǎn)負荷越低，尿素中縮二脲含量越不易控制，尤其是負荷低于60%時，極易出現(xiàn)超標情況。

3.2 操作經(jīng)驗不足

正常生產(chǎn)時，裝置負荷一般在75%～100%，60%負荷以下的運行情況及時間較少，操作人員對低負荷下的操作比較生疏，操作經(jīng)驗欠缺，因此，對崗位人員加強培訓，提高崗位人員應對負荷變化的操作熟練程度，為裝置平穩(wěn)運行工作打下一個良好基礎。

3.3 游離氨含量

尿液縮合反應方程式如下：

2CO(NH2)2NH2CONHCONH2+NH3+Q

從反應方程式可以看出，尿素在發(fā)生縮合反應時放出氨，因此從反應平衡看，由于NH3為縮合生成物，增加尿素溶液中氨含量，可逆反應逆向進行，可以減少縮二脲的生成。因此增加游離氨的含量，可抑制縮二脲的生成。

3.4 停留時間

在一定溫度下，停留時間越長，縮二脲生成率越大。系統(tǒng)負荷低，蒸發(fā)液位控制達到上限或者蒸發(fā)循環(huán)時間過長都容易造成尿素中縮二脲含量偏高。

3.5 汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力

汽提塔是一個直立管殼式換熱器，采用降膜式加熱器，管外走加熱蒸汽，管內(nèi)進行汽提分解過程。汽提塔設計運行負荷在70%～100%，當負荷低于65%，合成液在汽提塔塔頂液體分布器的液位較低，導致汽提管分布不均勻，殼側(cè)蒸汽壓力偏高，容易產(chǎn)生局部過熱，加劇尿液縮合反應生成。

3.6 系統(tǒng)溫度控制

尿液縮合反應為吸熱反應，溫度升高，將加劇縮二脲的生成，因此反應溫度直接影響縮二脲的生成。

3.7 蒸發(fā)循環(huán)的影響

當皮帶、刮料機、造粒噴頭等設備出現(xiàn)故障需要檢修時，蒸發(fā)系統(tǒng)被迫循環(huán)，系統(tǒng)負荷減至最低，尿液打回流至尿液槽，尿液槽液位升高，停留時間增加，尿液縮聚反應加劇，縮二脲生成量增加，影響尿素產(chǎn)品質(zhì)量。

4 解決措施

4.1加強操作人員培訓力度

加強對操作人員的培訓力度，由小組組員分系統(tǒng)、崗位對所有操作人員進行現(xiàn)場培訓，同時編制《低負荷產(chǎn)品質(zhì)量控制操作指導》，下發(fā)班組學習，培訓的內(nèi)容主要有：①如何對裝置進行優(yōu)化操作，降低成品中縮二脲含量，避免不合格品的發(fā)生，保障裝置長周期高效運行；②低負荷下，如何優(yōu)化控制配比系統(tǒng)氨碳比、游離氨含量、汽提塔殼側(cè)壓力以及系統(tǒng)溫度；③如何控制工藝參數(shù)及裝置的平穩(wěn)率；④外界因素變化，如蒸發(fā)系統(tǒng)溫度大幅波動等如何應對。

通過業(yè)務學習，做到了操作思路統(tǒng)一、操作過程精心、熟練掌握低負荷下操作要點及各工藝指標控制參數(shù)，杜絕了裝置低負荷運轉(zhuǎn)因人為因素造成尿素成品中縮二脲含量超標。

4.2 優(yōu)化系統(tǒng)氨碳比

適當提高系統(tǒng)氨碳比，合成塔氨碳比控制在3.2～3.4范圍內(nèi)，提高尿液中游離氨濃度。

4.3 合理控制汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力

汽提塔正常運行負荷在70%～100%，當負荷低于65%，必須很好地控制汽提塔殼側(cè)加熱蒸汽壓力。汽提塔殼側(cè)加熱蒸汽壓力過低時又會造成汽提效率下降，低壓系統(tǒng)壓力升高，蒸發(fā)及水解操作難度增大，因此，汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力控制要適度。根據(jù)操作經(jīng)驗，將系統(tǒng)負荷與汽提塔殼側(cè)壓力對應關系列于表3。

表3 系統(tǒng)負荷與蒸汽壓力的對應關系

由表3可以看出，70%負荷以下，系統(tǒng)低負荷運行時蒸汽壓力應控制在1.60～1.70 MPa，降低蒸汽壓力不僅能夠降低縮二脲的生成，還能減輕汽提塔的腐蝕。

4.4 停留時間

在一定溫度下，停留時間與縮二脲生成量成正比(見圖2)，降低尿液的停留時間，在一定程度上大大降低了縮二脲的生成量。

圖2 縮二脲生成率與時間的關系

(1)控制合成塔液位、汽提塔液位、精餾塔液位、閃蒸槽液位、熔融尿素泵入口液位，使其在內(nèi)控指標下限操作，減少尿液停留時間。

(2)根據(jù)生產(chǎn)負荷，匹配好熔融尿素泵出口新、老蒸發(fā)尿液線尿液流量，根據(jù)新蒸發(fā)尿液線規(guī)格(φ60.3 mm×2.77 mm)與老蒸發(fā)尿液線規(guī)格(φ88.9 mm×2.9 mm)，可知尿液流速相同情況下，新尿液線流量與老尿液線流量比為1∶2.3，生產(chǎn)操作中，要盡量確保新、老尿液線尿液流速一致，減少尿液停留時間。

(3)若負荷低于65%，且長時間負荷穩(wěn)定不變，則將新蒸發(fā)造粒系統(tǒng)脫開，讓尿液直接走蒸發(fā)老線，降低尿液停留時間及產(chǎn)品縮二脲含量，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

(4)裝置開工過程中，提高蒸發(fā)量，盡量在最短時間內(nèi)將尿液槽液位拉至正常，并根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和實際經(jīng)驗，及時加樣分析，減少尿液停留時間，減少不合格品尿素的產(chǎn)生。

4.5 合理控制系統(tǒng)溫度

(1)適當降低預蒸發(fā)分離器出液溫度，通過降低預蒸發(fā)分析器內(nèi)壓力，關小加熱蒸汽控制閥開度，控制出液溫度(不低于88 ℃)在下限操作。

(2)保證熔融尿素泵出口尿液溫度不低于138 ℃的前提下，適當降低蒸發(fā)夾套壓力，可由0.28 MPa降至0.24 MPa，降低尿液溫度。

(3)控制一段蒸發(fā)溫度在指標下限(128～129 ℃)操作，控制二段蒸發(fā)溫度在指標下限(137～138 ℃)操作，降低尿液溫度。

(4)為了得到較好的轉(zhuǎn)化率，一般通過提高高壓系統(tǒng)的溫度、壓力來實現(xiàn)。但在低負荷時卻帶來了增加成品中縮二脲含量的負面影響，通過控制高壓甲胺冷凝器殼側(cè)壓力，把合成的溫度從182 ℃降至179 ℃，系統(tǒng)壓力降至13.5 MPa，汽提塔出液溫度降至165 ℃，這樣可以降低縮二脲含量，從運行效果看，轉(zhuǎn)化率沒有太大改變，由于溫度下降，汽提塔腐蝕也得到進一步緩解。

低負荷運行下，經(jīng)過優(yōu)化后各指標見表4。

表4 低負荷下優(yōu)化后各項指標

4.6 蒸發(fā)循環(huán)

(1)造粒噴頭進行定期有計劃切換，原則上至少1次/月，具體依據(jù)產(chǎn)品實際粒度，原因是尿液在流經(jīng)造粒噴頭進行造粒時，尿液中的雜質(zhì)會堵塞噴頭小孔，導致從噴頭拋灑出的尿素運行軌道發(fā)生變化，造成粒子碰撞、尿素粘連和粒子粉碎，產(chǎn)品粉塵量增加，在切換噴頭時要進行主動、有計劃、有準備地切換，縮短蒸發(fā)循環(huán)時間、減少停留時間，減少縮二脲的生成。

(2)及時進行刮料機刮臂結(jié)塊在線清理，防止運行中掉塊，憋停皮帶，造成蒸發(fā)循環(huán)，系統(tǒng)波動，產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

(3)調(diào)整噴頭轉(zhuǎn)速。生產(chǎn)過程中根據(jù)系統(tǒng)負荷、產(chǎn)品分析數(shù)據(jù)、產(chǎn)品外觀和噴頭的設計曲線，對轉(zhuǎn)速及時進行調(diào)整。

降低轉(zhuǎn)速，尿素顆粒粒徑增大，則導致散熱效果不好，容易造成尿素顆粒出塔溫度偏高，顆粒粒徑再增大，冷卻效果惡化，會造成粉料增多，而且由于拋灑直徑較小，不能有效利用造粒塔空間，造粒分布比較集中，更加影響出塔溫度；尿素顆粒小，雖然冷卻效果好，出塔溫度低，但是可能會有部分顆粒由于強度不夠，在降落到塔底的時候摔碎。因此，合理控制造粒噴頭轉(zhuǎn)速，夏季噴頭轉(zhuǎn)速可適當高一些，降低出塔溫度，冬季噴頭轉(zhuǎn)速可適當?shù)托?，增大粒子直徑，這些措施對于控制出塔溫度、減少粉料起到積極作用。

4.7 甲醛含量

37%甲醛溶液作為尿素產(chǎn)品的添加劑和防結(jié)塊劑，同時也能提高尿素顆粒的破碎強度，減少粉塵的產(chǎn)生。如果甲醛含量過低，尿素粒子的強度會降低，同時產(chǎn)生大量的粉塵，影響產(chǎn)品質(zhì)量。如果甲醛含量過高，則會降低產(chǎn)品尿素的純度，同時也會增加企業(yè)的成本[2]，因此根據(jù)負荷、粒子強度、溫度及時調(diào)整甲醛的加入時間和加入量，控制甲醛含量在0.15%～0.40%。

5 結(jié)語

在裝置低負荷生產(chǎn)時，通過系統(tǒng)優(yōu)化操作，尿素產(chǎn)品質(zhì)量明顯改善，尿素成品中縮二脲含量明顯下降，粉塵量下降，縮二脲含量由0.90%下降為0.88%，粉塵量由90袋/天下降至40袋/天，提高了成品質(zhì)量，使尿素裝置能在系統(tǒng)最低負荷下平穩(wěn)運行，對化肥廠的氨尿平衡具有很大意義，確保了尿素裝置長周期運行。