尿素裝置循環(huán)系統(tǒng)存在問(wèn)題分析及解決方案

劉平（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

1 概述

我廠尿素裝置采用斯塔米卡邦改良二氧化碳汽提工藝，具有流程短、能耗低和操作便利等優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)回收系統(tǒng)包括低壓系統(tǒng)、常壓系統(tǒng)、蒸發(fā)及水解解析系統(tǒng)，循環(huán)系統(tǒng)的作用是回收高壓合成系統(tǒng)未反應(yīng)的氨與二氧化碳，并將其送回高壓系統(tǒng),提高氨和二氧化碳的利用率。循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)尿素裝置的能耗水平、生產(chǎn)能力及環(huán)保都有較大的影響。

2 循環(huán)系統(tǒng)問(wèn)題分析

自原始開(kāi)車(chē)以來(lái)，裝置在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，低壓系統(tǒng)一直存在壓力超高的問(wèn)題。在性能考核期間，通過(guò)降低高壓系統(tǒng)壓力從14.5MPa將至14.0MPa，降低高壓調(diào)溫水溫度，提高汽提效率等措施，才確保通過(guò)考核。但以此也帶來(lái)常壓系統(tǒng)壓力高，水解解析負(fù)荷重等問(wèn)題，循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)與運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比表如表1所示。

表1 循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)與運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比表（90%負(fù)荷）

自開(kāi)車(chē)以來(lái)低壓系統(tǒng)操作一直是裝置的難點(diǎn)，也成為了裝置高負(fù)荷運(yùn)行的瓶頸問(wèn)題。因低壓、常壓系統(tǒng)壓力高，出氣管線經(jīng)常堵塞，其尾氣排放NH3 排放指標(biāo)也存在超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)因水解解析負(fù)荷高，中壓及低壓蒸汽消耗較設(shè)計(jì)增加2t/h。前些年由于合成裝置原因，尿素裝置一直在90%左右負(fù)荷運(yùn)行，低壓超壓的問(wèn)題也一直未解決。隨著裝置高負(fù)荷運(yùn)行的需要以及環(huán)保排放指標(biāo)的趨嚴(yán)，尿素裝置低壓系統(tǒng)壓力高的問(wèn)題需要盡快解決。

2.1 高壓系統(tǒng)

高壓系統(tǒng)由4臺(tái)高壓設(shè)備組成,分別為合成塔、高壓甲銨冷凝器、汽提塔和高壓甲銨洗滌器。我廠是斯塔米卡邦第一套采用池式冷凝器工藝2700t/d 的尿素裝置，工藝包是在原3052 二氧化碳汽提裝置基礎(chǔ)上模擬完成的，部分設(shè)計(jì)參數(shù)不盡準(zhǔn)確。投入運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的操作彈性小，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)較設(shè)計(jì)參數(shù)有較大差異。

通過(guò)對(duì)高壓系統(tǒng)合成塔出液和汽提塔出液分析、計(jì)算，高壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率較設(shè)計(jì)值偏低，汽提效率基本能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。高壓甲銨洗滌器出氣溫度偏高30℃，高調(diào)水入口溫度從設(shè)計(jì)131℃將至116℃。因高壓系統(tǒng)壓力降低，在一定的生產(chǎn)工藝條件下，惰氣總量是一定的，NH3、CO2平衡分壓降低，導(dǎo)致更多NH3、CO2到高壓洗滌器中冷凝。雖然高調(diào)水溫度的降低有利于高壓洗滌器的NH3、CO2冷凝，但仍然有更多的NH3、CO2到4bar吸收系統(tǒng)，在這里吸收的氨增多，從低壓返回高壓系統(tǒng)的甲銨液也增加，即返回高壓系統(tǒng)的水增加，既增加循環(huán)回收系統(tǒng)的符合，又使高壓水碳比升高。

對(duì)高壓系統(tǒng)而言，提高系統(tǒng)壓力有利于提高轉(zhuǎn)化率，同時(shí)也能降低高壓洗滌器及低壓系統(tǒng)負(fù)荷。

2.2 低壓系統(tǒng)

從精餾塔來(lái)的氣相混合物與解吸回流液、常壓稀甲銨液以及氨水槽工藝?yán)淠涸诘蛪杭卒@冷凝器中冷凝，管側(cè)通過(guò)低壓調(diào)溫水換熱，低壓甲銨冷凝器中的甲銨液溢流至低壓甲銨冷凝器液位槽,由高壓甲銨泵送回高壓系統(tǒng)。低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對(duì)比表2所示。換熱器前后實(shí)際溫差為5.5℃，實(shí)際壓差為40KPa，較設(shè)計(jì)值偏差較大。

表2 低壓甲銨冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對(duì)比表（2019年12月數(shù)據(jù)）

通過(guò)對(duì)低壓甲銨冷凝器熱負(fù)荷計(jì)算，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為：

實(shí)際熱負(fù)荷為：

上述計(jì)算可以看出低壓甲銨冷凝器沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)換熱能力，只有設(shè)計(jì)負(fù)荷58%。工藝做過(guò)多次的調(diào)整，試圖提高該換熱器的換熱效率，如將低調(diào)水流量從1538t/h提高至1780t/h，低調(diào)水溫度從55℃將至51℃，但收效甚微。

低壓甲銨冷凝器是液相侵沒(méi)式換熱反應(yīng)器，殼側(cè)充滿甲銨溶液，氣相經(jīng)底部汽氣體分布器均勻分布后以鼓泡的方式進(jìn)入液相。列管式換熱效率降低的原因主要有列管結(jié)垢、氣體分布不均及不凝氣多等原因。因低壓調(diào)溫水使用蒸汽冷凝液，且在歷年大修中，都對(duì)列管進(jìn)行水射流清洗，并未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢嚴(yán)重的情況，在對(duì)殼側(cè)進(jìn)行過(guò)檢查中，也未發(fā)現(xiàn)其殼側(cè)有結(jié)垢現(xiàn)象。

圖1 改造后流程

通過(guò)以上分析，初步懷疑低壓甲銨冷凝器換熱效率低的原因主要是不凝氣量高于設(shè)計(jì)工況，同時(shí)試驗(yàn)也驗(yàn)證了不凝氣多是導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降的原因。在裝置90%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，我們逐步增加低壓甲銨冷凝器吸收水量，發(fā)現(xiàn)隨著吸收水量的增加，低壓調(diào)溫水進(jìn)出口溫差也隨著增加，當(dāng)吸收水量從1.0t增加到4.0t 以上時(shí)，低壓調(diào)溫水進(jìn)出口溫差基本達(dá)到設(shè)計(jì)溫差。以上試驗(yàn)說(shuō)明，低壓甲銨冷凝器換熱能力是能夠滿足設(shè)計(jì)條件的，但由于運(yùn)行工況的改變，不凝氣的增加，其換熱效率下降。

針對(duì)此問(wèn)題，我們與國(guó)內(nèi)同規(guī)模、同類(lèi)型裝置進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備換熱面積比我廠大20%左右，其換熱能力基本能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 解決方案

3.1 工藝優(yōu)化措施

3.1.1 提高高壓轉(zhuǎn)化率、分解率

提高高壓系統(tǒng)氨碳比，提高合成系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率，按設(shè)計(jì)值高限將高壓系統(tǒng)氨碳比控制在3.1～3.2，氨碳比每增加0.1，轉(zhuǎn)化率將提高0.5%～1.5%。適當(dāng)提高高壓汽提塔加熱蒸汽壓力，提高汽提塔汽提效率，減少進(jìn)入低壓系統(tǒng)的未反應(yīng)完的甲銨。

3.1.2 提高低壓系統(tǒng)氨碳比

適當(dāng)增加低壓甲銨冷凝器液氨加入量，將低壓甲銨冷凝器氨碳比提高至2.05 以上，有利于緩解低壓超壓的問(wèn)題，降低低壓系統(tǒng)壓力。

3.1.3 提高低壓甲銨冷凝器換熱效率

將低壓調(diào)溫水溫度由設(shè)計(jì)55℃降至51℃，增大低壓甲銨冷凝器管側(cè)與殼側(cè)溫差，增大低壓調(diào)溫水循環(huán)量，將循環(huán)量從1600t/h提高至1780t/h，提高傳熱效率。

3.2 技術(shù)改造措施

1）結(jié)合尿素裝置高壓汽提塔更新改造，重新評(píng)估低壓系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出從提高合成轉(zhuǎn)化率及增加低壓吸收效率兩方面入手。

影響高壓合成轉(zhuǎn)化率的因素有壓力、溫度、惰氣含量、氨碳比、水碳比等。提高壓力有利于提高合成轉(zhuǎn)化率。更新汽提塔過(guò)程中，提出在汽提塔更新改造后，高壓系統(tǒng)要恢復(fù)14.5MPa的設(shè)計(jì)操作壓力，同時(shí)汽提塔汽提效率維持不變。為達(dá)到此要求，新汽提塔換熱管數(shù)從3783 增加到3977，換熱面積增加約110m3。換熱管、襯里及內(nèi)件材質(zhì)均升級(jí)為safurex，高壓鈍化空氣含量預(yù)計(jì)可以降低至0.4%，高壓系統(tǒng)壓力不變，系統(tǒng)惰氣含量越低，NH3、CO2平衡分壓越高，合成塔內(nèi)反應(yīng)混合物的沸點(diǎn)相應(yīng)提高，即提高了反應(yīng)溫度，提高了尿素平衡轉(zhuǎn)化率。通過(guò)提高壓力和減少惰氣兩方面的措施，提高高壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率。

2)增加低壓甲銨預(yù)冷器,低壓甲銨冷凝器原設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為71GJ/h，而現(xiàn)在熱負(fù)荷僅45GJ/h，通過(guò)對(duì)高壓汽提塔更新后的衡算，在原低壓甲銨冷凝器前串聯(lián)一臺(tái)低壓甲銨預(yù)冷器，冷卻介質(zhì)為低壓調(diào)溫水。改造后流程如圖1所示。

改造只需新增一臺(tái)低壓換熱器，并將低壓甲銨冷凝器中換熱后的低壓調(diào)溫水串入新增預(yù)冷器管側(cè)，解決原低壓甲銨冷凝器換熱能力不足的問(wèn)題。以上技術(shù)改造方案將在裝置檢修期間實(shí)施。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決尿素裝置循環(huán)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出高合成轉(zhuǎn)化率和增加低壓甲銨預(yù)冷器的方案。工藝上通過(guò)提高高壓系統(tǒng)壓力、減少惰性氣體加入量、提高氨碳比等一系列措施，提高了合成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，降低低壓、常壓系統(tǒng)的負(fù)荷。技術(shù)改造上通過(guò)數(shù)據(jù)分析和實(shí)踐檢驗(yàn)，確定了增加低壓預(yù)冷器，降低低壓、常壓壓力，解決低壓、常壓超壓的問(wèn)題，既能降低水解解析負(fù)荷，降低蒸汽消耗，同時(shí)也有利于減少尾氣氨放空。