高壓洗滌器在CO2汽提法尿素工藝中的作用分析

夏炎華,孫 喜,楊志國

(中國五環(huán)工程有限公司,武漢 430223)

尿素生產(chǎn)工藝主要有CO2汽提法工藝、氨汽提法工藝、水溶液全循環(huán)法工藝等，目前大型尿素裝置主要采用CO2汽提法工藝和氨汽提法工藝。各種工藝的主要區(qū)別在于高壓圈工藝參數(shù)、分解回收系統(tǒng)流程設置以及設備結構[1-2]。

雖然各專利商對CO2汽提法工藝的高壓圈流程設置以及設備結構有所不同，但是設備一般包括四大件，即尿素合成塔、汽提塔、高壓甲銨冷凝器及高壓洗滌器，其中尿素合成塔、汽提塔、高壓甲銨冷凝器是不可或缺的。傳統(tǒng)的CO2汽提法工藝中都設置了高壓洗滌器，以進一步回收合成塔尾氣中的氨和CO2，但近年來，某些專利商的工藝中并沒有設置高壓洗滌器。筆者就高壓洗滌器在CO2汽提法工藝中所起的作用進行分析探討。

1 高壓洗滌器的作用分析

高壓洗滌器的作用就是在高壓圈等壓條件下進一步回收尿素合成塔尾氣中的氨和CO2，盡可能地減輕中低壓吸收系統(tǒng)的負荷，有利于控制系統(tǒng)水平衡，同時可以回收高品位的熱量[3-4]。

傳統(tǒng)CO2汽提法尿素高壓圈工藝流程圖見圖1。

1—高壓甲銨冷凝器；2—尿素合成塔；3—高壓汽提塔；4—高壓洗滌器；5—高壓噴射器；CW—循環(huán)冷卻水；HS—高壓蒸汽；HC—高壓蒸汽冷凝液。

傳統(tǒng)CO2汽提法工藝裝置是沒有中壓系統(tǒng)的，高壓洗滌器的作用尤為關鍵，如果合成尾氣直接進入低壓系統(tǒng)，將導致低壓系統(tǒng)嚴重超壓、系統(tǒng)水平衡惡化，裝置將無法正常運行，因此高壓洗滌器不可或缺。

由于沒有設置中壓分解回收系統(tǒng)，相對于氨汽提法工藝，傳統(tǒng)CO2汽提法工藝的中壓蒸汽(2.1 MPa)消耗較大。隨著能源價格的不斷上漲以及節(jié)能減排的要求，目前CO2汽提法工藝的專利商幾乎均增設中壓系統(tǒng)，主要目的就是降低中壓蒸汽消耗。另外，隨著尿素設備材料技術的進步及超級雙相鋼的應用，高壓圈防腐空氣量逐步降低，高壓洗滌器的冷凝負荷也隨之降低。由于高壓圈防腐空氣量的降低以及增設中壓系統(tǒng)，高壓洗滌器的作用相對降低，因此，某些專利商的工藝流程中取消了高壓洗滌器，從操作運行上來看也是可行的，但是對于系統(tǒng)還是存在一定的影響。

1.1 尿素合成尾氣量

如果高壓圈防腐空氣量為零，即無氧操作，則尿素合成塔尾氣量非常少，可以不設置高壓洗滌器。但是實際上目前還無法實現(xiàn)無氧操作，根據(jù)公開的資料，最低的防腐空氣量要求是：進汽提塔CO2氣體中含氧體積分數(shù)不低于0.3%。

若合成氨裝置來的CO2氣體純度為98.5%(體積分數(shù)，干基)，其中氫體積分數(shù)為0.8%，則脫氫后進入高壓圈CO2氣體純度為96.44%。每噸尿素經(jīng)CO2氣體帶入高壓圈的惰性氣體量為13.78 m3。

假定合成塔操作條件一定，如操作壓力為14 MPa、操作溫度為183 ℃、氨碳比為3.0、水碳比為0.5，可以計算出尿素合成塔平衡壓力，然后計算出合成尾氣中惰性氣體含量。在上述條件下，合成尾氣中惰性氣體體積分數(shù)約為10%(干基)，尾氣中的氨碳比為3∶1，則每噸尿素合成尾氣中的CO2量為31 m3。

氨汽提法工藝由于高壓吸收氨碳比高(約3.9)，高壓尾氣中的氨碳比非常高，幾乎不含CO2氣體，所以無需高壓洗滌器。

1.2 合成尾氣直接進入中壓系統(tǒng)

1.2.1 增加中壓蒸汽消耗

CO2汽提法工藝增設中壓系統(tǒng)的主要目的是為了將汽提塔負荷往中壓分解轉移，減少汽提塔負荷，從而降低中壓蒸汽消耗。由于中壓分解及回收是在等壓下進行的，需要平衡尿素系統(tǒng)各種關聯(lián)關系而尋求最佳的中壓系統(tǒng)操作壓力，一旦確定了最佳的中壓壓力，那么最小水含量的中壓甲銨液組成也是確定的，由于合成塔入口水碳比已確定，因此，中壓分解及回收的最大負荷以及汽提塔最小熱負荷也將隨之確定。

如果不設置高壓洗滌器，合成塔尾氣直接去中壓系統(tǒng)，尾氣中仍含有一定量的氨和CO2，由于中壓回收的最大負荷是一定的，那么隨著這股尾氣的加入，勢必減少汽提塔熱負荷往中壓分解的轉移，也就是說汽提塔熱負荷將相應提高，中壓蒸汽消耗增加。

汽提塔操作條件下甲銨的分解熱為125 520 kJ/kmol；2.1 MPa飽和蒸汽的冷凝熱為1 882.8 kJ/kg；高壓洗滌器CO2回收率為90%；不設置高壓洗滌器，則每噸尿素汽提塔中壓蒸汽消耗增加83 kg。

通過增加中壓冷凝系統(tǒng)的水量也可以回收合成塔尾氣中的CO2及氨，但會導致高壓甲銨泵流量增加，合成塔入口水碳比升高，轉化率下降，汽提塔熱負荷加重，同樣會導致汽提塔中壓蒸汽消耗增加。由于水碳比升高，不僅汽提塔熱負荷加重，其他高壓圈設備如合成塔、高壓冷凝器及后續(xù)的中低壓系統(tǒng)設備、蒸發(fā)系統(tǒng)設備等負荷也都將提高，增加設備投資。據(jù)初步計算評估，該方法增加的中壓蒸汽消耗量和上述計算值相當，但該方法對系統(tǒng)的不利影響更大，由于此過程計算過于復雜，在此不做詳細闡述。

1.2.2 降低中壓冷凝回收效果

合成塔尾氣直接去中壓系統(tǒng)后，尾氣中的惰性氣體全部帶入中壓系統(tǒng)，將降低中壓回收系統(tǒng)的有效分壓，降低蒸發(fā)熱能回收段的熱效率；中壓甲銨液濃度降低，也將增加合成系統(tǒng)水碳比。由于降壓回收，中壓冷凝熱的品位降低，僅能供一段蒸發(fā)器預熱，熱回收利用效率降低。

1.2.3 增加中壓回收系統(tǒng)安全風險

盡管CO2氣體采取了脫氫措施，但是液氨中溶解了可燃氣體，所以合成尾氣中仍含有一定量的可燃氣體，增加了中壓回收系統(tǒng)發(fā)生燃爆的風險。

1.2.4 投資分析

取消高壓洗滌器，高壓圈設備將減少高壓洗滌器及甲銨噴射器，但中壓系統(tǒng)將增加相應的冷凝回收設備，如蒸發(fā)熱能回收器、中壓冷凝器、中壓洗滌器等，或增大相關設備規(guī)格，總體來看，投資相當或略有降低。

2 結語

綜上所述，隨著尿素設備超級雙相鋼材料的應用、高壓圈防腐空氣量降低，以及增設中壓回收系統(tǒng)，CO2汽提法工藝尿素裝置可以在不設置高壓洗滌器的情況下操作運行，雖然高壓設備減少，高壓圈流程相對簡單，但是不能就此認為它就具有必然的優(yōu)點，需要全面系統(tǒng)地分析其優(yōu)缺點，特別是對于中壓蒸汽消耗的增加應有充分認識和了解，以便做出合理的選擇。