尿素高壓甲銨泵電流值的優(yōu)化與探索

侯立業(yè)，蘇 順，姚佳斌

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154110）

1 概述

尿素高壓甲銨泵作為整個(gè)生產(chǎn)工藝的重要機(jī)泵，起到了連接高低壓系統(tǒng)的紐帶作用，將常壓、低壓、解吸水解等后序系統(tǒng)冷凝回收的甲銨液送到高壓系統(tǒng)，通過(guò)針對(duì)介質(zhì)密度和出口節(jié)流副線閥的開(kāi)度的優(yōu)化和探索，同時(shí)結(jié)合軸功率的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)整。在介質(zhì)密度優(yōu)化時(shí)要充分考慮到整個(gè)尿素高壓系統(tǒng)的工況，結(jié)合分析數(shù)據(jù)，在保證良好的二氧化碳轉(zhuǎn)化率和減輕設(shè)備腐蝕的前提進(jìn)行優(yōu)化。回流閥的開(kāi)度要在保證低壓甲銨冷凝器不結(jié)晶影響換熱的前提下進(jìn)行調(diào)整。介質(zhì)密度的高低和高壓甲銨泵出口總流量的大小將直接影響高壓甲銨泵的做功多少，進(jìn)而明確了系統(tǒng)的優(yōu)化方向，本文從以上兩種主要影響耗電量的因素進(jìn)行系統(tǒng)的論述和探索。

該泵的部分性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 泵的部分性能參數(shù)表

2 介質(zhì)密度的優(yōu)化

中海石油華鶴煤化有限公司的尿素生產(chǎn)工藝采用斯塔米卡幫工藝，具有封閉循環(huán)的特點(diǎn)，各個(gè)系統(tǒng)都有一定的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)優(yōu)化高壓、低壓等系統(tǒng)的工藝參數(shù)和在線儀表分析數(shù)據(jù)，達(dá)到甲銨液濃度的降低，同時(shí)要保證整個(gè)系統(tǒng)處于最佳的生產(chǎn)工況，最為直接的操作優(yōu)化便是調(diào)整高壓系統(tǒng)的水碳比和氨碳比，在對(duì)比工藝原始數(shù)據(jù)和相關(guān)操作經(jīng)驗(yàn)上得出以下內(nèi)容：

1）高壓系統(tǒng)N/C滿負(fù)荷控制在2.960左右，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最理想狀態(tài)，保證二氧化碳的轉(zhuǎn)化率在38.2%左右，同時(shí)這樣也會(huì)有效地減少后系統(tǒng)的負(fù)荷，間接地減少了后系統(tǒng)的氨和二氧化碳的回收量，有效避免了低壓吸收塔和常壓吸收塔的不必要的放空。這樣就能降低甲銨液返回高壓系統(tǒng)的密度和黏度，同時(shí)高壓系統(tǒng)中的氨碳比過(guò)高也會(huì)有不利的一面，具體體現(xiàn)在物系的飽和蒸汽壓隨氨碳比的升高而升高，就會(huì)使高壓系統(tǒng)的操作壓力處于較高值，這樣間接地增大機(jī)泵的負(fù)荷。因此，高壓系統(tǒng)的氨碳比控制顯得尤為重要，在一定的壓力下，最大露點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨和二氧化碳之間的摩爾比率約為2.5.但是在池式反應(yīng)器液相下，此摩爾比率約為2.9，這就意味著，相對(duì)于頂脊組分來(lái)說(shuō)如圖1所示。

圖1 頂脊組分圖

正常操作時(shí)，出于增加二氧化碳轉(zhuǎn)化率和防腐的考慮，這個(gè)摩爾比率勢(shì)必增加后系統(tǒng)的負(fù)荷，經(jīng)過(guò)分析和長(zhǎng)期的考量，該比率控制在2.960既能保證轉(zhuǎn)化率、腐蝕率，同時(shí)也能降低后系統(tǒng)的負(fù)荷，基本上從源頭上解決了甲銨液密度高的問(wèn)題。但是甲銨液的密度過(guò)低同樣也會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，也就是系統(tǒng)水碳比高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，水碳比每增加0.1，轉(zhuǎn)化率要下降1.5%～2%（表2），水對(duì)尿素合成的不利作用隨氨碳比的增加而有所減弱（即過(guò)量氨在一定程度可抑制水對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率的不利影響），所以在調(diào)整過(guò)程中一定要避免過(guò)度降低密度而提高水碳比。

表2 水碳比與轉(zhuǎn)化率

2）精餾塔下液溫度控制135.5℃，在該工段中的溫度控制要避免溫度指標(biāo)的大幅度波動(dòng)，溫度過(guò)高首先對(duì)尿液中的不利指標(biāo)——縮二脲影響很大，進(jìn)而影響尿素產(chǎn)品的質(zhì)量。溫度太低又不利于甲銨的分解和工藝氣相的回收，在該工序中甲銨的分解需要吸收一定的熱量才能將溶液中的氨、二氧化碳等分離，故在135.5℃控制時(shí)能達(dá)到相對(duì)的平衡。在給定壓力和溫度下，如果在液相中氨碳比在2.0～2.3，則由相圖得出水的濃度最小，但是考慮到甲銨并非是無(wú)限可溶，所以也要保證一定的加水量，這樣既能保證冷凝吸收量又能降低氨耗。

3）解析水解系統(tǒng)的控制主要體現(xiàn)在解析塔氣相的含水量是否合理，在正常生產(chǎn)時(shí)要密切根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)荷，及時(shí)調(diào)整進(jìn)解析水解系統(tǒng)的負(fù)荷，適當(dāng)調(diào)整解析和水解塔的蒸汽加入量，保證解析塔的氣相含水量在46%左右，對(duì)應(yīng)的塔頂溫度控制在117℃，在該溫度和水含量下，解析塔氣相管線不會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)濃度而發(fā)生結(jié)晶的危險(xiǎn)同時(shí)低壓甲銨冷凝器中的低壓甲銨冷凝液的密度和黏度達(dá)到適當(dāng)降低（1 888m3/kg，遠(yuǎn)低于指標(biāo)1218kg/m3）。但同時(shí)要注意，切不可過(guò)度的降低該密度值，如果該指標(biāo)控制異常也會(huì)帶來(lái)諸如設(shè)備腐蝕過(guò)快、系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率低，噸尿素耗氨量大等弊端。

4）常壓閃蒸分離器的調(diào)整。在常壓閃蒸分離器中，由于壓力從0.41MPa絕熱閃蒸至約0.113MPa，部分水、氨和二氧化碳閃蒸出去，從而使溶解溫度從135℃下降至約102℃。經(jīng)過(guò)該常壓閃蒸分離器的氣相與來(lái)自解析系統(tǒng)冷凝后的溶液（甲銨液）一起以1.3m3/h的流量流向常壓閃蒸冷凝液（換熱器），氨水槽中的工藝?yán)淠簞t用稀氨水進(jìn)行冷凝吸收。由于閃蒸的結(jié)果，尿素溶液濃度增加，溫度降低至約83℃，尿液濃縮后的各項(xiàng)指標(biāo)如表3所示。

表3 尿液濃縮后的各項(xiàng)指標(biāo)

5）低壓回收液的溫度。當(dāng)?shù)蛪悍纸鈿夂徒馕鼩膺M(jìn)入低壓回收工段后，在冷凝吸收時(shí)，放出大量反應(yīng)熱和冷凝熱，為保持冷凝吸收的溫度一定，必須用冷卻水或調(diào)溫水移走熱量。調(diào)溫水溫度控制低，吸收冷凝效果好，液相濃度增大，密度增大的同時(shí)也會(huì)容易發(fā)生結(jié)晶；若溫度控制過(guò)高，雖然液相的密度會(huì)降低，但是間接地增加了系統(tǒng)的氨耗，通常情況下，該冷卻水（調(diào)溫水）溫度控制在55℃左右，既能保證密度又能保證減少氨耗。

6）低壓回收系統(tǒng)的加水量。低壓回收溶液的加水量可根據(jù)低壓分解和解吸情況以及甲銨液濃度來(lái)調(diào)節(jié)，如果加水量太少，溶液太濃，吸收不好，壓力會(huì)上升；如加水過(guò)多，溶液變稀，會(huì)使操作壓力下降，還會(huì)影響全系統(tǒng)水平衡。

經(jīng)上述指標(biāo)分析得出，常壓閃蒸冷凝液冷凝后的液相返回到低壓甲銨冷凝液回收槽中，該液相的濃度直接影響到甲銨液的密度，將冷凝吸收液的流量從1.05m3/h提高到1.3m3/h時(shí)有利于氣相中的氨的冷凝吸收，同時(shí)也保證了該冷凝器不會(huì)發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象。在氨耗指標(biāo)范圍之內(nèi)將氣相氨含量控制在0.65%左右，甲銨液的密度較低，其他各項(xiàng)工藝指標(biāo)也滿足系統(tǒng)要求。

經(jīng)過(guò)調(diào)整后各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

表4 經(jīng)過(guò)調(diào)整后各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)以上數(shù)據(jù)和論述得出，高壓甲銨泵入口介質(zhì)密度的高低對(duì)該機(jī)泵的電流有一定的影響，只要該密度控制合理就會(huì)在一定程度上降低機(jī)泵的用電消耗，其理論依據(jù)：功率P=（流量*揚(yáng)程*介質(zhì)的密度）/（102*泵的效率）。或軸功率P=ρgQh/η（W）式中：ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8m/s2；Q為流量，km3/s；h為揚(yáng)揚(yáng)程，m；η為水泵效率。

3 甲銨泵回流閥位的調(diào)整

甲銨泵保留一定量的回流開(kāi)度能有效地避免低壓甲銨冷凝器中出現(xiàn)甲銨液結(jié)晶的情況。甲銨液的溫度在70～85℃，因?yàn)榧卒@液中水的加入能有效地避免部分甲銨發(fā)生結(jié)晶進(jìn)而引發(fā)工藝生產(chǎn)事故，同時(shí)也可避免甲銨泵因入口流量低而發(fā)生連鎖跳車對(duì)高壓系統(tǒng)造成影響，甚至有封塔停車的風(fēng)險(xiǎn)。該回流調(diào)節(jié)閥門之前回流流量在12～20m3/h，在保證上述工藝安全的情況下，關(guān)小閥門開(kāi)度，同時(shí)隨著回流閥門的關(guān)小，在保證高壓甲銨泵出口進(jìn)入到高壓系統(tǒng)的流量穩(wěn)定的前提下，關(guān)小出口主線閥門閥位，就能有效地減少電機(jī)的做功輸出，降低電機(jī)軸功率，進(jìn)而節(jié)省高壓甲銨泵的電能消耗。經(jīng)過(guò)反復(fù)不斷地摸索后得出：回流流量控制在6～15m3/h即可滿足工藝需要，為此閥門開(kāi)度由30%～45%關(guān)小到10%～20%。上述工藝安全指的是：在回流量減少的情況下，一定要確保低壓甲銨冷凝器不會(huì)發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，在進(jìn)入到低壓甲銨冷凝器之前工藝上設(shè)計(jì)有多處加水管線，包括稀氨水等，用一定量的稀氨水代替回流液就能有效地避免結(jié)晶發(fā)生，但是切不可過(guò)多的加稀氨水，因?yàn)橄到y(tǒng)中加入了過(guò)多的水后，不利于合成工段的最優(yōu)操作，影響二氧化碳的轉(zhuǎn)化率。同時(shí)要控制好低壓甲銨回流調(diào)溫水的溫度，溫度過(guò)高會(huì)有一定的工藝氣體沒(méi)有被冷凝吸收就放空，造成能耗偏高，溫度控制的過(guò)低雖然能有效地進(jìn)行氣體的冷凝吸收，但也加大了結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)而導(dǎo)致高壓甲銨泵的入口流量偏低。為此控制該回流閥位在10%～20%對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的控制比較有利，同時(shí)也減少了高壓甲銨泵的打量和做功，進(jìn)而減少了用電的消耗。如表5所示。

表5 電耗

4 結(jié)論

通過(guò)整體的優(yōu)化尿素高壓系統(tǒng)、低壓吸收系統(tǒng)、常壓閃蒸系統(tǒng)、解吸水解系統(tǒng)等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，特別是高壓系統(tǒng)的氨碳比和水碳比的改進(jìn)來(lái)減少和控制甲銨泵入口溶液的濃度和吸收的水量，同時(shí)研究減少甲銨泵回流副線的開(kāi)度，減少甲銨泵總體的功率消耗，進(jìn)而達(dá)到用電量的進(jìn)一步減少，縮減電能消耗。在這里，調(diào)整回流調(diào)節(jié)閥閥位的大小只要能保證一定的回流量不會(huì)發(fā)生低壓甲銨冷凝液內(nèi)部結(jié)晶堵塞就可以，而優(yōu)化甲銨液的密度具有一定的局限性和難度，必須全面地考慮到各種因素的制約（比如設(shè)備的腐蝕問(wèn)題、二氧化碳的轉(zhuǎn)化率低，噸尿素氨耗高等），通過(guò)合理科學(xué)地全面優(yōu)化尿素整個(gè)系統(tǒng)的工藝參數(shù)來(lái)達(dá)到最合理的甲銨液密度值，進(jìn)而節(jié)約高壓甲銨泵的用電消耗。