尿素裝置蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)管線技改初探

許 正

（安徽六國化工股份有限公司，安徽銅陵 244023）

安徽六國化工股份有限公司（簡稱六國化工）300kt／a尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦CO2汽提工藝，于2013年建成投產(chǎn)。長期以來，每當(dāng)蒸發(fā)系統(tǒng)停車時，用于蒸發(fā)系統(tǒng)置換的大量的水進入尿液槽導(dǎo)致尿液含水量高 （尿液濃度低），蒸發(fā)系統(tǒng)重啟時因尿液含水量高，需長時間循環(huán)加熱提濃，耗時、耗能、耗力且尿素產(chǎn)品質(zhì)量下降。為此，通過對蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)管線進行技改，將蒸發(fā)系統(tǒng)停車加水置換前期的蒸汽冷凝液（尿素含量較高）送入尿液槽、置換后期的蒸汽冷凝液（尿素含量很低）送入氨水槽，取得了良好的效果。以下對有關(guān)情況作一簡介。

1 蒸發(fā)系統(tǒng)概況

1.1 蒸發(fā)系統(tǒng)工藝流程簡介

蒸發(fā)系統(tǒng)尿液槽內(nèi)尿液組分（質(zhì)量分數(shù)）為CO（NH2）268%、H2O32%，溫度100℃，尿液由尿液泵輸送到一段蒸發(fā)加熱器加熱至125～135℃后，以切線方向進入一段蒸發(fā)分離器，一段蒸發(fā)分離器內(nèi)壓力為45～55kPa（A），尿液中的水分瞬間閃蒸出來，氣相從一段蒸發(fā)分離器頂部出去進入一段蒸發(fā)表冷器進行冷凝；出一段蒸發(fā)分離器的尿液組分為CO（NH2）295%、H2O 5%，溫度130℃，依靠壓差和位差進入二段蒸發(fā)加熱器，于此被加熱至135～145℃后，以切線方向進入二段蒸發(fā)分離器，二段蒸發(fā)分離器內(nèi)壓力為8～15kPa（A），尿液中的水分進一步閃蒸出來，氣相從二段蒸發(fā)分離器頂部出去進入二段蒸發(fā)表冷器進行冷凝；出二段蒸發(fā)分離器的尿液組分為CO（NH2）299.7%、H2O0.3%，溫度140℃，通過尿素熔融泵加壓輸送到造粒塔頂部的造粒機，熔融尿液在造粒機旋轉(zhuǎn)噴頭離心力的作用下形成小液滴散落在造粒塔頂部截面上，與自下而上的空氣逆流接觸進行傳質(zhì)傳熱，小液滴溫度低于132.7℃時開始凝固，最終冷卻成尿素顆粒散落在造粒塔底部的“鍋底”上，再由刮料機送入皮帶輸送至包裝崗位。

1.2 蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)管線的作用

當(dāng)蒸發(fā)系統(tǒng)需要停車時，首先將輸送到造粒塔頂部造粒機的熔融尿液通過造粒三通閥切換至循環(huán)管線，進入尿液槽進行短時儲存；其次，全破一段、二段蒸發(fā)真空度至常壓；再者，因正常生產(chǎn)中出一段蒸發(fā)系統(tǒng)尿液熔點為117℃、出二段蒸發(fā)系統(tǒng)尿液熔點為132.7℃，尿液停止流動后容易結(jié)晶堵塞管道等，故需對蒸發(fā)系統(tǒng)進行加水（蒸汽冷凝液）置換。

蒸發(fā)系統(tǒng)加水（蒸汽冷凝液）置換步驟：①確認蒸發(fā)系統(tǒng)尿液打循環(huán)進入尿液槽；②確認蒸發(fā)系統(tǒng)破負壓（真空度）至常壓；③打開尿液泵進口加蒸汽冷凝液閥、關(guān)閉尿液閥，讓蒸汽冷凝液依次通過尿液泵、一段蒸發(fā)加熱器和分離器、一二段蒸發(fā)間U形管、二段蒸發(fā)加熱器和分離器、尿素熔融泵、造粒三通閥、循環(huán)管線，最后蒸汽冷凝液（及置換出的尿液）返回尿液槽，尿液置換完全以尿液槽上方的循環(huán)管線溫度降至100℃為準，再繼續(xù)加蒸汽冷凝液10～15min，查看尿素熔融泵導(dǎo)淋排水及尿液槽液位上漲情況，判斷置換合格與否；④確認置換合格后，停尿素熔融泵、尿液泵，關(guān)閉尿液泵進口加蒸汽冷凝液閥，蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換完畢。

2 當(dāng)前蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換方式存在的不足

蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換方式可簡述為：從尿液泵進口加蒸汽冷凝液，一般控制進入蒸發(fā)系統(tǒng)的置換蒸汽冷凝液量在36t／h，蒸汽冷凝液依次將尿液泵及其所屬管道內(nèi)尿液、一段蒸發(fā)及其所屬管道內(nèi)尿液、二段蒸發(fā)及其所屬管道內(nèi)尿液、上造粒塔管線內(nèi)尿液、造粒三通閥內(nèi)尿液“趕”入循環(huán)管線而進入尿液槽，其后繼續(xù)加蒸汽冷凝液對蒸發(fā)系統(tǒng)置換10～15min。

當(dāng)前蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換方式存在如下不足：置換過程中，當(dāng)尿液槽上方循環(huán)管線溫度低于100℃時（常壓下水的沸點為100℃），可以判定整個蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)尿液已全部進入尿液槽，后期繼續(xù)加入的10～15min的置換蒸汽冷凝液（尿素含量很低）進入尿液槽，大大增加了尿液槽內(nèi)尿液含水量和尿液槽的存儲負擔(dān)。此外，蒸發(fā)系統(tǒng)重啟時，因尿液含水量過高，會導(dǎo)致如下后果：①蒸發(fā)系統(tǒng)溫度和真空度提不上來，尿液需在蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)加熱提濃，時間長達3h左右；②尿液長時間循環(huán)加熱提濃，縮二脲大量生成，尿素產(chǎn)品中縮二脲含量高達1.2%；③尿液循環(huán)加熱提濃需消耗大量加熱蒸汽；④循環(huán)加熱提濃尿液時間長達3h左右，遲遲不能造粒，尿液槽液位迅速上漲。

3 蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)管線改造方案及操作要點

3.1 改造方案

改造思路為，在蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換的過程中，尿液槽上方循環(huán)管線溫度降至100℃后，繼續(xù)對蒸發(fā)系統(tǒng)置換10～15min的蒸汽冷凝液（尿素含量很低）切換至氨水槽內(nèi)，從而避免大量的置換蒸汽冷凝液進入尿液槽。為此，對蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)管線進行技改（如圖1），即在現(xiàn)有蒸發(fā)系統(tǒng)之造粒和循環(huán)管線的基礎(chǔ)上進行改造：在現(xiàn)有蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)管線尿素主廠房四樓處增設(shè)第二三通閥，在第二三通閥進口處增設(shè)第一溫度傳感器，在第二三通閥另一出口增設(shè)至氨水槽的第二循環(huán)管線。因熔融尿液結(jié)晶溫度為132.7℃，故設(shè)置有吹掃蒸汽管線，吹掃蒸汽通過第三三通閥的切換實現(xiàn)對造粒管線、第一循環(huán)管線、第二循環(huán)管線的吹掃置換；同時，通過第一三通閥與第三三通閥之間的聯(lián)動控制，可避免第一循環(huán)管線在用于尿素溶液循環(huán)時造粒管線出現(xiàn)結(jié)晶堵塞。

圖1 蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)管線技改示意圖

尿液打循環(huán)時，尿液溫度為125～140℃，常壓下水的沸點為100℃，根據(jù)循環(huán)管線內(nèi)介質(zhì)與溫度的關(guān)系，第二三通閥以第一溫度傳感器測量數(shù)據(jù)為信號來選擇置換蒸汽冷凝液的切入容器——置換出的高濃度尿液排至尿液槽、置換后期10～15min的蒸汽冷凝液（尿素含量很低）切換至氨水槽。此舉可實現(xiàn)：①尿液槽內(nèi)尿液濃度不降低；②蒸發(fā)系統(tǒng)重啟時溫度和真空度好提升；③蒸發(fā)系統(tǒng)及時造粒，尿素合成塔出料后不增加尿液槽儲存負荷；④尿素產(chǎn)品質(zhì)量不受影響，穩(wěn)定且合格；⑤切換至氨水槽的蒸汽冷凝液（尿素含量較低）通過解吸水解系統(tǒng)處理，便于回收利用。

3.2 改造后蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)管線操作要點

3.2.1 蒸發(fā)系統(tǒng)開車操作

（1）蒸發(fā)系統(tǒng)開車前，走水檢查循環(huán)管線暢通與否。將第一三通閥手動打到循環(huán)狀態(tài)、將第二三通閥手動打到第二循環(huán)管線，關(guān)閉尿液泵進口尿液大閥、打開尿液泵進口加蒸汽冷凝液閥，將蒸汽冷凝液送入蒸發(fā)系統(tǒng)；在蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)，蒸汽冷凝液依次通過一段蒸發(fā)加熱器和分離器、一二段蒸發(fā)間U形管、二段蒸發(fā)加熱器和分離器、尿素熔融泵、上造粒塔管線、第一三通閥、第二三通閥、第二循環(huán)管線進入氨水槽。在這一過程中，通過蒸發(fā)系統(tǒng)各點溫度的變化和氨水槽液位的上漲情況確認蒸發(fā)系統(tǒng)暢通與否。

（2）蒸發(fā)系統(tǒng)走尿液、提溫度和真空度后造粒。蒸發(fā)系統(tǒng)走水確認暢通后，關(guān)閉尿液泵進口加水閥，將第二三通閥手動切換至第一循環(huán)管線，打開尿液泵進口尿液大閥，啟動尿液泵將尿液送入蒸發(fā)系統(tǒng)；在蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)，尿液依次通過一段蒸發(fā)加熱器和分離器、一二段蒸發(fā)間U形管、二段蒸發(fā)加熱器和分離器、尿素熔融泵（啟動）、上造粒塔管線、第一三通閥、第二三通閥、第一循環(huán)管線進入尿液槽；打循環(huán)過程中，緩慢反復(fù)進行提蒸發(fā)系統(tǒng)溫度、再提蒸發(fā)系統(tǒng)真空度的操作，最終將一段蒸發(fā)溫度控制在125～135℃、真空度控制在45～55kPa（A），二段蒸發(fā)溫度控制在135～145℃、真空度控制在8～15kPa（A）；工藝指標(biāo)達標(biāo)后，手動將第三三通閥切換至第一吹掃管線，用蒸汽對造粒管線進行預(yù)熱，預(yù)熱合格后將第三三通閥切換至第二吹掃管線，手動將第一三通閥切換至造粒管線進行造粒。

3.2.2 造粒正常后系統(tǒng)各三通閥投自控

（1）第一三通閥在造粒狀態(tài)下投自控，第一三通閥投自控與位于造粒塔底部的刮料機和尿素顆粒輸送皮帶聯(lián)鎖相關(guān)聯(lián)，當(dāng)皮帶或者刮料機任何一個出現(xiàn)跳車，第一三通閥將自動從造粒狀態(tài)切換至循環(huán)狀態(tài)。

（2）第三三通閥在切換至第二吹掃管線對第一循環(huán)管線吹掃狀態(tài)下投自控，當(dāng)?shù)谝蝗ㄩy為造粒狀態(tài)時，第三三通閥自動切換至第二吹掃管線對第一循環(huán)管線進行常壓吹掃；當(dāng)?shù)谝蝗ㄩy為循環(huán)狀態(tài)時，第三三通閥自動切換至第一循環(huán)管線對造粒管線進行吹掃。

（3）第二三通閥手動切換至第一循環(huán)管線投自控，正常生產(chǎn)情況下，第三三通閥切換至第二吹掃管線對第一循環(huán)管線進行常壓吹掃，第一溫度傳感器測量溫度范圍在90～100℃之間。第二三通閥投自控后，其將據(jù)第一溫度傳感器測量數(shù)據(jù)進行動作——當(dāng)?shù)谝蝗ㄩy切換至循環(huán)狀態(tài)時，140℃的熔融尿液進入循環(huán)管線，此時第一溫度傳感器測量的為熔融尿液的溫度140℃；當(dāng)蒸發(fā)系統(tǒng)置換蒸汽冷凝液進入循環(huán)管線時，第一溫度傳感器測量的為置換蒸汽冷凝液的溫度100℃；當(dāng)測量溫度低于110℃，第二三通閥將自動切換至第二循環(huán)管線，將置換蒸汽冷凝液排入氨水槽，減少進入尿液槽的水量。

3.2.3 蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換

（1）尿液打循環(huán)。蒸發(fā)系統(tǒng)停車后，第一三通閥由造粒狀態(tài)切換至打循環(huán)狀態(tài)，這需要人工手動操作或第一三通閥與位于造粒塔底部刮料機或尿素顆粒輸送皮帶故障聯(lián)鎖投自控聯(lián)鎖動作，第一三通閥切換至循環(huán)狀態(tài)后，（第一溫度傳感器測量的）140℃的熔融尿液通過第二三通閥、第一循環(huán)管線進入尿液槽。

（2）破真空、走水置換。確認蒸發(fā)系統(tǒng)尿液打循環(huán)后，破一二段蒸發(fā)系統(tǒng)真空至常壓，然后打開尿液泵進口加蒸汽冷凝液閥、關(guān)閉尿液泵進口尿液大閥，開始對蒸發(fā)系統(tǒng)所有設(shè)備和管線進行走水置換［由水的物理性質(zhì)可知，常壓下蒸汽冷凝液的沸點為100℃，當(dāng)一段蒸發(fā)出液溫度、二段蒸發(fā)出液溫度、循環(huán)管線上的第一溫度傳感器測量溫度依次降至100℃時，表明整個蒸發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)加蒸汽冷凝液置換一遍且尿液基本上已經(jīng)進入尿液槽，后續(xù)置換出的已經(jīng)是含尿素較少的蒸汽冷凝液，因此，當(dāng)?shù)谝粶囟葌鞲衅鳒y量溫度低于110℃時，處于自控狀態(tài)的第二三通閥自動切換至第二循環(huán)管線，將蒸發(fā)系統(tǒng)置換后期10～15min置換出的蒸汽冷凝液（尿素含量很低）排入氨水槽］；從尿素熔融泵進口導(dǎo)淋排水確認蒸發(fā)系統(tǒng)置換合格后，停尿素熔融泵、尿液泵，關(guān)閉尿液泵進口加蒸汽冷凝液閥，蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換結(jié)束。

4 技改效果及效益分析

4.1 技改效果

2020年5月購買的第二三通閥和第一溫度傳感器以及配套電纜到貨，2020年6月尿素裝置大修開始前完成有關(guān)儀表電纜鋪設(shè)和管道預(yù)制，2020年6月大修期間進行配管和儀表安裝，2020年7月尿素裝置重啟，迄今6個多月各儀表自控運行正常：①自控狀態(tài)下第一三通閥能根據(jù)刮料機或尿素顆粒輸送皮帶跳車信號聯(lián)鎖自動切換至循環(huán)狀態(tài)；②自控狀態(tài)下第三三通閥能根據(jù)第一三通閥的循環(huán)狀態(tài)自動切換至第一吹掃管線對造粒管線進行吹掃置換；③蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換時，自控狀態(tài)下第二三通閥根據(jù)第一溫度傳感器測量數(shù)據(jù)自動切換至第二循環(huán)管線，將蒸發(fā)系統(tǒng)置換后期10～15min的置換蒸汽冷凝液（尿素含量很低）排至氨水槽，確保了尿液槽尿液濃度。

技改后，蒸發(fā)系統(tǒng)重啟時，無需將尿液在蒸發(fā)系統(tǒng)長時間打循環(huán)加熱提濃（技改前尿液循環(huán)加熱提濃時間長達3h左右），蒸發(fā)系統(tǒng)溫度和真空度能較快提升起來，蒸發(fā)系統(tǒng)從開車到造?？偤臅r控制在1h之內(nèi)，由此會對尿素裝置及上游合成氨裝置的操作調(diào)控帶來巨大的便利；造粒后，尿素產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定在優(yōu)等品，達到了省時省力、節(jié)能降耗、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定且優(yōu)良的效果。

4.2 效益分析

（1）節(jié)汽效益。技改前，蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換后期10～15min約9t（實際生產(chǎn)中一般取15min左右，此期間內(nèi)置換用蒸汽冷凝液約36×15÷60＝9t）的蒸汽冷凝液進入尿液槽，待蒸發(fā)系統(tǒng)重啟時需要消耗至少9t的低壓蒸汽將其加熱蒸出（據(jù)蒸汽熱量平衡，蒸出1t水至少需要1t蒸汽）；技改后，蒸發(fā)系統(tǒng)置換后期10～15min的蒸汽冷凝液（尿素含量很低）排至氨水槽，蒸發(fā)系統(tǒng)少消耗低壓蒸汽9t，低壓蒸汽按100元／t計算，技改后蒸發(fā)系統(tǒng)開車一次節(jié)汽費用約100×9＝900元。

（2）減少次品尿素產(chǎn)生的效益。技改前，蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換后期10～15min約9t的蒸汽冷凝凝液進入尿液槽，蒸發(fā)系統(tǒng)重啟后，部分尿液需循環(huán)加熱提濃，造成成品中縮二脲含量增高——縮二脲含量高達1.2%，每次蒸發(fā)系統(tǒng)開車初期會產(chǎn)出約40t（1h的產(chǎn)量）次品，這部分成品只能作為次品處理，其售價要低于優(yōu)質(zhì)尿素約900元／t；技改后，每次蒸發(fā)系統(tǒng)開車少產(chǎn)約40t的次品尿素，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益約900×40÷10000＝3.6萬元。

5 結(jié)束語

多次分析蒸發(fā)系統(tǒng)停車置換后期10～15min的蒸汽冷凝液中尿素含量平均在2% （質(zhì)量分數(shù)）以下，實際生產(chǎn)中此冷凝液進入氨水槽后對解吸水解系統(tǒng)的運行沒有明顯影響（可以忽略）。本技改方案，對于尿素裝置及蒸發(fā)系統(tǒng)計劃停車、短期停車和事故停車，因蒸發(fā)系統(tǒng)置換過程相同，故均完全適用；對于蒸發(fā)系統(tǒng)走水熱煮處理結(jié)晶物，因結(jié)晶物熱煮處理走水時間大于系統(tǒng)正常停車置換加水時間，因而其成效更為顯著?？傊?，無論是從儀表應(yīng)用上還是從系統(tǒng)運行方面考評，本項技改均能達到預(yù)期效果，不失為一次良好的探索與實踐。