尿素蒸發(fā)系統(tǒng)真空度頻繁波動原因分析及優(yōu)化改造

侯立業(yè)，顧占軍，姚佳斌，蘇 順

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

0 引 言

中海石油華鶴煤化有限公司(簡稱華鶴煤化)520 kt/a尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦2000+TM工藝，大顆粒尿素造粒系統(tǒng)采用荷蘭荷豐流化床造粒機技術(shù)。實際生產(chǎn)中，自2015年尿素裝置投產(chǎn)以來，尿素蒸發(fā)系統(tǒng)一段蒸發(fā)和二段蒸發(fā)真空度一直波動較大——真空度過低時，尿液濃度不合格，尿素蒸發(fā)系統(tǒng)蒸汽消耗量增大，造粒機中結(jié)塊較多，影響造粒系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行；真空度過高時，尿液在蒸發(fā)系統(tǒng)中的停留時間延長，尿液中副產(chǎn)物縮二脲含量增高，影響造粒機噴頭噴淋狀態(tài)，造粒機易發(fā)生多孔板堵塞?？偟膩碚f，華鶴煤化尿素裝置投產(chǎn)后的一段時間內(nèi)，其蒸發(fā)系統(tǒng)一段蒸發(fā)和二段蒸發(fā)尿液濃度無法保證，送至造粒系統(tǒng)的尿液濃度波動頻繁，影響造粒系統(tǒng)工況的穩(wěn)定，進而導(dǎo)致大顆粒尿素產(chǎn)品粉塵含量較高、產(chǎn)品顆粒強度較差、大顆粒尿素洗滌系統(tǒng)溶液濃度無法有效控制等問題。后通過對蒸發(fā)系統(tǒng)停車排查、對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，以及生產(chǎn)經(jīng)驗的積累，實施了蒸發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)化改造，基本上解決了尿素蒸發(fā)系統(tǒng)真空度波動頻繁的問題，實現(xiàn)了造粒系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行，保證了尿素產(chǎn)品質(zhì)量。以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 尿素蒸發(fā)系統(tǒng)工藝流程簡述

在尿素蒸發(fā)系統(tǒng)中，真空閃蒸分離器來的濃度約72%(質(zhì)量分數(shù)，下同)的尿液進入尿液槽中，由尿液泵送至一段蒸發(fā)加熱器加熱后，進入真空度約-67 kPa的一段蒸發(fā)分離器中被提濃至約95%，出一段蒸發(fā)分離器溫度約130 ℃的尿液，經(jīng)二段蒸發(fā)加熱器加熱后，進入真空度約-78 kPa的二段蒸發(fā)分離器，在二段蒸發(fā)分離器中被提濃為濃度約97.6%的熔融尿液，出二段蒸發(fā)分離器的熔融尿液溫度約132 ℃，經(jīng)尿素熔融泵送至造粒系統(tǒng)造粒；一段蒸發(fā)分離器和二段蒸發(fā)分離器上方的蒸氣分別經(jīng)一段蒸發(fā)冷凝器和二段蒸發(fā)冷凝器冷凝后收集入氨水槽中，未凝氣則被送至常壓吸收塔中處理。

2 尿素蒸發(fā)系統(tǒng)真空度波動頻繁原因分析

尿素裝置蒸發(fā)系統(tǒng)作為尿液提濃的重要單元，其真空度的好壞直接影響著造粒系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及尿素產(chǎn)品的質(zhì)量。2015—2017年，華鶴煤化蒸發(fā)一段真空度一直波動頻繁，在真空度波動最為頻繁時取蒸發(fā)系統(tǒng)氣相組分進行分析，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)氣相中的NH3含量、尿素含量偏高(見表1)，最終蒸發(fā)系統(tǒng)停車進行排查。

表1 一段蒸發(fā)真空度波動時蒸發(fā)氣相取樣分析結(jié)果

2.1 一段蒸發(fā)分離器內(nèi)部百葉窗變形損壞

華鶴煤化一段蒸發(fā)分離器頂部配置有百葉窗(波形板)分離器，百葉窗分離器是由許多平行的波浪形薄鋼板組成的，相鄰兩塊波形板之間的距離為10 mm，并用2～3 mm厚的鋼板邊框固定。水蒸氣、氨等蒸發(fā)氣相進入百葉窗分離器后，在波形板之間曲折流動，氣相中的小水滴在離心力、慣性力和重力的作用下被拋到板壁上，在附著力的作用下水滴附著在波形板上形成水膜，水膜在重力作用下流入降液管，最終流入一段蒸發(fā)分離器底部，實現(xiàn)氣液分離。

蒸發(fā)系統(tǒng)停車后，在對一段蒸發(fā)分離器內(nèi)部進行檢查時，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部百葉窗有損壞，大部分的葉片發(fā)生嚴重變形，葉片已非平行分布，葉片之間的間隙有大有小、參差不齊。據(jù)此判斷，由于一段蒸發(fā)分離器內(nèi)部百葉窗損壞，葉片間隙變大，氣相通過葉片行程變短，氣相大部分不能冷凝成液相，無法在百葉窗波形板上形成有效的液膜，大量未凝氣直接通過蒸發(fā)氣相進入到蒸發(fā)冷凝器中，過多的氣體進入增加了蒸發(fā)冷凝器的負荷，氣相無法在蒸發(fā)冷凝器中有效冷凝使得一段真空度出現(xiàn)異常波動。經(jīng)分析，一段蒸發(fā)分離器內(nèi)部百葉窗葉片損壞的直接原因有兩個：一是蒸發(fā)沖洗水流量不足，導(dǎo)致噴頭的噴灑范圍小，沖洗水由噴頭噴出沖洗錐形冷凝分離器時沒有被完全沖洗掉的尿液、縮二脲等結(jié)晶物長時間積累形成局部大塊，結(jié)晶物塊在高速氣流和重力的共同作用下墜落到百葉窗上，導(dǎo)致百葉窗葉片損壞；二是當蒸發(fā)系統(tǒng)負荷較高時，一段蒸發(fā)分離器下部的冷凝液收集器(錐形收集器)長時間處于高液位甚至滿液，而錐形收集器下部的導(dǎo)液管管徑小，該管線內(nèi)易形成尿液和縮二脲結(jié)晶，導(dǎo)致導(dǎo)液管發(fā)生堵塞，錐形收集器堵塞后，若未能及時控制蒸發(fā)分離器的液位，氣相冷凝后形成的尿液及經(jīng)過蒸發(fā)加熱器的尿液混合后會漫過百葉窗，影響氣液交換的同時還會在百葉窗分布器上產(chǎn)生嚴重的結(jié)晶，結(jié)晶物積累到一定程度后便會壓壞百葉窗葉片。

2.2 蒸發(fā)冷凝器至氨水槽的排液管內(nèi)徑偏小

一段蒸發(fā)冷凝器至氨水槽的排液管內(nèi)徑為6＂，設(shè)計排液量為34 120.2 kg/h；二段蒸發(fā)冷凝器至氨水槽的排液管內(nèi)徑為0.5＂，設(shè)計排液量為2 252.2 kg/h。2016年6月，一段蒸發(fā)真空度出現(xiàn)大幅波動，最大波動至-32 kPa，蒸發(fā)系統(tǒng)退出，處理過程中發(fā)現(xiàn)一段蒸發(fā)冷凝器至氨水槽排液管發(fā)生結(jié)晶堵塞，但在真空度開始下降前，一段真空度一直處于正常指標范圍內(nèi)(正常指標為-65～-72 kPa)，沒有出現(xiàn)過真空度過高現(xiàn)象，由此排除了因真空度過高將尿液帶入到蒸發(fā)冷凝器中進而在排液管中發(fā)生結(jié)晶的可能。分析認為，其原因在于一段、二段蒸發(fā)冷凝器至氨水槽的排液管內(nèi)徑較小，當蒸發(fā)系統(tǒng)負荷較高時，蒸發(fā)冷凝器中的冷凝液無法完全排至氨水槽中，冷凝液積存在蒸發(fā)冷凝器中，隨著液位的升高，沒入冷凝液中的列管高度也升高，正常情況下，蒸發(fā)冷凝器管側(cè)為冷卻循環(huán)水、殼側(cè)為蒸發(fā)氣相，由于殼側(cè)冷凝液未及時排出，冷凝液的積存直接減少了氣相冷凝的有效接觸面積，部分氣相無法有效冷凝，使得蒸發(fā)系統(tǒng)的真空度受到影響，且由于蒸發(fā)冷凝器中冷凝液積存的多少會對其換熱效果造成影響，進而導(dǎo)致蒸發(fā)系統(tǒng)真空度出現(xiàn)頻繁波動。簡言之，由于一段、二段蒸發(fā)冷凝器至氨水槽的排液管內(nèi)徑偏小，其排液能力不足，蒸發(fā)冷凝器中冷凝液長時間積存，造成蒸發(fā)冷凝器至氨水槽排液管堵塞，進而引起一段、二段蒸發(fā)真空度出現(xiàn)大幅波動。

2.3 常壓吸收塔氣相管線彎頭處結(jié)晶堵塞

尿液在蒸發(fā)系統(tǒng)提濃的過程中，在蒸發(fā)溫度一定的情況下，真空度的穩(wěn)定性直接影響到尿液的濃度和品質(zhì)。據(jù)尿液—水平衡相圖[1]，為獲得一定濃度的熔融尿液，一段蒸發(fā)溫度控制在127～130 ℃、真空度控制在-65～-72 kPa，二段蒸發(fā)溫度控制在130～132 ℃、真空度控制在-78～-82 kPa，這樣既能保證尿液濃度達標又能避免尿液結(jié)晶。華鶴煤化一段蒸發(fā)溫度由池式反應(yīng)器副產(chǎn)低壓蒸汽(壓力0.43 MPa)加熱予以保證，二段蒸發(fā)溫度由中壓蒸汽(壓力0.78 MPa)加熱予以保證；一段蒸發(fā)真空度和二段蒸發(fā)真空度是由蒸發(fā)噴射器產(chǎn)生，依據(jù)伯努利方程[2]，經(jīng)過噴射器的流體流量大則噴射器腔內(nèi)壓力低，流體流量小則噴射器腔內(nèi)壓力高，一段、二段蒸發(fā)系統(tǒng)低壓、中壓蒸汽的流量分別為214.4 m3/h和442.3 m3/h，瞬間在噴射器腔內(nèi)形成低壓區(qū)(負壓)，可保證蒸發(fā)氣相能獲得不間斷的“吸力”，從而將尿液中一定量的水分、氨等帶出。一段、二段蒸發(fā)真空度(氣相流動的動力)是由低壓蒸汽(壓力約為0.43 MPa)經(jīng)噴射器噴射形成的，噴射器出口含NH3、CO2的氣相(一段蒸發(fā)噴射器出口氣相含NH31.2%、CO21.6%，二段蒸發(fā)噴射器出口氣相含NH325.2%、CO215.3%)進入常壓吸收塔底部，與常壓吸收塔頂部流下的吸收液逆向接觸，經(jīng)洗滌吸收后，常壓吸收塔頂部氣相中NH3含量約0.28%、CO2含量約0.063%，由于常壓吸收塔氣相中NH3和CO2的存在，常壓吸收塔頂部氣相管線彎頭處易產(chǎn)生甲銨結(jié)晶，久而久之頂部氣相無法正常流出，使得蒸發(fā)噴射器出口氣相流通受阻，噴射器底部形成的負壓變小，最終導(dǎo)致蒸發(fā)系統(tǒng)真空度下降且在一段時間內(nèi)波動頻繁。

3 優(yōu)化改造

3.1 蒸發(fā)分離器內(nèi)部改造及操作優(yōu)化

(1)將一段蒸發(fā)分離器原百葉窗上方環(huán)形沖洗管線上的噴頭數(shù)量由10個增至18個，以增大對百葉窗分離器葉片的沖洗范圍，保證沖洗水完全噴淋在百葉窗所有葉片上而不留死角；同時，對錐形收集器底部排液管進行改造——在錐形收集器底部按垂直高度差5 cm開2個孔，每個孔焊接相應(yīng)的管線引入蒸發(fā)分離器下液口處，以免錐形收集器中長時間積聚尿液和縮二脲。

(2)生產(chǎn)中注意控制好蒸發(fā)系統(tǒng)的負荷、真空度、溫度等運行參數(shù)，避免大幅波動；一段、二段蒸發(fā)百葉窗分離器沖洗水流量一定要保證，特別是一段蒸發(fā)百葉窗分離器，其沖洗水流量一定要保證在2 m3/h以上，但需要注意的是并非沖洗水流量越大越好，其上限以蒸發(fā)真空度高于指標的低限即可，且沖洗頻次由原每8 h沖洗1次調(diào)整為每4 h沖洗1次，以免尿液結(jié)晶形成大的塊狀物。

3.2 蒸發(fā)冷凝器至氨水槽排液管改造

考慮到二段蒸發(fā)冷凝液中NH3含量較高(約8.54%)，在二段蒸發(fā)冷凝器至氨水槽排液管上增設(shè)2根0.25″的管線，將二段蒸發(fā)冷凝液直接引入氨水槽中；一段蒸發(fā)冷凝液中NH3含量較低(約4.2%)，在一段蒸發(fā)冷凝器至氨水槽排液管上增設(shè)2根0.25″的管線，將一段蒸發(fā)冷凝液直接引至低壓吸收塔給料泵入口，以較低濃度的工藝冷凝液作為吸收液更有利于低壓吸收塔的吸收，同時為避免在蒸發(fā)系統(tǒng)加減負荷或工況異常時2根管線中氣相過多而造成機泵汽蝕，在2根管線入機泵前增設(shè)冷凝液加水管線。蒸發(fā)冷凝器至氨水槽排液管改造如圖1(虛線為改造部分)。

圖1 蒸發(fā)冷凝器至氨水槽排液管改造示意圖

3.3 常壓吸收塔頂部增設(shè)沖洗水

常壓吸收塔頂部氣相管線為6″的不銹鋼管，實際生產(chǎn)中由于氣相中NH3和CO2的存在，常壓吸收塔頂部氣相管線彎頭處易產(chǎn)生甲銨結(jié)晶，雖然該管線不至于完全結(jié)晶堵死，但長期運行情況下附著于彎頭內(nèi)壁的結(jié)晶物會越積越多，使氣相管線有效流通面積變小，進而影響蒸發(fā)系統(tǒng)真空度。為此，在常壓吸收塔頂部氣相管線彎頭處增設(shè)沖洗水(采用蒸汽冷凝液)，每8 h對該管線進行約3 min的沖洗。

4 優(yōu)化改造效果

上述優(yōu)化改造落實后，尿素蒸發(fā)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，隨機摘錄幾組主要工藝運行數(shù)據(jù)，詳見表2?？梢钥吹剑赫舭l(fā)系統(tǒng)一段、二段真空度均控制在指標范圍內(nèi)且較穩(wěn)定，由此保證了尿素產(chǎn)品水分和縮二脲指標合格，提高了產(chǎn)品的市場競爭力；同時，保證了進造粒機尿液濃度>96.5%，有效避免了因尿液水含量高導(dǎo)致的造粒機中顆粒尿素結(jié)塊，確保了造粒機的長周期、穩(wěn)定運行。

表2 蒸發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化改造后主要工藝運行數(shù)據(jù)

改造前，若尿素蒸發(fā)系統(tǒng)出現(xiàn)真空度大幅波動，蒸發(fā)系統(tǒng)需進行減負荷或造粒系統(tǒng)退出操作，不僅增加操作人員的勞動強度，而且造粒系統(tǒng)退出而尿素高壓系統(tǒng)繼續(xù)運行，短時間內(nèi)整套尿素裝置的單位產(chǎn)品氨耗和蒸汽耗都會增加；改造后，蒸發(fā)系統(tǒng)真空度穩(wěn)定，避免了系統(tǒng)減負荷或造粒系統(tǒng)退出操作，有效降低了操作人員的勞動強度，間接降低了整套尿素裝置的能耗。

5 結(jié)束語

尿素蒸發(fā)系統(tǒng)真空度的穩(wěn)定，不僅對尿素裝置造粒系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行至關(guān)重要，而且也是尿素產(chǎn)品中縮二脲、水分含量合格的重要保障。華鶴煤化針對520 kt/a尿素裝置蒸發(fā)系統(tǒng)真空度頻繁波動的問題，通過對蒸發(fā)系統(tǒng)停車排查、對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，以及生產(chǎn)經(jīng)驗的積累，找到了導(dǎo)致蒸發(fā)系統(tǒng)真空度頻繁波動的原因，實施了蒸發(fā)分離器內(nèi)部改造及操作優(yōu)化、蒸發(fā)冷凝器至氨水槽排液管改造、常壓吸收塔頂部增設(shè)沖洗水等優(yōu)化措施后，尿素蒸發(fā)系統(tǒng)真空度的穩(wěn)定性得到保證，確保了蒸發(fā)系統(tǒng)與造粒系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行及尿素產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。當然了，實際生產(chǎn)中，影響尿素蒸發(fā)系統(tǒng)真空度的因素有很多，還需我們在生產(chǎn)操作中不斷總結(jié)與探索，以利尿素蒸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運行。