CO2汽提法尿素裝置放空總管含氨尾氣精洗技術

馮 萍，王 獻

(合肥瑞鑫化工科技有限公司，安徽 合肥 230061)

0 引 言

上世紀50年代初，新中國剛剛成立不久，百廢待興，諸多工業(yè)領域一窮二白，國內沒有1套尿素裝置；上世紀50年代中期，第一套尿素生產試驗裝置在南京誕生；上世紀60年代，我國從國外引進10多套水溶液全循環(huán)法及氨汽提法尿素裝置，在對引進技術不斷消化的基礎上，上?；ぱ芯吭貉芯块_發(fā)并建造了4套中壓聯(lián)尿裝置；上世紀70年代，化學工業(yè)部第四設計院(現(xiàn)中國五環(huán)工程有限公司)研究開發(fā)了具有自主知識產權的水溶液全循環(huán)法尿素生產工藝(俗稱小尿素裝置)；從上世紀70年代開始，我國先后引進了多套520 kt/a尿素裝置，在此基礎上，通過不斷的消化吸收和革新，而今中國五環(huán)工程有限公司設計的單套尿素裝置產能已達1 000 kt/a以上；目前我國已有上百套大型尿素裝置，基本上實現(xiàn)了大型化，而上世紀60、70年代國內自行設計建造的小尿素裝置基本上已改造或淘汰。

從工藝流程來看，國內自建中小型尿素裝置前期以水溶液全循環(huán)法工藝為主，后期中型尿素裝置多采用國產化CO2汽提法工藝；引進尿素裝置主要采用荷蘭斯塔米卡邦的CO2汽提法與意大利斯納姆的氨汽提法，個別大型尿素裝置采用意大利蒙特愛迪生公司的氨/CO2雙汽提工藝、日本東洋工程公司的節(jié)能型改良C法汽提工藝。當前國內尿素裝置大多采用CO2汽提工藝，其優(yōu)點主要是蒸汽單耗較低，生產成本較其他工藝低，但缺點之一是氨的損失較大。CO2汽提工藝氨損失較大的原因在于，低壓吸收塔出口排放氣氨含量較高，常解塔出口排放氣、蒸發(fā)造粒抽真空排放氣、碳銨液槽排放氣、尿液槽排放氣最后匯集到1條放空總管，直接排入大氣中，排放氣中含氨約1%～3%，不僅增加了消耗，削弱了企業(yè)的經濟效益，還帶來了不良的環(huán)境影響。在節(jié)能減排及大氣污染治理要求日益嚴苛的背景下，尿素裝置放空總管所排含氨尾氣的治理已刻不容緩。

1 CO2汽提法尿素生產工藝部分基礎數(shù)據(jù)

(1)CO2汽提法尿素生產工藝中，放空總管放空氣中的氨主要有兩個來源，其一是低壓吸收塔及常解塔排放的惰性氣中的氨，其二是尿素蒸發(fā)系統(tǒng)抽真空時蒸發(fā)氣中含有的氨。據(jù)《氮肥工藝設計手冊：尿素》[1]，生產1 t尿素所產生的混合放空氣(低壓吸收塔排放氣+常解塔排放氣)為60～66 m3，上游合成氨裝置凈化系統(tǒng)送入尿素裝置中的CO2氣中的O2含量約0.8%，生產噸尿素所產生的惰性氣約7 m3，合計生產噸尿素產生的放空氣約73 m3，折合生產噸尿素損失氨約1.8 kg。

(2)尿素蒸發(fā)系統(tǒng)抽真空消耗的蒸汽，一段蒸發(fā)系統(tǒng)約30 kg(約4.6 m3)，二段蒸發(fā)系統(tǒng)約40 kg(約6.25 m3)[1]；據(jù)《氮肥工藝設計手冊：尿素》[1]，生產噸尿素蒸發(fā)系統(tǒng)抽真空損失的氨約為0.8 kg，可忽略不計。

綜上，生產1 t尿素，低壓吸收塔及常解塔排放的放空氣約73 m3。以1 400 t/d(58 t/h)尿素裝置為例，尾氣放空量約101 616 m3/d，其中，從低壓吸收塔及常解塔排放掉的氨為58×1.8=104.4 kg/h，即2 505.6 kg/d。

2 CO2汽提法尿素裝置放空總管尾氣放空情況

為了解CO2汽提法尿素裝置放空總管尾氣放空情況，2020年4月和2021年10月，合肥瑞鑫化工科技有限公司(簡稱合肥瑞鑫)派出專業(yè)技術人員分別對山西天澤煤化工集團股份公司煤氣化廠(簡稱山西天澤)和奎屯錦疆化工有限公司(簡稱奎屯錦疆)進行了實地考察，并配合這兩家企業(yè)人員進行了現(xiàn)場取樣分析，有關情況具體如下。

2.1 山西天澤尿素裝置放空總管尾氣放空情況

山西天澤2 400 t/d CO2汽提法尿素裝置低壓吸收塔規(guī)格為φ500 mm/φ800 mm、塔高為8 751 mm、塔體材料為00Cr17Ni14Mo2，內裝25 mm×25 mm×1 mm的不銹鋼鮑爾環(huán)填料，設計壓力3.0 MPa、操作壓力0.1～0.4 MPa，設計溫度175 ℃；低壓吸收塔附屬給料泵(離心泵)Q=37.5 m3/h，p入/p出=0.13 MPa(A)/1.35 MPa(A)，配套電機N=45 kW(380 V)。2020年4月6日10:00和14:00取樣分析，低壓吸收塔出氣氨含量分別為2.86%、3.24%。

山西天澤2 400 t/d CO2汽提法尿素裝置常解塔規(guī)格為φ650 mm/φ1 500 mm、塔高為8 530 mm、塔體材料為00Cr19Ni10，內裝25 mm×25 mm×1 mm的不銹鋼鮑爾環(huán)填料，設計壓力0.11 MPa、操作壓力 0.3～0.6 MPa，設計溫度150 ℃，出液溫度<70 ℃；常解塔附屬循環(huán)泵(離心泵)Q=82.9 m3/h，p入/p出=0.218 MPa(A)/0.520 MPa(A)，配套電機N=15 kW(380 V)。2020年4月6日10:00和14:00取樣分析，常解塔出氣氨含量分別為400 mg/m3、850 mg/m3；放空總管尾氣中氨含量分別為1.49%、1.77%。

2.2 奎屯錦疆尿素裝置放空總管尾氣放空情況

奎屯錦疆1 400 t/d CO2汽提法尿素裝置(大尿素裝置)，2021年10月6日10:00和14:00取樣分析，低壓吸收塔出氣氨含量分別為2.56%、2.15%，常解塔出氣氨含量分別為950 mg/m3、1 150 mg/m3。

奎屯錦疆有3套40 kt/a三聚氰銨裝置，三聚氰銨生產中產生的碳銨液，一部分送往小尿素裝置生產尿素，余下的部分送往大尿素裝置(1 400 t/d尿素裝置)的碳銨液槽繼而進行深度水解，碳銨液槽排放氣量約4 000 m3/h；碳銨液槽放空氣中的氨含量約3%，氣氨的密度以0.771 kg/m3計，則碳銨液槽排放氣中氨量為4000×3%×0.771×24=2 220.5 kg/d。

2.3 小 結

綜上，粗略估算400 kt/a CO2汽提法尿素裝置放空總管日排放的氨約2505.6+2220.5=4 726.1 kg，如遇陰雨天或氣壓低的時候，整個廠區(qū)會氨味彌漫，即使氣壓高氨也會隨著放空氣飄散幾公里，嚴重影響環(huán)境?？梢?，尿素裝置放空總管含氨尾氣亟待治理。

3 優(yōu)化技改方案

針對國內CO2汽提法尿素裝置的生產現(xiàn)狀，合肥瑞鑫技術人員在查閱有關資料的基礎上，開發(fā)出了“循環(huán)洗滌+酸洗+精洗”的三段式放空氣精洗塔技術。該技術可對低壓吸收塔尾氣、常解塔尾氣及放空總管尾氣進行洗滌。具體優(yōu)化技改方案如下。

3.1 增設精洗塔并采用高效降膜噴射塔盤

增設1臺放空氣精洗塔(簡稱精洗塔)，精洗塔上部為精洗段，內設多層高效降膜噴射塔盤；精洗塔中部為酸洗段，內設多層合肥瑞鑫專利產品——高效降膜噴射塔盤(專利號ZL 201320340934.0，ZL 201320340931.7)；精洗塔下部為填料段，采用多面球空心填料。高效降膜噴射塔盤主要技術特點如下。

(1)負載能力大。高效降膜噴射塔盤處理氣量是普通塔板(篩板、浮閥、泡罩)的1.5～2.0倍，高效降膜噴射塔盤帽罩結構決定了其氣液呈水平方向噴出，這就降低了液沫夾帶量，從而可提高空塔氣速；另外，進入降液管的液體幾乎是清液，降液管內液體停留時間可縮短，同等負荷下降液管體積減小，可增加塔板的有效傳質面積。

(2)傳質效率高。與篩板塔板相比，高效降膜噴射塔盤傳質效率高出10%～20%，原因在于帽罩內的高液氣比，氣液兩相的良好混合和部分液體在帽罩內外的再循環(huán)及再分解可達到良好的傳質傳熱效果。

(3)壓降小。高效降膜噴射塔盤氣(汽)相并不像泡沫工況操作的塔板那樣必須通過板上液層以克服其壓頭，只需克服被氣體提升的那部分液體的重力即可，觀測表明，被提升的液體厚度僅為板上液層厚度的幾分之一。

(4)塔板間距小。這類塔板的空間利用較充分，塔板上不存在鼓泡層，液面較低且平穩(wěn)，分離空間不要求有很大，一般情況下400 mm左右即可。

(5)獨特的防有機物自聚堵塞能力強。高效降膜噴射塔盤上的氣流速度大，具有很強的自沖刷清洗能力，工業(yè)應用情況表明其對有機物自聚堵塞具有很好的預防作用；由于塔盤開孔大、無升氣管且無其他遮攔件，因而其對含固體顆粒的物料具有良好的適應性。

(6)操作彈性好、適應性強。與普通塔板相比，高效降膜噴射塔盤的板孔動能因子更大，也不易出現(xiàn)降液管液泛和過量液沫夾帶等不正常現(xiàn)象，操作彈性好，與浮閥塔板相當；適用于高壓強與較低真空度以及高液氣比與低液氣比工況——在不同工況下，雖然液面波動范圍大，但對塔板效率影響不大，操作條件適應性強。

(7)操作簡便可靠。采用高效降膜噴射塔盤，從系統(tǒng)開工到穩(wěn)定運行耗時很短，并能持續(xù)穩(wěn)定生產，這與其具有良好的傳質效率有關：精洗塔下部為填料段，使用當前國內廢氣洗滌專用填料(多面球空心填料)，填料分兩段，采用大容量的噴頭，洗滌液直接均勻地噴灑在填料上，可提高洗滌液的吸收效果；精洗塔上部補入新鮮脫鹽水，補入量據(jù)精洗塔氣相出口氨濃度確定，一般情況下2～3 m3/h、夏季宜在4～5 m3/h。

3.2 新增運轉設備等

(1)新增2臺鼓風機(一開一備)，風機電機帶變頻調速，可隨時調節(jié)風量，主要作用是在精洗塔內對放空氣進行汽提，提高氨吸收效果；新增2臺引風機(一開一備)，主要作用是保持精洗塔內的氣體流速，以利增強高效降膜噴射塔盤的吸氨效果。

(2)新增2臺160 m3/h的循環(huán)洗滌泵(一開一備)、2臺80 m3/h的酸洗循環(huán)泵(一開一備)、2臺80 m3/h的精洗循環(huán)泵(一開一備)，分別用于輸送精洗塔填料段、酸洗段、精洗段的噴淋洗滌液。

(3)精洗塔系統(tǒng)采用自調裝置，調節(jié)閥、流量計均接入尿素裝置主控操作室DCS，便于操作控制。

4 精洗塔系統(tǒng)工藝流程簡介

來自尿素裝置放空總管的尾氣(包括低壓吸收塔尾氣、常解塔尾氣、蒸發(fā)系統(tǒng)噴射氣、碳銨液槽尾氣、尿液槽尾氣)，與鼓風機來的空氣一并進入精洗塔的底部，氣體經霧化洗滌后，上升至填料層，在填料層由循環(huán)洗滌泵送來的蒸汽冷凝液對尾氣進行洗滌，當氨水濃度達10%～15%時，氨水由循環(huán)洗滌泵出口支線送回碳銨液槽，繼而進行解吸處理；出填料段的尾氣進入精洗塔中段，在高效降膜噴射塔盤層用濃度為0.5%～1.0%的稀酸進行洗滌，出塔氣中的氨含量可降至5×10-6以下，酸洗液達到一定濃度后可由酸洗循環(huán)泵出口支線送往外工段使用或送入儲罐再外運處理(若酸洗液在企業(yè)內部無法消納或利用，也可使用脫鹽水或蒸汽冷凝液進行洗滌，此種情況下洗滌液可并入循環(huán)洗滌泵進口管用作精洗塔下段的洗滌液或回收至碳銨液槽，酸洗段采用脫鹽水或蒸汽冷凝液作為洗滌液時，出塔氣中的氨含量可控制在30×10-6以下)；出酸洗段的尾氣進入精洗塔上部精洗段，由來自脫鹽水總站的脫鹽水經調節(jié)閥調節(jié)送入精洗塔上段進行洗滌，精洗塔上段配套設計有精洗循環(huán)泵，當吸收液的氨濃度達到5%左右時，由精洗循環(huán)泵出口支線并入循環(huán)洗滌泵進口管將其用作精洗塔下段的洗滌液，出精洗段的尾氣經絲網(wǎng)除沫器除去夾帶的水汽后由引風機送至放空總管排入大氣(精洗塔酸洗段采用稀酸洗滌時出塔氣氨含量<5×10-6，酸洗段采用脫鹽水或蒸汽冷凝液洗滌時出塔氣氨含量<30×10-6)。

5 設備概況及投資估算

靜設備：精洗塔，1臺，φ1 500mm、H≈25 000 mm，材質為304，內件有高效降膜噴射塔盤、填料、氣體分布器、液體分布器、噴頭、支承圈等；酸洗液槽1臺、精洗液槽1臺，規(guī)格均為φ1 500mm、H≈2 000 mm，材質為304。

動設備：循環(huán)洗滌泵2臺、酸洗循環(huán)泵2臺、精洗循環(huán)泵2臺，材質為304；鼓風機2臺，材質為碳鋼；引風機2臺，材質為碳鋼。

其他設備設施：管道、閥門，儀表、電器(含調節(jié)閥、流量計、電纜)。

據(jù)估算，上述設備購置費、設備基礎及安裝/吊裝費、工藝設計及服務費等合計約300萬元。

6 效益分析

以400 kt/a CO2汽提法尿素裝置為例，據(jù)前述計算，采用合肥瑞鑫開發(fā)的“循環(huán)洗滌+酸洗+精洗”三段式放空氣精洗塔技術后，可從放空氣中回收氨約4 726.1 kg/d，液氨售價以3 500元/t、年有效生產時間以300 d計，回收的氨年可新增銷售收入4726.1÷1000×3500×300÷10000=496萬元；除去蒸氨所需蒸汽、電等運行成本及設備折舊費用每年約120萬元，本項技改年可為企業(yè)降本增效約376萬元。

7 結束語

隨著國民經濟的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題突出，環(huán)保政策日趨嚴厲，近年來我國明顯加大了大氣污染治理力度，而《排污許可證申請與核發(fā)技術規(guī)范 化肥工業(yè)-氮肥》(HJ 864.1—2017)的實施，對氮肥企業(yè)排污節(jié)點、污染物及污染治理設施都有了明確的規(guī)定，對廢氣排放的要求越來越高。就尿素裝置而言，通常業(yè)內關注的重點是尿素造粒塔尾氣粉塵含量的控制(如增設或升級技改造粒塔頂粉塵回收裝置等)，對放空總管含氨尾氣的控制往往缺少關注，在建設綠色工廠的大背景下，尿素裝置放空總管含氨尾氣的治理將會是大勢所趨。合肥瑞鑫開發(fā)的放空總管尾氣精洗技術較為成熟，工藝流程簡潔、設備購置容易、占地面積小，投資與運行成本均較低，不需要額外增加操作人員，本項技改實施后，既可減輕尿素裝置的環(huán)保壓力，又可助力企業(yè)降本增效，期待在業(yè)內得到推廣應用。