CO2汽提法尿素裝置解吸廢液達(dá)標(biāo)改造小結(jié)

白雪峰，吳 杰

(山西豐喜華瑞煤化工有限公司，山西 新絳 043100)

0 引 言

山西豐喜華瑞煤化工有限公司(簡稱豐喜華瑞)1 000 t/d CO2汽提法尿素裝置于2006年7月建成投產(chǎn)，其解吸廢液量約35 m3/h，長期以來解吸廢液氨含量20～30 mg/L、尿素含量70～80 mg/L，無法達(dá)到山西省環(huán)保廳《關(guān)于印發(fā)合成氨(甲醇)行業(yè)生產(chǎn)工藝廢水超低排放達(dá)標(biāo)驗(yàn)收實(shí)施方案》(晉環(huán)發(fā)〔2011〕181號)和國家環(huán)境部《合成氨企業(yè)環(huán)境守法導(dǎo)則》(環(huán)辦函〔2014〕979號)中尿素冷凝液中氨含量<5 mg/L、尿素含量<5 mg/L的要求，尤其是近年來環(huán)保形勢日益嚴(yán)峻，企業(yè)環(huán)保壓力極大；另外，解吸廢液用作尿素循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水，不僅造成原料(氨、尿素)的浪費(fèi)，而且增加了污水處理廠的負(fù)荷。為實(shí)現(xiàn)解吸廢液的達(dá)標(biāo)排放，豐喜華瑞對解吸水解系統(tǒng)實(shí)施了一系列優(yōu)化改造，收到了良好的效果。以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 改造前解吸水解系統(tǒng)概況

1.1 主要設(shè)備

豐喜華瑞解吸水解系統(tǒng)主要由第一/第二解吸塔、水解塔、回流冷凝器、回流冷凝器液位槽、解吸塔給料泵、水解塔給料泵、解吸塔換熱器、水解塔換熱器、廢水冷卻器等組成，其作用是對尿素工藝?yán)淠哼M(jìn)行解吸和水解：水解塔內(nèi)，在高溫蒸汽的作用下將溶液中的尿素水解為CO2和氨，水解后的氣體與液體返回到解吸塔中，經(jīng)過降壓、升溫，將溶液中的CO2和氨解吸出來，解吸氣進(jìn)入回流冷凝器，利用循環(huán)水進(jìn)行冷凝，得到含有更多CO2和氨的溶液，返回尿素低壓吸收系統(tǒng)。

主要設(shè)備參數(shù)：① 第一/第二解吸塔，規(guī)格φ1 400 mm×10 mm×24 783 mm，第一解吸塔(上塔)15層篩板塔盤、第二解吸塔(下塔)21層篩板塔盤，材質(zhì)316L，設(shè)計(jì)壓力0.75 MPa；② 水解塔，規(guī)格φ1 800 mm×(14 mm+4 mm)×23 712 mm，21層條形篩帽塔盤，材質(zhì)316L/16MnR，設(shè)計(jì)壓力2.1 MPa；③ 回流冷凝器，規(guī)格φ900 mm×8 mm×6 855 mm，換熱面積192 m2，材質(zhì)316L；④ 回流冷凝器液位槽，規(guī)格φ1 300 mm×8 mm×2 612 mm，容積2.7 m3，材質(zhì)316L；⑤ 解吸塔換熱器(板式換熱器)，換熱面積240 m2，材質(zhì)316L；⑥ 水解塔換熱器(2臺并聯(lián))，規(guī)格φ700 mm×12 mm×7 265 mm(長)，單臺換熱面積190 m2，材質(zhì)316L；⑦ 廢水冷卻器(板式換熱器)，換熱面積9.2 m2，材質(zhì)316L；⑧ 解吸塔給料泵(一開一備)，型號XCA80-50-250，單臺流量45 m3/h、揚(yáng)程76 m，材質(zhì)316L；⑨ 水解塔給料泵(一開一備)，型號DT46-50×4，單臺流量46 m3/h、揚(yáng)程200 m，材質(zhì)316L；⑩ 回流泵(一開一備)，型號XCA50-32-200，單臺流量12 m3/h、揚(yáng)程51 m，材質(zhì)316L。

1.2 工藝流程

尿素蒸發(fā)系統(tǒng)各段冷凝液，均含有一定量的氨、CO2和少量尿素，經(jīng)管線進(jìn)入氨水槽，氨水槽內(nèi)用隔板分為三個間隔(兩小一大)，各間隔之間在其下部有孔連通，其液位相同但不完全相混：大間隔用來貯存事故排放液和沖洗的工藝液體；常壓吸收塔來的冷凝液入第一小間隔，由于其氨含量和CO2含量較高，用泵送至低壓甲銨冷凝系統(tǒng)；一段、二段蒸發(fā)冷凝液入第二小間隔，一路用低壓吸收塔給料泵送往低壓吸收塔，另一路由解吸給料泵送入解吸換熱器與第二解吸塔底部出液換熱，被加熱至90～100 ℃后送至第一解吸塔上部。第一解吸塔的操作壓力為0.15～0.30 MPa，蒸發(fā)冷凝液(碳銨液)在其中解吸出氨和CO2；出第一解吸塔的液體，經(jīng)水解塔給料泵加壓至1.7～1.9 MPa經(jīng)水解塔換熱器換熱后進(jìn)入水解塔上部，水解塔下部通入2.5 MPa中壓飽和蒸汽，使液體中所含的少量尿素水解成氨和CO2，水解塔氣相進(jìn)入第一解吸塔的上部，水解塔液相經(jīng)水解塔換熱器預(yù)熱進(jìn)料后溫度降至150～160 ℃，進(jìn)入第二解吸塔上部，第二解吸塔操作壓力為0.15～0.30 MPa，塔下部通入0.35 MPa低壓飽和蒸汽，塔底溫度約130 ℃，從液相中解吸出來的氨和CO2及水蒸氣，直接導(dǎo)入第一解吸塔的下部，與第一解吸塔底部液相進(jìn)行質(zhì)熱交換。出第一解吸塔的氣相，含水量<40%，在回流冷凝器中冷凝，冷凝液一部分作為回流液經(jīng)回流泵送至第一解吸塔頂部，與塔內(nèi)上升的氣相進(jìn)行質(zhì)熱交換，以減少出塔氣相的水含量，另一部分冷凝液送至低壓甲銨冷凝器作為吸收液，未被冷凝的氣體則進(jìn)入常壓吸收塔，進(jìn)一步吸收氨和CO2后放空。經(jīng)第二解吸塔解吸后的液相氨含量<30×10-6、尿素含量<50×10-6，經(jīng)解吸塔換熱器、廢水冷卻器冷卻后送至尿素循環(huán)水系統(tǒng)作為補(bǔ)水。

2 解吸水解系統(tǒng)運(yùn)行問題分析

為尋求一種最好的改造方案，在技改項(xiàng)目確定前，豐喜華瑞尿素車間人員赴山西晉豐煤化工有限責(zé)任公司聞喜分公司、山西金象煤化工有限責(zé)任公司、山西晉豐煤化工有限責(zé)任公司(高平公司)、陜西陜化煤化工集團(tuán)有限公司等同類企業(yè)進(jìn)行考察，就解吸水解系統(tǒng)工藝參數(shù)、設(shè)備尺寸、塔盤數(shù)量、蒸汽消耗等逐一進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)豐喜華瑞解吸水解系統(tǒng)主要存在如下幾方面的問題：① 解吸塔解吸能力差--豐喜華瑞解吸塔直徑1 400 mm，高度24 783 mm，塔盤36層，而同等尿素產(chǎn)能生產(chǎn)企業(yè)的解吸塔直徑均為1 400 mm、高度均在34 m左右，比豐喜華瑞的解吸塔高出10 m左右，塔盤數(shù)量也比豐喜華瑞的多20余層；② 水解塔水解能力差--豐喜華瑞水解塔壓力1.6～1.7 MPa，水解塔上部溫度165～175 ℃、中部溫度 175～188 ℃、下部溫度185～190 ℃，與其他同類工藝生產(chǎn)企業(yè)相比，水解壓力與溫度均偏低；③ 水解塔中壓蒸汽消耗高--以豐喜華瑞某天生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，碳銨液流量21.5 m3/h，水解塔消耗中壓蒸汽2 691 kg/h，平均噸碳銨液消耗中壓蒸汽125.16 kg，而理論上水解1 t碳銨液僅需消耗中壓蒸汽約60 kg；④ 解吸廢液中氨含量20～30 mg/L、尿素含量70～80 mg/L，遠(yuǎn)高于同類工藝生產(chǎn)企業(yè)。

3 改造方案

3.1 解吸塔改造方案

(1)增加解吸塔高度，解吸塔由原設(shè)計(jì)的24 783 mm增高至32 783 mm，其中，第一解吸塔加高2 400 mm、第二解吸塔加高5 600 mm，總體加高8 000 mm。

(2)將解吸塔的普通篩板塔盤全部改為高通量立體垂直篩板，并增加塔盤數(shù)量，第一解吸塔塔盤數(shù)量由原來的15層增加至21層、第二解吸塔塔盤數(shù)量由原來的21層增加至35層，解吸塔總塔盤數(shù)量由原36層增加至56層。

(3)解吸塔底部蒸汽入口增設(shè)1套氣體分布器，以利蒸汽與溶液的均勻混合。

3.2 水解塔改造方案

(1)將水解塔原條形篩帽塔盤全部拆除，改造為篩板塔盤，延長溶液在塔盤上的停留時間，使工藝?yán)淠涸谒馑?nèi)與蒸汽充分接觸，消除死區(qū)及壁流現(xiàn)象，提高尿素水解效率。

(2)水解塔有21層塔盤，容積54 m3，當(dāng)水解塔處理量為40 m3/h時，溶液停留時間約為1.2 h，設(shè)計(jì)偏小(一般水解塔設(shè)計(jì)操作壓力在1.8～2.5 MPa之間，操作溫度在190～210 ℃，設(shè)計(jì)溶液停留時間為1.8～2.0 h)。由于水解塔采用316L復(fù)合板(外表面為16MnR碳鋼，內(nèi)表面為316L不銹鋼)制作，增加水解塔高度以提升水解效率的技改方案施工難度大、制作周期長，不適合在短暫停車檢修期間實(shí)施；為延長溶液停留時間，豐喜華瑞在水解塔后面串聯(lián)1臺臥式水解器，設(shè)備直徑2 000 mm、長9 727 mm，內(nèi)部用隔板分為8個小室，蒸汽分別通入各個小室對溶液進(jìn)行二次水解，保證其出口溶液中尿素含量<5×10-6。

(3)尿素水解反應(yīng)受反應(yīng)溫度的影響很大，當(dāng)溶液停留時間均為30 min時，水解塔內(nèi)溫度為200 ℃，尿素含量可降至6.5×10-6；水解塔內(nèi)溫度為210 ℃，尿素含量可降至3.2×10-6；水解塔內(nèi)溫度為215 ℃，尿素含量可降至1.8×10-6；水解塔內(nèi)溫度為220 ℃，尿素含量可降至1.2×10-6[1]。豐喜華瑞水解塔加熱蒸汽采用2.5 MPa飽和蒸汽，溫度僅223 ℃，有時候蒸汽壓力波動，蒸汽溫度會更低；另外，水解塔蒸汽進(jìn)口在水解塔底部，蒸汽與解吸液逆流接觸，隨著蒸汽的上升，塔內(nèi)溫度從底部到頂部逐步降低，為提高水解溫度，只能提高蒸汽供應(yīng)量。為降低蒸汽用量，豐喜華瑞在原水解換熱器后串聯(lián)1臺換熱面積100 m2的板式換熱器，即通過提高水解塔進(jìn)料溫度的方式提高水解溫度。

4 施工與試生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題及其解決措施

2022年8月初尿素裝置停車大修，解吸水解系統(tǒng)實(shí)施技改；2022年9月26日，解吸水解系統(tǒng)改造完成后投運(yùn)。在施工與試生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了不少問題，具體如下。

4.1 施工階段設(shè)備基礎(chǔ)加固方案變更

2022年8月2日，尿素裝置開始停車；8月5日，解吸塔與水解塔降溫、置換完成，技改工作正式展開，在將解吸塔上部管道及筒體分割拆除完成、解吸塔下部切割到距下封頭1 800 mm處時，解吸塔的切割工作基本完成，下一步就是將解吸塔裙座與剩下的低壓蒸汽管道與調(diào)節(jié)閥組拆除，對地腳螺栓進(jìn)行改造。由于解吸塔塔體加高，其高度與重量均增加，為增強(qiáng)其抗震強(qiáng)度，原計(jì)劃在每兩條地腳螺栓間增加1條地腳螺栓，地腳螺栓數(shù)量由16條增加到32條--據(jù)原始基礎(chǔ)圖紙，在混凝土基礎(chǔ)中，距離上平面100 mm處埋設(shè)有10 mm厚的定位環(huán)板，施工時，需先將解吸塔整體拆除，然后用直徑150 mm水鉆開孔到定位環(huán)板處，再用氧氣切割環(huán)板，待環(huán)板割掉后，用40 mm水鉆開孔到指定深度，埋設(shè)新增的地腳螺栓。這樣的施工方案存在兩方面的不利因素：第一，若要順利拆除解吸塔底座，就必須拆除設(shè)備周圍大量的管道，而DN350低壓蒸汽管道與調(diào)節(jié)閥組拆除與恢復(fù)有難度；第二，地腳螺栓間距僅有320 mm，內(nèi)部有鋼筋，若要鉆16個1 m深的孔，預(yù)計(jì)鉆1個孔就需要半天時間，施工周期太長，且在基礎(chǔ)上鉆孔也會破壞基礎(chǔ)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為縮短施工時間、避免破壞原設(shè)備基礎(chǔ)，將增加地腳螺栓的施工方案變更為用工字鋼制作抱箍，將解吸塔與尿素裝置低跨土建框架連接在一起代替地腳螺栓，經(jīng)設(shè)計(jì)院核算，此舉可滿足要求。

4.2 開車初期水解塔液位居高不下

開車初期水解塔出現(xiàn)液泛，液位居高不下，在減少進(jìn)液量與全開水解塔出口調(diào)節(jié)閥無果的情況下，經(jīng)分析，認(rèn)為是新增的臥式水解器水解反應(yīng)產(chǎn)生的NH3與CO2沒有及時排走，臥式水解器內(nèi)部壓力升高，水解塔與臥式水解器間壓差減小，導(dǎo)致水解塔出液管阻力增加，造成出液流速減小，在進(jìn)液流速不變的情況下，水解塔液相進(jìn)、出口溶液流量不能保持平衡(即進(jìn)料多出料少)而致液泛。于是，開大臥式水解器氣相閥，適度降低臥式水解器壓力，提高水解塔與臥式水解器之間的壓差，水解塔液位恢復(fù)正常，可以正常調(diào)節(jié)。

4.3 水解塔溫度提不起來

試生產(chǎn)時，水解塔溫度提不起來，水解塔中部溫度在180～186 ℃之間浮動、最低甚至降至175 ℃(指標(biāo)為195 ℃)，水解塔頂部溫度在163～169 ℃之間浮動、最低甚至降至154 ℃(指標(biāo)為175 ℃)。改造前，增大進(jìn)水解塔蒸汽量可以有效提升塔內(nèi)溫度；改造后，當(dāng)水解塔出現(xiàn)“垮溫”現(xiàn)象時，也想通過增大蒸汽用量來提升塔溫，但發(fā)現(xiàn)蒸汽量增加到一定程度后，繼續(xù)增大蒸汽用量就會導(dǎo)致塔壓飆升，這一辦法行不通，只能另想辦法。將豐喜華瑞與其他同類生產(chǎn)企業(yè)的工藝指標(biāo)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)相同規(guī)模、相同規(guī)格水解塔蒸汽用量比豐喜華瑞少，但水解塔內(nèi)溫度卻比豐喜華瑞的高；同時還發(fā)現(xiàn)了另一情況，那就是同行企業(yè)解吸塔的低壓蒸汽用量遠(yuǎn)高于豐喜華瑞，從解吸與水解原理入手分析，可能是由于豐喜華瑞解吸塔通入蒸汽量少，蒸汽在通過第二解吸塔后，解吸出的NH3與CO2進(jìn)入氣相，氣相中NH3與CO2的分壓升高，甚至高于第一解吸塔溶液中NH3與CO2的分壓，當(dāng)蒸汽通過升氣管進(jìn)入第一解吸塔后，蒸汽幾乎已經(jīng)沒有解吸能力了，也就是說進(jìn)入第一解吸塔的溶液只是進(jìn)行了加熱而未進(jìn)行解吸或者僅有一小部分進(jìn)行了解吸，然后溶液就送入了水解塔，由于解吸比水解更容易進(jìn)行，進(jìn)入水解塔的溶液首先進(jìn)行的是解吸，解吸完成后，蒸汽溫度降低，已經(jīng)不能滿足水解溫度要求了，換言之，豐喜華瑞的水解塔取代或部分取代了第一解吸塔的功能，由此導(dǎo)致水解塔“垮溫”。按照上述分析思路，豐喜華瑞逐步增大解吸塔低壓蒸汽用量，同時調(diào)整回流冷卻器的各項(xiàng)參數(shù)，水解塔“垮溫”問題得到解決，水解塔中壓蒸汽用量大幅降低。

5 改造后系統(tǒng)運(yùn)行情況

5.1 解吸廢液達(dá)標(biāo)排放

經(jīng)過1周的調(diào)試，2022年10月3日，解吸水解系統(tǒng)調(diào)試正常，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。日常生產(chǎn)中，解吸水解系統(tǒng)碳銨液處理量保持在25 m3/h左右、日處理量約600 m3，外排廢液中尿素含量由約75 mg/L降至0.363 mg/L、氨含量由約25 mg/L降至3.25 mg/L，完全達(dá)到了解吸廢液氨含量、尿素含量均小于5 mg/L的預(yù)期目標(biāo)。

5.2 中壓蒸汽消耗降低

豐喜華瑞解吸塔所用0.35 MPa低壓飽和蒸汽全部為尿素裝置高壓甲銨冷凝器副產(chǎn)蒸汽，水解塔所用2.5 MPa中壓飽和蒸汽主要為外購、部分來自鍋爐系統(tǒng)，這里僅比較改造前后中壓蒸汽的消耗，2022年改造前后水解塔中壓蒸汽消耗情況的對比見表1?？梢钥闯?，改造前，碳銨液處理量平均為25.62 m3/h，中壓蒸汽耗量為3 811.40 kg/h，相當(dāng)于水解1 m3碳銨液消耗中壓蒸汽148.15 kg；改造后，碳銨液處理量平均為26.10 m3/h，中壓蒸汽耗量為2 309.18 kg/h，相當(dāng)于水解1 m3碳銨液耗中壓蒸汽88.42 kg，較改造前水解1 m3碳銨液節(jié)約中壓蒸汽59.73 kg。

表1 2022年改造前后水解塔中壓蒸汽消耗情況

5.3 節(jié)汽效益分析

以解吸水解系統(tǒng)日處理碳銨液量600 m3、水解1 m3碳銨液節(jié)約中壓蒸汽59.73 kg、尿素裝置年運(yùn)行333 d、中壓蒸汽價格為180元/t計(jì)，改造后年節(jié)約中壓蒸汽費(fèi)用600×59.73÷1000×333×180÷10000=214.81萬元。

6 結(jié)束語

長期以來，豐喜華瑞尿素裝置解吸水解系統(tǒng)解吸廢液中氨含量20～30 mg/L、尿素含量70～80 mg/L，遠(yuǎn)達(dá)不到解吸廢液的環(huán)保排放要求；將此高氨氮含量的廢液補(bǔ)入尿素循環(huán)水系統(tǒng)，容易導(dǎo)致微生物的大量滋生，不利于循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。經(jīng)調(diào)研考察與對標(biāo)分析等，找到了癥結(jié)所在。2022年8-9月尿素裝置停車大修期間實(shí)施了加高解吸塔塔體、更換解吸塔和水解塔塔盤、增設(shè)臥式水解器及板式換熱器(串聯(lián)在水解換熱器后)等優(yōu)化改造；2022年10月3日解吸水解系統(tǒng)調(diào)試正常，解吸廢液氨含量、尿素含量均小于5 mg/L，水解塔(含新增的臥式水解器)中壓蒸汽用量大幅減少，節(jié)能減排效益良好，助力了尿素裝置的優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。