尿素装置超低负荷运行的可行性研究

武满红

（云南水富云天化有限公司尿素车间，云南水富 657800）

尿素装置超低负荷运行的可行性研究

武满红

（云南水富云天化有限公司尿素车间，云南水富 657800）

通过对云南水富云天化有限公司尿素装置的设备及工艺分析，找出装置在超低负荷（60%～65%）下运行的瓶颈。通过搜集装置在超低负荷下运行数据，进行分析研究，针对性提出应对措施，通过实际运行维护来验证装置在超低负荷运行的安全性和可行性。

尿素装置；超低负荷；可行性

云南水富云天化有限公司（以下简称“公司”）尿素装置采用荷兰Stamicarbon二氧化碳汽提技术，原设计能力为1 620 t／d，经过2003年的增产改造及系统优化后，装置最大生产能力已达到2 450 t／d。但是，由于外界环境的影响，天然气供应一直比较紧张，尿素装置低负荷生产已不可避免。

尿素装置在低负荷下运行时，经济效益低，单位产品的物耗和能耗大幅增加，同时由于装置负荷过低，尿液和甲铵的混合液在汽提塔（201-C／CB）分配管中不易形成液位，汽提管内液体分布不均，导致汽提管内液气比失调，造成汽提塔部分列管腐蚀加剧。根据Stamicarbon设计要求，CO2负荷不能低于70%运行（Stamicarbon口头建议CO2负荷不能低于65%），否则汽提塔将遭受严重腐蚀。2011年10月，由于天然气供应的原因，公司的尿素装置在62%负荷下连续运行了3天，但产品质量及设备运行较好。所以，有必要探讨尿素装置在超低负荷下运行的可行性，为公司的尿素装置在非正常供气下运行提供依据。

1 装置在超低负荷下运行的瓶颈

1．1 汽提塔的腐蚀速率增加

汽提塔结构较为特殊，其中的液体分布器是汽提塔中关键部件，其作用就是将液体均匀分布到每根汽提管内。当系统负荷降低后，流经汽提塔的物料量将减少，使得上管箱内液面高度降低、静压头减小、液膜将变薄和不完整、液体分布不均匀性增加、部分管内气液比较低，造成该管内汽提效率降低；同时，该汽提管内液相中溶解的氧含量也将降低，甲铵在高温下分解，管壁氧化膜被破坏，导致汽提塔的列管腐蚀加剧。为此，Stamicarbon建议公司尿素装置负荷不能低于65%。

1.2 小汽提塔封塔维护风险增大

根据Stamicarbon设计要求，当系统负荷低于25 000 m3／h（即65%负荷）时，需切除小汽提塔（201-CB）和新循环系统，但是切除小汽提塔会存在以下问题：

1）根据《汽提塔201-CB维护检修规程》要求，201-CB封塔时间不能超过72 h，否则设备钝化膜将遭到破坏。

2）若合成塔至201-CB进液阀HV-205内漏较大，201-CB在有工艺介质情况下封塔，势必加剧201-CB的腐蚀，缩短封塔时间。

3）由于系统负荷很低，进入大小汽提塔的CO2不好控制。201-CB中的二氧化碳加入量控制较低将导致201-CB腐蚀，而201-CB二氧化碳加入量过大将导致大汽提塔201-C气液比降低，不但造成201-C汽提效率降低而且造成201-C严重腐蚀。

4）在201-CB排放液位时，如果排放控制不好（二氧化碳窜入循环系统），不仅存在循环系统超压风险，甚至会引起高压甲铵泵汽化、高压系统超压。

5）如果进201-CB的二氧化碳止逆阀内漏，存在201-CB中的二氧化碳管线堵塞的风险（2010年9月19日切除小汽提塔后，由于CO2止逆阀内漏以及进入201-CB二氧化碳流量表指示不准，造成进201-CB二氧化碳管线堵塞）。

1.3 产品质量下降

装置在低负荷运行时，流入汽提塔的物料减少，造成液体流经高温段的流速降低，停留时间延长。由于尿素是热敏性较强的物质，在高温条件下，尿素聚合反应和水解反应随停留时间的延长和温度的升高而加剧（如图1所示），这样不但造成尿素产品中缩二脲含量升高，影响产品质量，同时也降低了尿素的产率。

尿素在循环系统、蒸发系统也会由于温度高、停留时间长而造成产品中缩二脲含量升高。

图1 温度、停留时间与缩二脲生成率的关系Figure 1 Relationship among temperature，residence time and the generation rate of biuret

2 装置在超低负荷下运行时的控制措施

针对CO2汽提法尿素装置在超低负荷下运行所存在的问题，提出以下控制措施，以减缓设备腐蚀，提高产品质量，保证装置的安全运行。

2.1 控制高压系统的氨碳比

从设备方面考虑，尿素装置在超低负荷下运行时，对汽提塔的影响最为严重，主要是由于负荷降低后，物料不容易在汽提塔液体分布器上部形成液位，造成汽提塔列管内物料分布不均，导致列管严重腐蚀。为此，采取提高高压系统进料氨碳比的方法增加系统的循环量，达到提高进入汽提塔的物料量，改善汽提塔液体分布器的分配效果，从而减缓设备腐蚀。当然，高氨碳比势必会增加装置电力、蒸汽等消耗。

装置氨碳比设计控制指标为3.0～3.4，当装置在超低负荷下运行时，控制氨碳比在3.3～3.4之间。

2.2 不切除小汽提塔及新循环系统

不切除小汽提塔及新循环系统，不仅可以延长装置在超低负荷下运行的时间，避免小汽提塔封塔72 h后装置停车，而且也降低维护风险。

2011年10月，公司尿素装置在62%负荷下运行时，小汽提塔和新循环系统未切除，从分析数据及装置运行情况看，小汽提塔的腐蚀在允许范围内。

2.3 提高进入系统的氧含量

提高进入系统的氧含量，可以提高液相中氧的溶解量，使设备氧化膜遭到破坏时，可以及时进行修复。

公司尿素装置氧含量（质量分数）控制范围是0.6%～1.0%，在超低负荷时氧含量可控制在0.9%～0.95%，以减缓设备腐蚀。

2.4 降低汽提塔壳侧蒸汽压力

由于缩二脲的生成速率与温度、游离氨含量和停留时间有关，从尿素的合成反应开始缩二脲就生成，只是由于合成塔内游离氨含量较高，缩二脲生成的较少。但在汽提塔内，由于汽提过程进行的温度较高，而游离氨含量较低，所以缩二脲再次大量的生成。为此，在保证循环系统稳定运行的前提下，尽量降低汽提塔壳侧蒸汽压力，从而降低汽提塔壳侧加热蒸汽的温度，以降低缩二脲的生成速率，同时还可以减少尿素的水解。

降低汽提塔壳侧蒸汽压力，可以降低反应进行的温度，从而减缓设备的腐蚀，延长设备的使用寿命。

公司尿素装置汽提塔壳侧蒸汽压力控制范围是1.62～2.05MPa，在超低负荷时蒸汽压力可控制在1.55～1.60MPa。

2.5 降低加热器温度

由图1看出，温度越高，缩二脲生成速率越快，因此降低反应温度可以降低缩二脲的生成速率。

2.5.1 降低循环加热器温度

据统计，在循环系统有0.4%左右的缩二脲生成［1］，因此对循环系统的缩二脲控制也尤为重要。在超低负荷下，精馏塔出液温度TI03-1可控制在125℃（正常指标128～135℃）。

2.5.2 降低蒸发二段温度

在蒸发系统，由于游离氨含量较低，同时温度较高，所以缩二脲的生成与温度的控制很重要。装置在超低负荷下运行时，在保证尿液不进入结晶区域的前提下，尽量降低蒸发二段温度，蒸发二段温度TIC-404可控制在137～139℃。

2.6 降低各储槽的液位

由图1看出，随着停留时间的延长，缩二脲生成速率越快。因此，缩短停留时间可以降低缩二脲的生成速率。

2.6.1 控制尿液储槽在低液位

为了缩短尿液在尿液储槽的停留时间，将尿液槽的液位控制在低限5%～7%。

2.6.2 控制汽提塔和精馏塔在低液位

在保证不窜气的情况下，汽提塔液位LI203／202由50%降至40%，精馏塔液位LI302／301由15%降至10%。

2.6.3 降低蒸发二段液位

由于蒸发二段尿液浓度高、温度高、游离氨含量少，为了减少缩二脲的生成，控制蒸发二段液位LI401在30%～50%，减少停留时间，降低缩二脲的生成速率。

2.7 仪表定期检查各测温点

为保证蒸发一、二段温度测量的准确，定期联系仪表，对这两点温度进行调校。

2.8 减少蒸发循环次数

装置在超低负荷运行时，尽量减少蒸发循环的次数，避免停留时间过长，造成产品缩二脲超标。如果遇到倒喷头或熔融尿液泵，蒸发循环时需破真空并降低蒸发一、二段温度至100℃左右。

2.9 控制喷头转速在低限

尿素装置旧喷头（型号TX302／303）是按1 950 t／d设计制造，不能满足装置满负荷生产需要。2011年5月，公司对尿素喷头进行了更换（型号为TX429／430），该喷头是按2 300 t／d设计制造。因此，装置在超低负荷运行时，为了使喷头转速与负荷对应，可以将新喷头更换为旧喷头，以提高产品粒度。

3 装置在超低负荷下运行的实际情况

2011年10月28日至30日，公司尿素装置在62%负荷（即22 500 m3／h）下连续运行了3 d，装置运行数据统计见表1。

表1 尿素装置在62%负荷下运行数据Table 1 Load data of device running under 62%

在正常情况下，工艺介质对设备有较小的腐蚀，并且是均匀的腐蚀，产品中的Ni含量稳定在0.30μg／g以下。《日产2300 t尿素装置工艺手册》中规定当成品尿素中Ni含量超过0.30μg／g（Ni总量达28.7 g）时，经48 h处理后，成品中的Ni含量仍高于0.30μg／g，则应停车排放、重新升温钝化［2］。虽然装置在62%负荷下运行时产品中Ni含量较高，但是尿素产品中总Ni量变化不大，说明设备腐蚀量基本无变化。

4 结束语

通过对装置在超低负荷下运行情况的分析研究，在针对性采取相应措施后，虽然其中一些操作会造成装置能耗上升，但是可有效降低装置在超负荷下运行时设备的腐蚀，保证装置的安全运行，可为以后装置在超低负荷运行时的操作提供参考。

［1］ 云南云天化股份有限公司.日产2 300吨尿素生产知识问答［M］.云南水富：云南云天化股份有限公司，2008：79.

［2］ 云南云天化股份有限公司编.日产2 300吨尿素装置工艺手册［M］.云南水富：云南云天化股份有限公司，2012：3-7.

Feasibility Study of Urea plant Operation under Ultra－low－load

WU M an－hong

（Yuntianhua Corporation，Shuifu 657800，China）

Based on the analysis of Yuntianhua AG urea plant equipment and process，bottleneck of the device running under ultra－low－load（60 to 65%，the same below）.is identified.By collecting data of device running under ultra－low load，after analysis and study，targetedmeasures are addressed.through the actual operation and maintenance of the device，the safety and feasibility of operation under ultra－lowload are to be verified.

urea plant；ultra－low load；feasibility

TQ441

： A

： 1004-275X（2014）01-0056-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.01.016

收稿：2013-09-06

武满红（1985－），男，助理工程师，主要从事生产技术工作。