尿素解吸/水解系统改进及运行总结

张寿华 霍 杰 刘应陶

(达州玖源化工有限公司 四川达州635000)

达州玖源化工有限公司(以下简称玖源公司)尿素装置系引进美国经扩能改进后的二手尿素装置，采用荷兰斯塔米卡邦公司的CO2汽提工艺，引进时无配套的工艺废水处理装置。为了降低尿素生产成本、杜绝环境污染和实现处理液循环回收的目的，经充分调研和认证，选择了适合该二手尿素装置的低压解吸/中压水解回收工艺，重新增设了1套解吸/水解系统，采用国内先进技术回收工艺冷凝液中的NH3，CO2和尿素。

1 解吸/水解系统概况

1.1 解吸/水解能力

年产450 kt尿素装置从美国拆回后重新进行了扩能设计，装置在满负荷设计产能(1 350 t/d)运行时，水解/解吸系统需处理含NH3，CO2和尿素的工艺冷凝液，设计处理能力为30 m3/h，运行时最大处理能力可达37～43 m3/h，外排解吸废液量为35 m3/h。

1.2 解吸后废液达到的标准

水解/解吸系统采用中压(2.0 MPa)水解和低压(0.36 MPa)解吸流程；解吸塔内径Φ1 400 mm，水解塔内径Φ1 800 mm。

碳铵液处理前设计浓度(质量分数)为：NH33.93%，CO22.53%，尿素1.27%；经过解吸/水解系统处理后，工艺冷凝液中含NH3和尿素质量分数均≤5×10-6。

2 生产过程中的改进情况

该尿素装置自2010年8月7日投料试生产以来，负荷、产量和产品质量都在不断提升，但解吸/水解系统一直未能达到设计指标。开车后，通过工艺调整，实际排出工艺冷凝液中NH3质量分数在(19～58)×10-6、尿素质量分数在(255～678)×10-6，大大超出污水站处理能力，尿素装置氨水贮槽、2 000 m3水处理应急池液位均长期处于高限，给环保治理带来极大压力；同时，尿素消耗超设计指标，使尿素装置生产被迫降低负荷运行，对尿素装置的正常运行影响极大。

为此，玖源公司成立了解吸/水解攻关组，攻关目标是将解吸废液中NH3和尿素质量分数均降至≤5×10-6。通过不断跟踪摸索，制定解决措施方案，分3个阶段对解吸/水解系统进行了调整和改进后，效果显著，达到并优于攻关目标。

2.1 第1阶段调整改进情况

从2010年10月11日起，通过大量收集、分析解吸水解装置运行数据，并与设计单位人员共同分析、讨论，认为主要是解吸塔、水解塔设备内部可能存在问题；根据数据分析，水解塔出液中尿素质量分数≤5×10-6，说明问题在解吸塔。利用2010年10月17日尿素装置停车机会，拆开解吸塔进行内部检查发现：①塔板与塔周围焊接处有约50.8 mm(2″)的长裂缝；②上、下段之间的塔盘上钻有2只Φ10 mm小孔；③降液板上有2排从上到底部的椭圆形长孔，距底板有100 mm开口；④液位变送器中心距上部接口1 100 mm，超过上、下段气囱端口150 mm。

改进措施：①上段液体通过降液板2排椭圆形长孔时，有部分液体可能喷入气囱内而进入下段，造成高浓度氨水走短路。采取封堵气囱上端口以上部分降液板上的2排椭圆形长孔，防止降液过程中液体从此孔喷出溅入气囱管，使下部塔板上尿素含量增高。②修补焊接处的长裂缝，防止高浓度氨水走短路。③上、下段之间塔盘上设计2只小孔的目的是为了停车排液用，但由于塔板上下压差较小，极易漏液，故进行封堵，防止高浓度氨水走短路。

经过整改后，于2013年10月18日19:00开车。同时，工艺操作也作了改进：①降低解吸塔上段液位控制高度，给定值由60%降为25%，防止高液位波动时液体进入气囱管而进入下段；②水解塔塔顶压力相应由2.00 MPa调整为2.15 MPa、塔底部温度由200 ℃提高至208 ℃，解吸塔塔顶压力由0.30 MPa调整为0.32 MPa、塔底温度控制在143～145 ℃。第1阶段改进后解吸进料及废液浓度见表1。

表1 第1阶段改进后解吸进料及废液浓度

项 目实测值设计指标解吸进料 NH3质量分数/%5.29～13.093.93 CO2质量分数/%3.01～14.722.53 尿素质量分数/%2.33～3.981.27解吸废液 NH3质量分数/(×10-6)5.80≤5.00 尿素质量分数/(×10-6)1.06≤5.00

由表1可看出：尽管进料浓度比设计值高，经改进后，水解/解吸系统仍能稳定运行，且运行结果优于设计指标，解吸废液中NH3和尿素质量分数基本满足生产需求，工艺废液可达到设计指标和排污要求；同时，对处理后的解吸废液进行了回收利用，送往循环水系统。

2.2 第2阶段调整改进情况(2010年11月11日至2010年12月10日)

通过生产中的不断跟踪发现：解吸/水解系统在正常运行情装饰品下，当解吸进液中NH3和CO2浓度较高或解吸量≥32 m3/h时，处理后的工艺废液中NH3和CO2含量时有超标现象。虽然提高了水解塔压力，但水解塔底部温度控制在208 ℃以上比较困难，上部温度也有所下降。针对以上现象，分析认为是水解塔顶部的出气管上38.1 mm(1.5″)气相调节阀即使全开时，流通量也偏小，造成水解塔上部的NH3和水蒸气不能够完全流出，导致水解塔压力高而温度却达不到控制指标，致使解吸废液中NH3和尿素含量时有超标。

改进措施：①在水解塔顶部出气管上增加1根 76.2 mm(3″)管线，接至解吸塔回流冷凝器，解决NH3和CO2浓度高时的稳定操作问题。② 2010年11月18日完成配管后，投用效果较好，当解吸进液中NH3和CO2浓度较高或解吸量≥32 m3/h时，经解吸/水解系统处理后的工艺废液也完全能够达到设计值和排污要求；同时，处理后的工艺冷凝液全部送往循环水系统回收利用。

存在的问题：新增配管投用后，虽解决了水解塔顶部NH3和水蒸气不能够完全流出的问题，但也造成了此部分气体热能无法回收利用(气相温度约197 ℃)，且气相带水量较高，经冷凝后进入低压甲铵冷凝器再进入尿素合成系统，造成高压圈水碳比升高，在一定程度上影响了系统水平衡，导致尿素合成转化率降低。

2.3 第3阶段调整改进情况(2010年12月11日至2011年2月9日)

根据第2阶段调整和改进后存在的问题，制定了以下解决方案：水解塔顶部出气管气相调节阀增设76.2 mm(3″)副线，使气相全部进入解吸塔，进行热能利用和气相中水蒸气回收。2011年1月，利用尿素装置停车检修机会实施了该方案，彻底解决了第2阶段改造存在的问题。

2011年2月2日尿素装置开车后，在装置达设计产能的情况下，解吸/水解系统运行平稳，并将停车时排放在工艺冷凝液槽、碳铵液槽内约110 m3的碳铵液在几天内全部经解吸/水解系统处理后回收入尿素装置，最大解吸量达到约43 m3/h；特别是在2012年2月6日至8日，尿素装置超设计能力运行的情况下，解吸/水解系统运行稳定，废液中NH3和尿素含量都优于设计指标。解吸/水解系统72 h解吸进料及废液浓度见表2。

表2 解吸/水解系统72 h解吸进料及废液浓度

项 目实测值设计指标解吸进料 NH3质量分数/%5.68～8.743.93 CO2质量分数%3.19～4.122.53 尿素质量分数%1.18～1.231.27解吸废液 NH3质量分数/(×10-6)0.68～3.40≤5.0 尿素质量分数/(×10-6)0.05～0.20≤5.0

通过2年多的调试运行，解吸/水解系统负荷最高可达41～43 m3/h，既满足了生产的需求，又能完全满足装置在异常情况下的废水处理能力。

3 效益分析

3.1 经济效益

按尿素装置CO2负荷量为21 500 m3/h(标态)，解吸/水解系统处理含NH3和CO2的工艺冷凝液，加入0.4 MPa及2.5 MPa蒸汽，送出解吸废液和碳铵液(回流液)。解吸/水解系统物料平衡见图1。在系统工况稳定的情况下分析取样，满负荷运行时解吸/水解系统数据见表3。

图1 解吸/水解系统物料平衡

表3 满负荷运行时解吸/水解系统数据(平均值)

项 目实际组分质量分数流量/(m3·h-1)净水(解吸废液) NH31.3×10-644 尿素0.2×10-6碳铵液(回流液)1) NH333.70%6.07 尿素25.47%

注：1)此处碳铵液指出解吸水解系统、送主装置循环段部分回收的回流液。

从表3中数据得出：每小时回收净水44 t，NH32.291 t，CO21.732 t；以年运行330 d、吨氨2 500元、CO2120元/t、净水3元/t计，则年产生效益4 770.49万元，经济效益可观。由于玖源公司生产的NH3和CO2均过剩，如把回收的CO2用于尿素装置扩大产能，以生产成尿素计，则经济效益更大。

3.2 节能环保及社会效益

(1)通过设备和技术改进后，尿素装置正常运行情况下，氨氮质量分数均控制在≤50×10-6，尿素装置排放口排污量≤3 m3/h；经解吸/水解系统解吸后废液中NH3和尿素质量分数均控制在≤5×10-6，达到了环保要求，杜绝了环境污染问题，确保尿素装置正常运行。

(2)尿素装置产生的含NH3和CO2的工艺冷凝液经解吸/水解系统处理后，各项指标大大优于设计值和排污要求。处理后的浓碳铵液回收至尿素装置低压循环系统用于生产尿素，处理后的解吸废液全部回收至循环水系统，年减少废水排放量237 600 m3。

(3)通过对解吸/水解系统的优化调整和改进，大幅减少了解吸/水解系统废水和大气污染物的排放量，并得到了回收再利用，达到了降低成本、节能减排的目标和要求。