CO2汽提法尿素装置热能回收的一些认识

[甘肃刘化(集团)有限责任公司，甘肃 永靖 731603]

在尿素生产过程中，尿素混合液需用蒸汽加热进行分解，而分解产生的大量高温气体，需用循环水冷却，并最大化地对物料进行回收以降低消耗。CO2汽提法尿素装置生产过程中有很大一部分热能没有得到回收利用，而是依靠循环水(冷却)将其带走，造成了热能的较大浪费。同时，大量的热能被循环水带走，使冷却水温度升高，造成了冷却设备列管的结垢，影响其换热效果。如果长时间运行，对产生结垢的设备不做清洗处理，结垢会越来越严重，甚至于最终将冷却设备结垢堵死而不能使用。冷却设备结垢后处理困难，需经过较长时间的化学清洗才能清除，这样又会造成设备不同程度的腐蚀；化学清洗次数越多，对设备的腐蚀就越严重。在CO2汽提法尿素装置中，热能的回收和设备的结垢问题主要体现在脱氢单元和高压调温水单元。笔者结合实际生产情况，谈谈对CO2汽提法尿素装置生产过程中热能回收的一些认识。

1 脱氢单元热能回收利用

由于CO2汽提法尿素装置采用脱氢技术，其流程为，CO2压缩机五段出口送来的110 ℃左右的CO2气体，经CO2加热器用2.5 MPa的蒸汽加热至活性温度150 ℃后，进入脱氢反应器；出脱氢反应器的CO2气体温度上升到180 ℃左右，经CO2冷却器用循环水冷却至120 ℃左右，再进入CO2汽提塔。CO2冷却器为U形管式，CO2气体走管程，循环水走壳程。在生产中，CO2气体被循环水冷却后，冷却水回水温度大幅升高，管间结垢严重，冷却效果降低。为此，需利用停车机会，多次对CO2冷却器进行化学清洗；由于管间靠近中心位置结垢严重，化学清洗作用不大，只是将管间外侧的结垢清洗掉，投运半年后，即会使冷却水主副线阀全开，而冷却后的CO2气体温度仍高于120 ℃。为能更好地回收这部分热能，以降低系统蒸汽消耗和冷却水消耗及减缓冷却设备的结垢，可对CO2脱氢单元进行如下改造。

1.1 增加CO2气-气换热器(图1)

CO2压缩机五段出口送来的110 ℃左右的CO2气体，先进入CO2气-气换热器，与脱氢反应器出来的高温CO2气体换热后，进入CO2加热器，利用2.5 MPa的蒸汽加热到150 ℃后，再进入脱氢反应器进行脱氢反应；温度升高到180 ℃后，进入CO2气-气换热器与压缩机五段出口来的CO2气体换热后，再进入CO2冷却器，进一步降温到120 ℃后进入CO2汽提塔。

图1 增加CO2气-气换热器后脱氢单元流程

该流程利用脱氢后180 ℃的CO2气体加热110 ℃的进料CO2气体，使其温度上升，减少CO2加热器加热所需蒸汽用量，同时使出脱氢反应器180 ℃的CO2气体被110 ℃的CO2气体冷却，减少CO2冷却器冷却水的用量，达到节能降耗的目的。CO2气体温度降低后，可以减缓冷却设备的结垢，减少冷却设备的化学清洗，减缓设备的腐蚀和节省检修费用。该流程中CO2加热器用于开车之前催化剂的升温和后期催化剂活性降低后的加热。

该流程适用于新上装置；对于已上脱氢系统的装置，据现场具体情况，CO2气-气换热器可以安装于CO2加热器前或者CO2加热器后，均可以达到节能降耗的目的。

1.2 副产低压蒸汽

在生产中缺少蒸汽的单位，CO2冷却器可以使用蒸汽冷凝液或解吸废水作为冷却介质，产生0.4～0.5 MPa的低压蒸汽，以供生产系统使用。该低压蒸汽还可以用于蒸汽型溴化锂制冷机组，产生低温冷却水，用于蒸发系统一、二段冷凝器，可确保蒸发系统真空度的稳定，进而确保成品尿素的质量；或者将低温冷却水外送用于其他冷却设备。

1.3 副产低温热水

CO2脱氢产生的热能，可以用来加热锅炉给水，提高锅炉给水温度，减少锅炉用煤量，起到节煤的作用；也可以用来进一步地加热蒸汽冷凝液，提高温度后回收至锅炉使用；还可以产生热水，用于热水型溴化锂制冷机组，产生低温冷水。

2 高压调温水热能回收利用

在CO2汽提法尿素装置中，高压洗涤器冷却器采用高压调温水进行冷却，而高压调温水经循环水冷却降温后循环使用。其流程为，高压调温水经高调水泵增压后，经高调水冷却器换热，控制温度在110～120 ℃之间，进入高压洗涤器冷却器，经换热后温度升高到135 ℃以上，再返回到高调水泵进口循环使用。

高压调温水经高调水冷却器冷却过程中，由于其温度较高，循环水在冷却器列管中易结垢，降低冷却效果，影响系统的长周期稳定运行；且冷却器列管结垢后工艺处理困难。高压调温水回水温度在135 ℃以上，用循环水冷却至110～120 ℃之间，需用大量的循环水进行冷却，大量的热量由循环水带走，循环水温度升高，造成循环水及热能的浪费。

在实际生产中，当生产负荷较低时，低压汽包需补入大量的蒸汽，用以控制低压汽包的压力，来满足生产系统的需要；当高负荷生产时，低压汽包压力较低，精馏塔出口尿液温度较低，加热蒸汽主副线阀全开，温度仍达不到控制指标，精馏效果降低，影响蒸发系统的操作。为此，对高压调温水的这部分热能加以回收利用，在尿液进循环加热器前增加热能回收段，用高压调温水加热循环加热器进口尿液，以减少低负荷时的蒸汽用量；而高负荷时可加热尿液，提高精馏效果，稳定蒸发系统的操作。同时，可减缓冷却器结垢，减少循环水带走的热量，进而减少循环水用量。

增加热能回收段后具体的流程如图2所示。高压调温水经高调水泵增压后，经高调水冷却器换热，控制温度在110～120 ℃之间，进入高压洗涤器冷却器后，温度升高到135 ℃以上，再进入循环加热器热能回收段加热尿液，高压调温水温度降低到110～120 ℃后，回到高调水泵进口循环使用。

在CO2汽提法尿素装置中，如果采用脱氢系统，原料CO2气体中的H2含量降至50×10-6以下，尾气中H2含量低，在爆炸限以外，装置运行安全，高压调温水温度可以降至90～100 ℃之间，而此时回水温度降至120～130 ℃之间，则利用高压调温水加热尿液，没有多大的利用价值。如果没有采用脱氢系统，原料CO2气体中的H2含量在0.5%～1.0%(V)之间，尾气

图2 增加热能回收段后高压调温水流程

中H2含量较高，在爆炸限以内，为了装置的安全运行，高压调温水温度控制在110～120 ℃之间，此时回水温度在135 ℃以上，利用它加热尿液，具有一定的利用价值。

3 结 语

在CO2汽提法尿素装置中，各冷却设备均通过循环水换热，某些物料工艺上要求换热后温度较高，这将会使换热后循环水温度较高，导致冷却设备内结垢，影响换热效果，进而影响到系统的稳定运行。在实际生产中，据具体情况，对换热后工艺上要求温度较高的物料，应对该部分热量予以回收，以达到节能降耗的目的。以上是笔者对实际生产中装置热能回收的一些认识，期待与同行们进行交流，如有不足之处，请指正。