CO2汽提与氨汽提尿素生产工艺的比较

张 龙 蔡京荣

CO2汽提与氨汽提尿素生产工艺的比较

张 龙 蔡京荣

(山西阳煤丰喜泉稷能源有限公司山西运城043200)

国内尿素生产工艺主要是在引进CO2汽提和氨汽提工艺的基础上，经多年消化和吸收，并根据实际情况加以适当改进，形成了目前以这2种工艺为主的格局。笔者根据在山西阳煤丰喜肥业(集团)有限公司临猗分公司四分厂和山西阳煤丰喜泉稷能源有限公司尿素装置建设、运行中总结出的经验，对这2种生产工艺进行客观分析和比较，以期能为新建大中型尿素装置选择工艺路线、可靠性、运行经济性等方面提供参考。

1 工艺特点分析

CO2汽提工艺主要由CO2压缩、合成系统、低压循环系统、蒸发系统、解吸水解系统、造粒系统等工序组成，具有以下特点：①合成回路中氨过剩量低，合成塔氨碳比为2.95～3.10，操作压力较低；② 用CO2作为汽提剂，汽提效率较高，汽提后的溶液只需一次减压至低压分解系统，工艺流程简短；③合成系统压力低，减少了原料气输送能耗，汽提效率高，低压系统返回合成回路的循环甲铵液量少，减少了循环甲铵液的输送功，故整体工艺动力消耗较低；④原料CO2气进行脱氢处理，具有较高的工艺安全性。

氨汽提工艺主要由CO2压缩、尿素合成、氨气汽提、中压分解与循环回收、低压分解与循环回收、蒸发造粒等工序组成。相对于CO2汽提法，由于增加了中压循环系统，工艺流程较长，因此工艺设备较多。

2 工艺比较

2.1 合成工艺

操作温度、操作压力、氨碳比、水碳比等因素在不同程度上影响着CO2转化率。CO2转化率随氨碳比的上升而上升，随水碳比的上升而下降。

氨汽提工艺中的氨碳比和操作温度均比CO2汽提工艺高，因而有较高的CO2转化率；但正是由于氨汽提工艺有较高的氨碳比，使其操作温度和压力都较CO2汽提工艺要高，因此，氨汽提塔不得不使用特殊材质，并且需要增加中压分解和回收工段，使得工艺流程复杂，设备数量较多，给操作管理带来诸多不便，易造成事故和停车。目前，国内CO2汽提工艺正努力通过提高氨碳比以提高CO2转化率，而氨汽提工艺则着重延长物料在合成塔中的反应时间以提高转化率。2种尿素生产工艺比较见表1。

表1 2种尿素生产工艺比较

2.2 工艺布置

CO2汽提工艺由于高压圈等压操作，物料依靠重力流动，高压框架高达50 m，优点是占地面积小；而氨汽提工艺则只需采用平面布置，优点是检修和操作方便，缺点是占地面积相对较大。

2.3 设备和材料腐蚀

CO2汽提工艺最可能产生腐蚀的是高压圈设备和水解塔，而氨汽提工艺除以上设备外，中压分解系统的设备也易发生腐蚀。CO2汽提工艺的尿素合成塔使用寿命一般在19～25年，CO2汽提塔使用寿命一般在17～21年，而氨汽提工艺的汽提塔使用寿命在15年左右。

3 工艺运行

3.1 工艺稳定性

这2种尿素生产工艺经过多年的吸收、消化和发展，目前都趋于成熟，具有较高的稳定性。长周期稳定运行、装置运转率、年产量、消耗等指标主要取决于煤、水、电等能源的优势和管理水平。

3.2 加氧量

CO2汽提工艺规定加入系统的氧量达到0.60%(体积分数，下同)能保证尿素装置的正常操作；尽管氨汽提工艺的加氧量只有0.35%～0.45%，但根据生产实践来看，氨汽提塔的腐蚀情况较严重，需在塔底增加1台空气压缩机，以弥补加氧量低带来的不足。

3.3 工艺安全性

CO2汽提工艺设置了CO2脱氢工序，尾气中不再含氢，从根本上消除了可能产生爆炸的危险；而氨汽提工艺的中、低压尾气的组分处于爆炸区间，存在爆炸隐患。

3.4 操作弹性

CO2汽提工艺操作弹性较低，系统需在60%以上负荷条件下运行，但开车及稳定工艺的时间短；氨汽提工艺的操作弹性较大，系统可在40%负荷条件下运行，装置开车平稳，但需要较长的时间，工艺操作回路多，在气温较高的生产工况下，中压系统操作不稳定，易引起停车。

3.5 开车条件

氨汽提法投料前对高压系统的温度和压力有较高的要求(160 ℃，9.0 MPa)；CO2汽提法只需在常压条件下升温至130 ℃即可投料开车，相对比较容易操作。

3.6 消耗指标

在系统正常运转的条件下，CO2汽提和氨汽提工艺的吨尿素氨耗、冷却水消耗和蒸汽消耗相差不大。由于CO2汽提工艺的循环量小，合成操作压力稍低，吨尿素电耗比氨汽提工艺稍低。

3.7 高压氨泵对工况的影响

早期的CO2汽提法在装置界区内未设置氨储罐，液氨直接由合成氨单元引至尿素界区高压氨泵进口，由于工艺波动时的缓冲能力差，因而氨泵的异常波动对整体工况影响较大；目前的CO2汽提法经过改良，大多增设了氨储罐及缓冲槽，以减轻氨泵异常带来的影响。相对而言，氨汽提法由于设有中压系统、氨储罐，氨泵异常对整体工况影响较小，也易于在线倒氨泵，因而整体上比CO2汽提工艺容易操作。

3.8 缩二脲含量的控制

缩二脲是在尿素生产过程的各个工序均会生成的一种副产物，其含量控制的好坏直接决定着产品的优级品率和经济效益。在正常情况下，上述2种尿素生产工艺均可将产品中缩二脲含量控制在指标范围内，但在工况波动的情况下，2种工艺对缩二脲含量的控制各有侧重点。

CO2汽提法主要通过以下措施来控制缩二脲含量：①在不降低汽提效率的前提下，尽量降低汽提塔出口的尿液温度；②严格控制氨碳比在3.1～3.2；③尽量控制汽提塔在液位低限运行；④尽量维持蒸发加热器在温度低限运行；⑤控制生产负荷在70%以上。

氨汽提法主要通过以下措施来控制缩二脲含量：①提高氨碳比；②维持一、二段蒸发加热温度在低限操作；③降低各工序储罐液位；④及时处理尿液贮槽液位；⑤定期热洗蒸发系统设备内积存的缩二脲。

4 结语

综上所述，2种尿素生产技术虽各有优劣，但都是目前先进的生产工艺。从投资方面相比，CO2汽提工艺由于设备台数少，比氨汽提工艺略有节省；而氨汽提工艺则采用平面布置，便于检修和操作，且具有较高的合成转化率。新建装置可根据实际情况，结合2种工艺的优缺点选择合适的工艺路线。

2016- 02- 18)