CO2汽提法尿素装置存在问题的分析及对策

廖容波，沈永伦

(1.北京众联盛化工工程有限公司 北京 100101；2.湖北三宁化工股份有限公司 湖北枝江 443206)

CO2汽提法尿素装置存在问题的分析及对策

廖容波1，沈永伦2

(1.北京众联盛化工工程有限公司 北京 100101；2.湖北三宁化工股份有限公司 湖北枝江 443206)

介绍了采用中压分流技术改造后的二氧化碳汽提法尿素装置的运行状况，通过对运行中存在问题的分析和比较，找到汽提效率下降、甲铵液循环量低是造成尿素装置产量下降、中压系统甲铵液温度高、无法提高负荷的主要原因，并提出切合实际的解决方案和建议措施。改造后，尿素产量达到1 705 t/d，吨尿素氨耗降至572 kg，汽提效率达到80%以上。

二氧化碳汽提法；汽提效率；甲铵液浓度

湖北三宁化工股份有限公司(以下简称湖北三宁公司)300 kt/a尿素装置始建于2007年，采用国产CO2汽提工艺。2014年初，为了匹配合成氨装置的增产改造，采用中压分流技术对该套尿素装置进行增产50%的技术扩能改造，即在传统CO2汽提工艺的高压系统和低压系统之间增设中压分解吸收系统、改二段蒸发为三段蒸发、增设预蒸发真空浓缩系统，充分利用中压分解的热量，使尿素产量达到1 750 t/d[1]。改造实施后，由于当时尿素市场不太景气而液氨紧俏，故湖北三宁公司决定降低尿素装置产量，维持在1 500 t/d左右的低负荷下运行。自2014年9月开始，液氨价格逐步下降，而尿素价格相对稳定，但尿素装置产量无法提高，只能维持在1 500 t/d左右。

1 存在的问题

当尿素产量达1 550 t/d时，整个尿素装置会偏离正常操作指标：氨耗较高，严重时吨尿素氨耗达590 kg；高压、中压以及低压系统会出现超温现象。

1.1 高压系统

高压汽提后的尿液温度偏高，严重时超过175 ℃，汽提效率下降(70%～72%)，尿液含氨质量分数达11.2%，高压洗涤器后的放空阀开度增大。尿素装置高压系统运行参数对比见表1。

表1 尿素装置高压系统运行参数对比

项 目设计值湖北三宁公司华鲁恒升公司尿素日产量/t180015241750汽提塔出液温度/℃168.1172.5166.9汽提塔出液w(NH3)/%7.711.7汽提效率/%8070.88合成塔下液温度/℃182.8183.5182.7高压喷射器出口压力/MPa14.514.3614.40放空阀开度/%48.720.0

由表1可看出：湖北三宁公司尿素装置在产量未达设计值的情况下，汽提塔出液温度过高，汽提效率低(比设计值低8%～10%)，造成汽提后尿液中甲铵不能有效分解为氨和二氧化碳并使氨从尿液中逸出[2]，进而导致尿液温度不能有效降低，而华鲁恒升公司尿素装置的运行参数与设计值吻合得比较好。汽提塔出液温度高，还会造成高压设备的腐蚀速率加快，须在原料气中加入更多的氧用于防腐钝化，使原料气纯度下降，进而影响尿素转化率，形成恶性循环。

1.2 中压系统

中压甲铵液超温，甚至达到112 ℃，造成高压甲铵泵和高压管线腐蚀，尿液中镍含量超标，中调水有时无法降低中压甲铵液的出液温度；另外，高压甲铵泵容易出现气蚀现象，打不上量，导致中压甲铵冷凝器液位较高，甚至出现满液状况。尿素装置中压系统运行参数对比见表2。

表2 尿素装置中压系统运行参数对比

项 目设计值湖北三宁公司华鲁恒升公司中压分解塔出液温度/℃160151.0149.4中压分解塔出气温度/℃130135.5130.0中压甲铵液出液温度/℃10099.497.0中调水进口温度/℃8587.793.0中调水流量/((m3·h-1)90012251376中调水温差/℃1024热负荷/(MJ·h-1)36.210.323.0

由表2可看出，湖北三宁公司尿素装置中压系统甲铵冷凝器的热负荷只有华鲁恒升公司的50%，仅为设计值的1/3。从现场反馈情况来看，当华鲁恒升公司尿素装置达到设计产量时，中调水温差为6 ℃，为设计值的90%；当尿素产量为1 750 t/d时，中压系统表现得非常轻松。但湖北三宁公司尿素装置的中压系统加不上负荷，中压甲铵液温度高，降低中调水进口温度，中调水出口温度随之降低，温差始终无法拉开，造成此现象的原因可能是中压甲铵液浓度太高。中压甲铵液组成分析结果见表3。

表3 中压甲铵液组成分析结果

项 目设计值湖北三宁公司山西某企业w(NH3)/%3639.0033.67w(CO2)/%4141.336.8操作温度/℃10599.485.0结晶温度/℃90～9195～9668氨碳比2.272.442.36

由表3可知：湖北三宁公司尿素装置的中压甲铵液浓度太高，达到饱和状态，甲铵溶液的相区进入等温线，接近结晶温度，即使降低中调水进口温度，也不会降低甲铵液出口温度，且可能造成甲铵结晶而堵塞中压甲铵冷凝器；相比之下，山西某企业类似尿素装置的甲铵液浓度低得多，其操作温度只有85.0 ℃，由于结晶温度仅为68 ℃，所以其操作稳定、相对安全。只有降低中压甲铵液的浓度，才能降低操作温度，根据操作手册和实践经验，中压甲铵液的操作温度比结晶温度高10 ℃为宜，且不超过100 ℃[3]。

1.3 低压系统

低压系统主要表现为低压甲铵液温度高(80.2 ℃)，低压放空量大且超压；氨水槽中w(NH3)达11.7%，尿素成品中w(缩二脲)达1.0%。尿素装置低压系统运行参数对比见表4。

表4 尿素装置低压系统运行参数对比

项 目设计值湖北三宁公司华鲁恒升公司低压甲铵液出液温度/℃69.580.270.6低压甲铵冷凝器压力/MPa0.220.330.30放空阀开度/%9180低调水温差/℃7.27.4稀氨水w(NH3)/%9.911.73尿素成品中w(缩二脲)/%0.90.960.85

由表4可看出，低压系统的主要问题是低压冷凝系统压力高、温度高、尾气放空量大，由此可以推断低压系统负荷过重，在高压系统和中压系统中未分解的甲铵转移至低压精馏塔分解，产生大量的氨和二氧化碳，导致低压甲铵冷凝器无法吸收，进而造成低压甲铵液浓度高，结晶温度和操作温度相应提高，这也是导致氨水槽中氨含量高的主要原因。

2 影响因素分析

2.1 汽提效率

(1)影响汽提效率的重要因素之一是温度。由于尿液中游离氨的蒸发和甲铵的分解需要足够的热量，而且必须保证汽提塔内物料始终保持熔融状态，要求壳程蒸汽温度尽可能高，设计要求汽提塔壳程操作温度214 ℃、操作压力2.0 MPa。从湖北三宁公司现场操作反馈来看，高压汽包操作压力2.14 MPa，可推断出温度不是影响汽提效率的主要因素。

(2)影响汽提效率的另一个重要因素是汽提塔的液相分布。若汽提塔分布器上Φ2.5 mm分布孔发生堵塞，则会引起尿液分布不均，造成偏流，致使尿液在汽提管上无法均匀成膜，最终导致汽提效率下降、设备腐蚀。从湖北三宁公司现场情况分析，由于中压甲铵液温度高，高压甲铵泵的填料经常损坏，而且高压甲铵泵出口过滤器的丝网也经常出现脱落，特别是3#甲铵泵的出口没有配置高压过滤器，因此，很有可能是损坏的填料堵塞汽提塔分布器，进而影响汽提效率。

(3)液氨带油或压缩机带油也有可能造成液体分布器分布孔堵塞。因为润滑油在高温下会分解为重油和炭黑，黏稠的重油和炭黑会附着在分布孔上，但这是一个很漫长的过程。通过现场分析，液氨和五段出口的二氧化碳气体中未检测出油含量，因此该因素影响不大。

2.2 甲铵液循环量

影响甲铵液温度的重要因素是浓度，甲铵液浓度高则结晶温度高，操作温度随之升高。降低中压甲铵液浓度有以下2条途径：①降低中压系统负荷，但从湖北三宁公司尿素装置中压甲铵冷凝器的热负荷可看出，当前的中压系统问题是加不上负荷，而不是负荷过重；②增大甲铵液的循环量，将低浓度的低压甲铵液打入中压系统，将更多的中压甲铵液注入高压系统参与合成反应，以降低中、低压系统甲铵液的浓度和操作温度。尿素装置甲铵液循环量见表5。

表5 尿素装置甲铵液循环量

项 目设计值湖北三宁公司华鲁恒升公司尿素日产量/t180015241750中压甲铵液循环量/(m3·h-1)0.780.5660.727低压甲铵液循环量/(m3·h-1)0.460.350.44吨尿素氨耗/kg575582572

由表5可知，湖北三宁公司尿素装置的甲铵液循环量偏小。从表3可知，低压甲铵液的温度高，可推断出低压甲铵液浓度高且循环量小，低压甲铵液进入中压系统后，很快就达到饱和，造成中压甲铵冷凝器无法将中压分解塔分解的氨和二氧化碳进行有效吸收，造成中压系统加不上负荷。由于中压甲铵液浓度高(达到饱和)，中压甲铵冷凝器操作温度随之升高。高压甲铵泵是三缸往复泵，泵进口压力呈现脉冲波动，饱和状态的甲铵液容易在泵入口汽化，造成泵气蚀而无法打量。另外，大量未经吸收的工艺气体直接进入低压系统，造成低压系统负荷加重、放空量大的恶性循环。

3 解决方案

3.1 设备和管道检修

2014年11月底，湖北三宁公司尿素装置进入停车检修阶段，开塔检查，发现汽提塔分布器堵满了填料碎屑，于是立即组织人员对填料碎屑进行了清理；更换了现有甲铵过滤器的滤芯，3#甲铵泵出口增设高压过滤器；在总管上设置1台高压过滤器，防止填料碎屑进入高压系统；高压甲铵泵改用品质更好的填料，确保甲铵泵稳定运行。

3.2 调整操作参数

结合设计参数，在尿素装置稳定运行的情况下，逐步增大甲铵液循环量，降低中、低压甲铵液浓度，扩大中压甲铵液与低压甲铵液的浓度梯度，以便提高中压系统的吸收能力，降低中、低压甲铵液的操作温度，进而提高中压系统的负荷，以达到增产目的。

4 改造效果

通过上述设备检修和操作参数的调整，湖北三宁公司尿素装置的尿素产量立即达到1 632 t/d，2周后产量达到1 705 t/d，吨尿素氨耗降至572 kg，汽提效率达到80%以上，中压甲铵液质量分数下降了2%～3%，中压甲铵液操作温度下降了2～3 ℃，低压甲铵液操作温度下降了3～4 ℃，氨水槽含氨质量分数降至7%～8%。

5 结语

(1)继续增大中、低压甲铵液的循环量对合成塔转化率影响不大，而且能够让更多的甲铵液参与高压合成反应，不仅提高了中压系统的吸收能力、降低了中压甲铵液的结晶温度、增大了中压系统的操作弹性，而且可降低水解系统的负荷。

(2)由于当前合成塔出液含氨质量分数只有7.0%～7.5%，低于设计值(8.0%)，而且汽提效率达到80%以上，说明汽提时尿液中没有足够的氨挥发出来吸收热量以降低尿液自身温度。因此，可适当增加高压系统的氨量，即增大氨碳比，既可保持合成塔有较高的转化率，又可降低汽提塔的出液温度。

[1] 廖容波，张路军.CO2汽提尿素装置扩能改造总结[J].化肥工业，2014(4)：37- 41.

[2] 大连工学院.日产千吨合成氨厂——二氧化碳气提法尿素生产工艺[M].北京：石油化学工业出版社，1978.

[3] 钱镜清.水溶液全循环工艺尿素装置操作指南[M].上海：全国化肥工业信息总站，1999.

Analysis of Problems of Urea Unit Adopting Carbon Dioxide Stripping Process and Countermeasures

LIAO Rongbo1, SHEN Yonglun2

(1.Beijing Zhongliansheng Chemical Engineering CO., Ltd. Beijing 100101；2.Hubei Sanning Chemical Industry Co., Ltd. Hubei Zhijiang 443206)

An introduction is given of operation conditions of urea unit adopting carbon dioxide stripping process after renovation with technology of medium pressure shunt, by analysis and comparison, it is found that drop of stripping efficiency and low circulating rate of ammonium carbamate solution are the main causes of decrease in production of urea unit, high temperature of ammonium carbamate solution of medium pressure system and unable to increases load, and practical solutions and recommended measures are suggested. After the revamp, urea production reaches to 1 705 t/d, the ammonia consumption per ton of urea reduces to 572 kg, stripping efficiency is higher than 80%.

CO2stripping process; stripping efficiency; concentration of ammonium carbamate solution

廖容波(1981—)，男，工程师，从事化工工艺设计；liao12837@163.com

TQ441.41

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1006- 7779(2017)01- 0046- 03

2015- 05- 11)