造粒烟囱排放中氨含量偏高的原因

2020-05-15徐金鑫

化工设计通讯 2020年3期

徐金鑫

（中海石油化学股份有限公司海南基地，海南东方 572600）

中海化学富岛有限公司化肥二部尿素装置设计生产能力在2700t/日尿素，年生产能力为800kt/a 尿素，工艺生产采用Stamicarbon 的CO2汽提技术。随着国家对环境污染的高度重视，国家根据《中华人民共和国大气污染防治法》第七务的规定，针对工业排放中33种大气污染物的排放限值，指标体系（最高允许排放浓度、最高允许排放速率和无组织排放监控浓度限值）等参数，制定了相应的更为严格的排放标准。

根据最新的大气污染物排放标准，结合二部尿素生产特点，规定二部尿素造粒烟囱527L 的最新厂控指标为：尿素粉尘≤50mg/m3，氨含量为≤94.67mg/m3。而实际生产中，造粒烟囱527L 所排出废气的氨含量在最新的排放标准下存在多次检测超标的现象，这无疑是对本公司尿素装置的废气排放提出了更为严格的要求。

经过部门技术人员对工艺生产的多次调整和优化后，造粒烟囱527L 排放尾气氨含量偏高的问题得到了很好的解决，在每月一次的分析频率下已无检测超标的现象。不仅满足了工业生产的最新排放要求，同时也大大提高了工艺生产效率。本文将针对造粒烟囱尾气排放氨含量偏高问题以及优化措施进行简要分析。

1 工艺概述

造粒烟囱527L 主要收集来自于造粒系统中造粒机以及各个冷却器和动设备的尿素粉尘，同时在它排入大气之前要经过洗涤系统进行洗涤，因此造粒烟囱527L 中氨含量的来源主要集中于洗涤液和尿素粉尘中，烟囱尾气排放中氨含量的多少都将会受到尿素装置前系统或多或少的影响。

而造粒洗涤系统通过风机将收集的含有尿素粉尘的排放空气径向导入洗涤器形成一个圆柱形的罩子并向下流，利用来自水解解析系统的再循环尿液不断从顶部喷洒，吸收粉尘。空气流倒流，然后流向中间排放口，通过旋转叶片的离心作用，液滴聚集。液滴通过中间降液管由于重力作用回到液相，而干净的空气通过504J、507J 抽到造粒烟囱527L，最终排放到大气中。

2 造粒烟囱排放中氨含量偏高的原因及优化措施

2.1 调整高压系统合成段氨碳比

本公司尿素装置在高压系统合成段主要包含尿素合成过程的两步反应。第一步，氨和二氧化碳反应生成氨基甲酸铵：

这是一个强的放热反应，并很快能达到平衡。第二步，在液相中，氨基甲酸铵分解为尿素和水：

这是一个吸热反应，相对于第一个反应来说进行得很慢。

其中高压系统合成段中有一个主要变量就是氨和二氧化碳的摩尔比，在生产中，氨/碳一般是以N/C 表示而不是NH3/CO2。选择一个合适的氨碳比，以便尿素合成反应在CO2-NH3的气液平衡图中的顶脊线附近的最佳工况下进行，从而减少工艺生产中游离氨的量就显得尤为重要。

考虑到有利的方面和不利的方面，在高压系统合成段压力在13.5～14.5MPa（g）下提供给高压系统中合成塔301D 的氨和二氧化碳的组成要位于顶脊线上，在合成塔最高温度附近，组分对温度的影响并不是很大，可接受的氨碳比主要在2.90～3.10。根据生产实际操作数据（见表1）来看，高压系统合成段氨碳比一直处于3.1以上。因此，降低高压系统合成段氨碳比，将其尽量控制在3.1左右，不仅能降低整个尿素装置中氨的加入量，同时也减少了工艺液中游离氨的存在，保证了尿素生产中游离氨含量不至于过高。

表1 2019年生产实际操作数据

2.2 调整预蒸发、蒸发系统的负压

预蒸发、蒸发系统主要作用在于将前系统送来的水/尿液混合物进行进一步浓缩，最后送入造粒系统。而预蒸发、蒸发系统通过蒸汽喷射器/冷凝器系统获得真空，从而在真空的作用下，抽走多余的氨和水分。

预蒸发系统主要是用于分离尿液中的氨，正常情况下，含有72%（wt）的尿液进入预蒸发系统，其工作压力为35kPa（a），将尿液提浓至76.2%（wt），而氨含量也从最开始的10%（wt）降低至0.1%（wt），这样的结果便是减轻了蒸发系统的负荷。而蒸发系统主要是分离尿液中的水，同时将尿液中氨含量从0.1%（wt）降低至0.06%（wt）。因此，经过实践分析，适当提高预蒸发、蒸发系统的负压，对于降低尿液中游离氨是起到一定的帮助作用的。

2.3 调整UF系统的液氨加入量

尿素UF 系统是由尿素和甲醛溶液在551D 内提前进行搅拌混合后，再送往造粒系统。液氨作为UF 系统的重要添加剂，它不仅可以调节UF 系统中尿素与甲醛聚合反应液的pH，为其提供一个良好的碱性环境，同时还能控制尿素与甲醛的聚合反应速率。其中尿素与甲醛的聚合反应主要分为羟基化加成反应和亚甲基化缩合反应。

第一步，在碱性加热条件下，羟基化加成反应：

第二步，在酸性条件下，尿素与羟基化加成反应产物继续发生亚甲基化缩合反应放出热量，亚甲基化缩合反应：

因此当UF 系统中加入过多的液氨后，不仅会影响尿素与甲醛的聚合反应，而且还将导致送入造粒系统的尿素混合液含有过高的游离氨，这都将最终去到造粒烟囱527L，影响尾气排放中氨含量数值的大小。

2.4 投用水甲醛混合器

除氨系统中，大约50%的甲醛溶液，通过管道混合器514L2用大约1500kg/h 的除沫水来稀释，通过一个16个喷嘴的系统（180°空心椎体）喷在造粒机洗涤器的进口与尿素粉尘混合。

而尿素粉尘中的游离氨在与水甲醛混合后，氨溶于水中和甲醛发生放热反应生成六亚甲基四胺，俗称乌洛托品：

这样在水甲醛的作用下，排放尾气中大部分的游离氨被除去，在风机504J、507J 的作用下，排放入造粒烟囱527L 的尾气氨含量将大大减少。

2.5 调整造粒洗涤系统的溶液温度

温度对氨在溶液中溶解度（图1）的大小影响明显，随着溶液温度的升高，氨的溶解度大幅减小。因此，温度越高则气相中游离氨的含量也就越高，以至于送入造粒烟囱527L 的排放尾气中游离氨含量也就越多。

图1 氨在溶液中的溶解度曲线

造粒洗涤系统的溶液温度现场显示值在48℃左右，温度高不仅增加了氨的挥发，同时在造粒洗涤系统的负压环境下，气相中的游离氨在设备中的停留时间较短，将很快被抽走送入造粒烟囱527L 中，因此洗涤液在短时间内的吸收并不彻底。通过外接脱盐水管至造粒洗涤系统内，以达到降低溶液温度的目的，从而提高氨的溶解度减少气相中游离氨的含量。