运用夹点技术优化尿素装置换热网络

王焰

摘 要：二氧化碳汽提法尿素生产装置是上世纪70年代引进的，其工艺依然是主流的尿素生产工艺之一。运用夹点技术分析尿素装置的换热网络，依据夹点三原则，找出不合理换热网络配置，提出改进不合理的公用工程布置建议，优化换热网络和装置用能，降低尿素装置能耗。

关键词：二氧化碳汽提工艺;夹点技术;换热网络;公用工程

1 引言

夹点技术是林霍夫（Linnhof）在二十世纪八十年代早期推行提升生产装置热集成的一种优化方法，适用于过程系统的设计和节能改造。本文通过例举夹点技术分析装置的现实用能情況，为改进、完善装置合理用能，优化能源配置提供了充足的理论支持。

2 工艺流程概述

上世纪七十年代，我国引进了斯塔米卡邦二氧化碳汽提尿素工艺流程：原料氨经高压氨泵加压至16MPa进入氨预热器（102-C），预热至90℃左右，经高压液氨喷射泵进入高压甲銨冷凝器（202-C）。原料二氧化碳经压缩机升压到14.5MPa进入气提塔（201-C）底部。合成塔（201-D）混合反应物经漏斗形下降管分布到气提塔降膜管上，由二氧化碳气体在降膜管内的气提作用，降低溶液中氨含量。气提塔顶部气体经高压甲銨冷凝器，与二氧化碳和氨反应生成甲銨，释放热量达0.4MPa的低压蒸汽产生混合物进入合成塔，脱水生成尿素。气提塔的尿素溶液，再经精馏、蒸发造粒得到产品。高压系统尾气和精馏塔尾气，进入循环系统冷凝吸收，返回高压系统。工艺冷凝液经深度水解系统，汽提出氨、二氧化碳和尿素送至循环系统，废水达标后回收至快锅或供排水装置。

3 装置消耗情况

该装置设计吨尿素耗氨580kg、耗二氧化碳770kg、耗蒸汽1530kg、耗冷却水88m3、耗电20kW/h。

随着装置的技术改造升级，各项消耗逐步降低。其中以煤为原料：吨尿素耗氨571kg、耗二氧化碳767kg、耗蒸汽1271kg、耗冷却水90m3、耗电19kW/h;以天然气为原料：吨尿素耗氨579kg、耗二氧化碳767kg、耗蒸汽1299kg、耗冷却水90m3、耗电19kW/h。

4 运用夹点技术分析装置用能

夹点技术在尿素装置生产中的推广与运用，较好的整合了工艺物流选择、换热网络的确定、解析和改进等诸多节点要素。

4.1 工艺物流的选择

依据物流选择的准则，即有热量变化、无组分变化的准则，[1]遵照氮肥工艺设计，[2]气提法尿素工艺装置操作，[3]获得物流数据流程，共10组热物流和5组冷物流（见图1）。

4.2 换热网络的确定

夹点温差△Tmin取10℃，[4]按照问题表法，[5]算得夹点温度为127℃，即热流132℃、冷流122℃。

热流H5到热流H10温位较低，热流H4温位虽有118℃，但热量不高（流量较小），均采用公用工程冷却。热流H1和冷流C1之间、热流H3和冷流C4之间进行解吸、水解热量交换。

4.3 换热网络的解析

换热网络夹点温度为127℃，冷热负荷曲线最小加热公用工程QHmin=0.6MW，最小冷却公用工程QCmin=5.5MW。

运行中，夹点上、下不应设置任何公用工程冷却器，不应有跨越夹点的传热。夹点没有公用工程冷却器，符合三原则。反之，则违反了三原则。热流H1、H3和冷流C1、C4组成的换热回路存在问题，水解塔C-803出液设计温度190～195℃，换热器E-803设计热负荷3808kW，热流H1放出的热量为2296kW，冷流C1吸收的热量为1342.5kW。实际温度与设计温度误差较大，说明换热器内结垢较多，保温效果不好，冷热物流不匹配，热流H1放出的热量为2154kW，冷流C1吸收的热量为3150kW，出现矛盾。换热器E-802的进出物流温度是由热电耦测得，说明热电耦存在故障。

4.4 换热网络的改进

换热网络夹点之下有三个公用工程加热器，违反了夹点技术三原则。热流H2从132℃降到120℃放出热量6168kW，三股需加热的冷流C2从96℃到122℃、C3从113℃到122℃、C5从19℃到91℃，共需热量4887.4kW，理论上热流H2可以给三个加热器提供热量，实际换热网络可以改进简化（见图2）。

结合设备流程实际，冷流C2只需要增加401-CA的高压调温水（H2）流量即可实现;冷流C3原高压调温水（H2）因301-CA改造切断，将此恢复即可;冷流C5需要加配管线长度，将高压调温水（H2）引入换热器102-C。改进后，节约低压蒸汽4847kW、冷却公用工程用能3664kW。

5 装置实际用能研究

作为装置安全运行的基础保障，二氧化碳压缩机组表面冷却器、段间冷却器热能与多级喷射泵只能用公用工程冷却，二者冷却用能为56MW，装置总冷却用能为61.5MW。

5.1 生成尿素设备的需求

高压甲銨冷凝器是尿素生产的重要设备，氨和二氧化碳在此反应生成甲銨，少数热量用于甲銨脱水生成尿素（二氧化碳合成转化率为60%），多数热量可产生0.4MPa低压蒸汽46t/h，分别给蒸发一段、蒸发喷射泵、解吸塔供热保温，余数蒸汽注入透平节省中压蒸汽用量。

透平需中压蒸汽95t/h，抽出63t/h。其中60t/h给汽提塔提供动力，3t/h给蒸发二段供热，水解塔需中压蒸汽5t/h。装置用中压蒸汽87MW，抽出53MW供工艺使用，装置副产低压蒸汽35MW。

5.2 换热装置用能的优化

依照工艺要求，水解塔所用中压蒸汽改为2.4MPa蒸汽，可节约中压蒸汽139kW（约0.16t/h）。通过夹点技术改进不合理的换热设置，可节约0.4MPa蒸汽1637kW、0.17MPa蒸汽2210kW;401-C的0.4MPa用汽量由原来的1.37t/h降为0.26t/h;301-CA改用高调水可节约0.4MPa蒸汽（1.04t/h）注入透平。3t注汽热量相当于1t中压蒸汽热量，节约的2.15t/h注汽，可抵消0.72t/h的中压蒸汽消耗。水解塔改2.4MPa，优化管网蒸汽和换热网络可节约中压蒸汽0.88t/h，766kW的热量。

102-C改用高压调温水（H2）后，节约的3t/h0.17MPa蒸汽，由903-C回收再利用，减少冷却水能量消耗。202-C可产汽46t/h，0.4MPa管网流量62t/h，部分是903-F汽包0.9MPa冷凝液减压产生。应避免2.4MPa和0.9MPa管网蒸汽直接给0.4MPa蒸汽管网补汽，防范能量消耗。

氨泵液氨设计工况为压力2.4～3.4MPa、温度<40℃，实际液氨压力2.0MPa、温度24℃，可停用氨预热器，在液氨温度低于循环水温度时再启用，实现有效用能。903-C和101-C优化后，节约冷却水4017kW，换热网络优化节约3664kW，总计7681kW。

5.3 尿素装置现场的管理

通过装置现场的实际采数，查明许多管线只有外壳，内部保温不全，造成能量损耗;部分蒸汽管线疏水设备出现损坏缺失，导淋外排蒸汽等问题亟需解决。

6 结束语

改进后，中压蒸汽消耗从87MW降至86.2MW，冷却水从61.5MW降至53.8MW。热流H2（高压调温水）因二氧化碳中氢含量较低，其温度可以降到110℃甚至更低并可再利用。根据热量高热高用、低热低用、梯级利用的原则，运用夹点技术分析优化尿素装置换热网络，改进不合理用能，实现了降低消耗的目的。

参考文献：

[1] [英]伊恩C.肯普著，项曙光，贾小平，夏力译.能量的有效利用——夹点分析与过程集成[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]中国环球化学工程公司.氮肥工艺设计手册：尿素[M].北京：化学工业出版社，1988.

[3]二氧化碳气提法尿素工艺装置操作手册[M].北京：化学工业出版社，2013.

[4] [英]伊恩C.肯普著.能量的有效利用——夹点分析与过程集成[M].北京：化学工业出版社，2010.

[5]冯霄，王彧斐.化工节能原理与技术[M].北京：化学工业出版社，2015.