尿素蒸发系统温度提不起来的原因分析及应对措施

许 正

（安徽六国化工股份有限公司，安徽铜陵 244023）

1 概 述

安徽六国化工股份有限公司（简称六国化工）300kt／a尿素装置采用荷兰斯塔米卡邦CO2汽提工艺，于2013年建成投产。尿素合成系统内的物料通过出料调节阀（HV4201）控制尿素合成塔液位后，依次经过CO2汽提塔、低压精馏塔分离出其中的NH3、CO2、NH2COONH4后进入尿液槽；尿液槽内尿液组分（质量分数）约为CO（NH2）268.56%、NH32.13%、CO21.05%、H2O28.26%，温度100℃，尿液通过尿液泵输送到一段蒸发加热器，于此被加热至125～135℃后，以切线方向进入一段蒸发分离器，一段蒸发分离器内压力为45～55kPa（A），尿液中的水分瞬间闪蒸出来，气相从一段蒸发分离器顶部出去进入一段蒸发表冷器进行冷凝；出一段蒸发分离器的尿液组分为CO（NH2）295%、H2O5%，温度130℃，依靠压差和位差进入二段蒸发加热器，于此被加热至135～145℃后，以切线方向进入二段蒸发分离器，二段蒸发分离器内压力为8～15kPa（A），尿液中的水分进一步闪蒸出来，气相从二段蒸发分离器顶部出去进入二段蒸发表冷器进行冷凝；出二段蒸发分离器尿液组分约为CO（NH2）299.7%、H2O0.3%，温度140℃，通过尿素熔融泵加压输送到造粒塔顶部的造粒机，熔融尿液在旋转造粒机喷头离心力的作用下形成小液滴散落在造粒塔顶部截面上，与自下而上的空气逆流接触进行传质传热，小液滴温度低于132.7℃时开始凝固，最终冷却成尿素颗粒散落在造粒塔底部的“锅底”上，再由刮料机送入皮带输送至包装岗位。

水分是成品尿素的一个重要质量控制指标，成品尿素水含量高时，尿素颗粒易结块，不利于农用田间施肥及工业计量使用，而蒸发系统温度是成品尿素水分控制的一个重要工艺指标。实际生产中，蒸发系统温度提不起来的情况时有发生，轻则造成成品尿素颗粒水含量高，重则可能导致尿液结晶堵管、尿素装置被迫停车的事故。

2 蒸发系统温度提不起来的原因分析

2.1 进入蒸发系统尿液的水含量高

进入蒸发系统尿液的水含量高，当超出蒸发加热器的最大蒸发负荷时，势必造成蒸发温度提不起来甚至下降，因而进入蒸发系统尿液的水含量是需要严控的指标，而蒸发系统尿液水含量高的原因主要如下。

2.1.1 尿素合成系统水碳比偏高

尿素生产中，系统内产生的水来自于四个方面：①原料NH3与CO2反应合成CO（NH2）2副产的水；②高压甲铵泵输送低压甲铵液进入尿素合成系统带入的水；③高压冲洗水进入尿素合成系统；④原料NH3和CO2带入的水。当进入尿素合成系统的水较多，即通常所说的水碳比偏高时，所有带入尿素合成系统的水最终都会通过尿素合成塔出料调节阀、汽提塔、低压系统进入尿液槽，当尿液槽尿液的水含量高，超出蒸发加热器能力时，蒸发系统温度就会提不起来。

2.1.2 仪表冲洗水阀开度过大

因工艺介质容易结晶，目前能很好应对尿液结晶的液位计基本上均采用法兰膜片式仪表，如低压精馏塔之液位计和测压点、低压甲铵冷凝器液位槽之液位计和测压点、尿液槽之液位计、蒸发系统之测压点和液位计。也可采用放射性液位计，但由于放射源不安全，一般被限制使用。法兰膜片式仪表一般是通过法兰安装在设备上，仪表突出于设备外，热量容易损失，尿液很容易在膜片上产生结晶，影响仪表准确测量，因此工艺上一般在法兰膜片处增设冲洗水，微开冲洗水阀对法兰膜片进行连续冲洗，以确保仪表的正常使用和准确指示。膜片冲洗水会进入设备内与尿液混合，当冲洗水阀开度过大时，势必增加进入尿液中的水量，降低尿液浓度，加重蒸发系统负荷，继而导致蒸发系统温度提不起来。

2.1.3 冲洗水阀内漏或没有关死

尿素装置开、停车时均要通过冲洗水（如高压系统冲洗水、低压精馏塔冲洗水、低压甲铵冷凝器液位槽冲洗水、甲铵泵冲洗水、尿液泵冲洗水、尿素熔融泵冲洗水、蒸发分离器冲洗水、回流泵冲洗水等）对系统进行置换和检查确认畅通与否，而生产正常后这些冲洗水（阀）必须关闭（蒸发分离器每2h用冲洗水冲洗1次，其他冲洗水仅在开、停车时用），当冲洗水阀没关死或冲洗水阀内漏时，冲洗水进入系统，会造成尿液浓度低，加重蒸发系统负荷，继而导致蒸发系统温度提不起来。

2.2 蒸发系统尿液游离氨含量高

蒸发系统对尿液加热蒸发的过程中，尿液进入蒸发加热器提温，然后以切线方向进入蒸发分离器进行气液分离，尿液中水分和NH3、CO2以气态形式闪蒸出来，闪蒸分离所需的热量来自尿液本身，尿液温度稍有下降；但当尿液游离氨含量高时，大量游离NH3、CO2和水分同时从蒸发分离器尿液中闪蒸出来需吸收大量的热，当超出蒸发加热器的能力时，会出现蒸发系统温度提不起来的现象。而蒸发系统尿液游离氨含量高的原因主要如下。

2.2.1 汽提塔汽提效率低

CO2汽提法尿素装置中，尿素合成塔出液首先进入CO2汽提塔进行未反应物NH3和CO2的第一级分离，CO2汽提塔承担着尿素合成塔出液中80%未反应物的分离回收任务，当CO2汽提塔汽提效率低时，其出液中NH3和CO2含量高，当尿液中NH3和CO2的含量超出低压精馏系统及蒸发系统对尿液组分的要求时，蒸发系统负荷加重，势必造成蒸发系统温度提不起来。

2.2.2 低压精馏塔温度低或者压力高

CO2汽提塔出液组分含量约为CO（NH2）255.9%、NH38.0%、CO210.0%、H2O26.0%，温度165℃，其中的NH3和CO2需在低压精馏塔中加热、减压分离，一定的精馏压力下尿液须达到一定的温度才能实现NH3、CO2的有效分离，当低压精馏塔温度低或压力高，其出液中的NH3、CO2含量高出蒸发系统对尿液组分的要求时，蒸发系统负荷加重，势必造成蒸发系统温度提不起来、产品水含量不合格。

2.3 蒸发系统尿液加入量瞬间过大

正常生产中，进入蒸发系统的尿液连续且均匀，蒸发加热器对尿液连续稳定加热，以确保将尿液中的水分、NH3、CO2有效蒸发分离出去；但当尿液流量瞬间加大而超出蒸发加热器的能力时，势必造成蒸发系统出液温度下降、产品水含量不合格。

2.4 蒸发加热器加热蒸汽压力低

蒸发加热器加热蒸汽压力下降时，加热器壳侧的加热蒸汽温度下降，不能给加热器换热列管内均匀流动的尿液提供充足的热量，势必造成蒸发系统出液温度下降、产品水含量不合格。

2.5 蒸发加热器蒸汽冷凝液液位槽液位过高

蒸发加热器蒸汽冷凝液液位槽液位一般控制在20%～50%，以使蒸发加热器内的蒸汽冷凝液全部顺畅流入蒸汽冷凝液液位槽内，确保蒸发加热器壳侧充满加热蒸汽，即确保蒸发系统温度的平稳控制；但当蒸发加热器蒸汽冷凝液液位槽液位过高时，蒸发加热器内的蒸汽冷凝液不能顺畅地流入蒸汽冷凝液液位槽，部分冷凝液在蒸发加热器壳侧积存，会减少其有效换热面积，导致蒸发系统出液温度下降、产品水含量不合格。

2.6 蒸发加热器加热蒸汽品质低

蒸发加热器使用的低压蒸汽源自合成氨装置变换废锅与尿素装置高压甲铵冷凝器副产的低压蒸汽，当变换废锅换热列管出现微小泄漏时，CO、H2等气体进入副产蒸汽中，继而进入蒸发加热器，CO、H2等气体在蒸发加热器蒸汽侧顶部慢慢积存，逐渐占据蒸发加热器换热列管的有效换热面积，导致蒸发系统温度不好提起来、产品水含量不合格。

2.7 蒸发加热器蒸汽侧惰气积存

为锅炉或废锅提供用于产蒸汽的脱盐水经过除氧槽除去绝大部分的O2和惰气，但尿素装置长期连续运行，夹带微量惰气的加热蒸汽在蒸发加热器壳侧会越积越多，逐渐占据蒸发加热器换热列管的有效换热面积，慢慢地蒸发系统温度就进入不好提升的状态。

2.8 蒸发加热器部分列管被尿液结晶堵塞

蒸发加热器换热列管堵塞时，尿液就不能通过全部换热列管被壳侧的蒸汽加热，当堵塞的换热列管数量较多时，蒸发加热器有效换热面积明显减少，不能满足尿液加热所需，蒸发系统温度就不好提起来。而蒸发加热器换热列管堵塞大多是由于停车时置换不彻底使部分尿液停留在加热器列管内结晶所致，另外也有尿液夹带杂物堵塞加热器换热列管的情况。

2.9 蒸发加热器换热列管内结垢

尿素生产中，原料液氨和CO2带入的油污，随物料进入蒸发系统，而蒸发加热器内长期为高温状态，时间久了这些油污会在换热列管内壁积存形成污垢，降低换热列管的导热系数，继而导致蒸发系统温度不好提起来。

2.10 尿素装置负荷过高

为增产提效，当尿素装置负荷超出110%，进入蒸发系统的尿液量超出蒸发加热器的能力时，蒸发系统温度自然就不好提升了。

2.11 蒸发加热器换热列管泄漏

蒸发加热器为列管式换热器，生产中高温尿液在换热列管内以70m／s的速度通过，加热蒸汽在壳侧。由于尿液对换热列管有强烈的腐蚀性，高速流动的尿液对换热列管有很强的冲刷力，因而换热列管管壁减薄泄漏的情况时有发生，当换热列管发生泄漏时，蒸发加热器壳侧压力较高的加热蒸汽进入换热列管内压力较低的尿液中，就会导致蒸发系统温度提不上来。

2.12 蒸发分离器冲洗前没有及时提高温度

蒸发系统正常生产时，尿液沿切线方向进入蒸发分离器后，尿液中的水分迅速闪蒸出来，闪蒸气夹带少量雾状尿液从蒸发分离器顶部排入表冷器，闪蒸气夹带的雾状尿液打在蒸发分离器顶部的内壁，时间久了就会结晶结块，通常采用定期冲洗的方法予以清除，六国化工采用100℃的蒸汽冷凝液作为冲洗水，而此时蒸发分离器内部温度为125～140℃，冲洗水进入后，水蒸气瞬间冷凝增多、蒸发分离器内部压力瞬间下降，使得尿液中水分闪蒸量瞬间增多，消耗热量增多，继而导致蒸发系统出液温度下降。

2.13 一段蒸发温度、真空度突降

尿液在蒸发系统的提浓，是在一段蒸发和二段蒸发系统中通过加热和降压的方式实现的，一段蒸发将尿液浓度从约68%提至95%，二段蒸发将尿液浓度从约95%提至99.7%，当一段蒸发温度或者真空度突降时，一段蒸发进入二段蒸发的尿液水含量增高，会加重二段蒸发的负荷，使二段蒸发温度下降，继而导致蒸发系统出液温度下降。

2.14 蒸发真空度瞬间过高

尿液在蒸发系统的提浓，一段蒸发是在压力45～55kPa（A）、温度125～135℃状态下将尿液浓度从约68%提至95%，二段蒸发是在压力8～15kPa（A）、温度135～145℃状态下将尿液浓度从约95%提至99.7%，即整个蒸发系统是在连续、均衡的状态下逐步将尿液中水分蒸发分离出去的，当一段蒸发或二段蒸发真空度瞬间提高，该段出蒸发加热器的尿液进入蒸发分离器均会因压力降低过多而使其中的水分闪蒸量增大、消耗热量增多，该段蒸发出液温度就会下降。

2.15 蒸发系统温度计示数不准

蒸发系统温度计不直接接触尿液，而是有个套管，当套管泄漏时，尿液会在套管与温度计间形成结晶物，使温度计示数偏低；当温度计热电偶进水时，蒸发温度计示数也会偏低。

3 蒸发系统温度提不起来的处理措施

当蒸发系统温度不好提或温度下降时，操作人员的第一反应应该是及时开大加热蒸汽调节阀、提高加热蒸汽压力，必要时适当减少进入蒸发系统的尿液量以降低蒸发系统负荷，以利蒸发系统温度的快速提升，待蒸发系统温度提到正常值时，再结合系统工艺流程逐一查找原因，原因查明并消除问题后再缓慢将蒸发系统负荷加至正常水平。

必须指出的是，当一段蒸发温度降至122℃或二段蒸发温度降至134℃时，蒸发系统要及时打循环、破真空，确保不发生尿液结晶堵管事故，待蒸发系统温度、真空度正常后，再造粒；当一段蒸发温度降至117℃或二段蒸发温度降至133℃时，蒸发系统除了要及时打循环、破真空外，还要及时走水置换，以防尿液结晶堵塞管道，然后重启蒸发系统，待蒸发系统温度、真空度正常后，再造粒。

4 蒸发系统温度提不起来的预防措施

4.1 严控进入蒸发系统尿液的含水量

控制进入蒸发系统尿液的含水量，须按照尿素装置工艺流程从高压系统、低压系统开始逐步把控，具体控制要点如下。

（1）严控尿素合成系统水碳比。尿素合成系统的水碳比控制，不仅是控制进入蒸发系统尿液水含量的一个重要环节，而且是确保系统稳定运行与节能降耗的重要工艺指标。控制尿素合成系统水碳比的关键环节是控制好解吸水解系统、低压吸收系统，控制好高压洗涤器的冷凝回收等，只要尿素合成系统的水碳比控制在工艺指标范围内，尿素合成塔出液水含量就不会升高。

（2）严控仪表冲洗水量。尿素装置的低压精馏塔之液位计和测压点、低压甲铵冷凝器液位槽之液位计和测压点、尿液槽之液位计、蒸发系统之测压点和液位计等仪表的冲洗水阀，保持微开即可。

（3）确保各置换及冲洗水阀关闭。确保尿素装置高压系统冲洗水、低压精馏塔冲洗水、低压甲铵冷凝器液位槽冲洗水、甲铵泵冲洗水、尿液泵冲洗水、尿素熔融泵冲洗水、蒸发分离器冲洗水、回流泵冲洗水等冲洗水阀关闭；若冲洗水阀关闭而手摸冲洗水管发热，可判定冲洗水阀出现了内漏，此种情况可将冲洗水管线配双阀并加阀间导淋，关闭双阀，打开阀间导淋排水。

4.2 严控进入蒸发系统尿液的游离氨含量

（1）确保CO2汽提塔汽提效率在指标范围内。主要要求为：①控制尿素合成系统的氨碳比在2.9～3.2、水碳比为0.37、压力在13.7～14.5MPa、温度在180～185℃；②控制好尿素合成塔出料调节阀（HV4201）的开度，确保进入CO2汽提塔的尿液量与系统负荷相匹配；③控制CO2汽提塔液位在40% ～90%；④控制尿素装置蒸汽系统高压蒸汽包液位在20% ～50%、压力在1.7～2.0MPa。

（2）控制好低压精馏塔出液温度和压力。在低压精馏塔的操作中，要严控低压精馏塔的温度在130～135℃、压力在0.20～0.30MPa。

4.3 蒸发系统加负荷前需先提蒸发温度

若要增加进入蒸发系统的尿液量，必须按照“先提温度、再加尿液”的原则操作，加尿液量时要微量、缓慢，严防蒸发系统温度大幅下降。

4.4 蒸发加热器加热蒸汽压力需满足要求

加热蒸汽压力不足，一般是因尿素装置加减负荷时副产蒸汽量不稳定或者加热蒸汽控制调节阀操作不当所致，因此需严格依据尿素装置加减负荷情况精心操作，及时调整加热蒸汽的压力。

4.5 严控蒸发加热器蒸汽冷凝液液位槽液位

严格按要求控制蒸汽加热器蒸汽冷凝液液位槽液位在20%～50%之间。

4.6 加强蒸发加热器加热蒸汽品质管控

定期取样分析变换废锅等副产蒸汽中的NH3、H2、CO等含量，及时发现泄漏并及时处理，以确保蒸汽品质。一旦发现蒸汽中夹带NH3、H2、CO等，要及时微开蒸发加热器顶部的排气阀排出这些气体，以保证蒸发加热器的正常工作。

4.7 开车时和平时定期排放加热器蒸汽侧惰气

蒸发加热器预热引蒸汽前，其壳侧充满空气，蒸发系统每次开车引蒸汽时，需打开蒸发加热器顶部排惰气阀排气——刚打开排惰气阀时，因排出的是空气，只听得到声音看不到“白色”的蒸汽；当空气排尽后便会冒出“白色”的蒸汽，此时排气阀即可关闭。由于加热蒸汽中夹带有微量惰气，正常生产中也要定期排放蒸发加热器蒸汽侧的惰气。

4.8 停车置换要彻底

蒸发系统停车走水（蒸汽冷凝液）置换时，要紧盯蒸发温度变化，以蒸发温度变化来确认置换水走到的位置，当位于尿液槽上循环管线的温度降至100℃时，继续走水10～15min，确保蒸发系统彻底置换干净。

4.9 减少油污进入并及时清洗换热列管内结垢

（1）在保障CO2压缩机安全运行的情况下尽可能减少气缸注油量，同时定期检查和清洗CO2压缩机出口油污过滤器；液氨库要保持50%以上的液位，以减少液氨带油。

（2）正常生产中，观察蒸发系统温度的变化，若确认存在蒸发加热器换热列管内油污结垢的情况，要制定好清洗方案并做好清洗准备，待尿素装置停车大修时进行清洗。

4.10 生产负荷要与系统能力匹配

尿素装置的负荷要综合考虑各系统均能平稳运行，装置负荷要与各系统能力匹配。

4.11 注重蒸发加热器蒸汽冷凝液的分析检测

定期分析蒸发加热器蒸汽冷凝液的电导率或氨含量——正常情况下蒸发加热器蒸汽冷凝液电导率不超过20μS／cm、氨含量为0；若检测到蒸汽冷凝液电导率超过20μS／cm，需增加氨含量分析频次，以判断蒸发加热器列管是否有泄漏，确保及时发现问题并及时处理。

4.12 蒸发分离器冲洗前及时提温并规范操作

蒸发分离器冲洗前须先提蒸发温度至高于正常值3～5℃，为冲洗时温度的下降留出足够的空间；冲洗前要将管道内的冷水排出；每处每次冲洗时间严控在3～5s。

4.13 控制好一段蒸发温度和真空度

控制好一段蒸发温度和真空度，严防一段蒸发温度和真空度突然下降。

4.14 平稳控制蒸发系统各级真空度

因蒸发真空度过高而致的蒸发系统温度提不起来，经常发生在蒸发系统开车提真空度时，因此要紧盯温度下降趋势（防止温度降至尿液熔点以下），提真空度前须先提蒸发系统温度，在温度合格且有余量的情况下再提真空度，且提真空度时需缓慢多次操作。

4.15 做好蒸发系统温度计维护

（1）当蒸发系统温度计接线盒密封盖破损、螺钉紧固失效或密封O型圈失效等情况发生时，一旦下雨雨水就会进入接线盒引起温度计测量不准确，因此仪表维护人员要定期对接线盒进行检查，必要时用雨布等对温度计接线盒进行覆盖保护。

（2）蒸发系统温度计是置于套管插入尿液管道内测温的，当套管出现泄漏时，尿液进入套管内结晶会致温度计示数偏低，因此应利用蒸发系统停车机会检查套管的完好性或予以处理。

5 结束语

蒸发系统的温度控制，不仅关乎尿素产品的水含量等，而且操作中稍有不慎可能因尿液温度低于其熔点出现结晶堵管而被迫停车的事故。可见，蒸发系统温度不但是一个工艺指标，更是一个安全指标，操作人员须对蒸发系统温度进行严格监控和调整：日常生产中，要注意观察蒸发系统的温度变化，及时发现问题并及时处理；当出现蒸发系统温度不好提时，尤其是蒸发系统温度下降时，操作人员一定要高度重视并及时处理。