尿素装置节能增产配套技改总结

樊小明

（陕西陕化煤化工集团有限公司，陕西渭南 714100）

0 引 言

陕西陕化煤化工集团有限公司（简称陕西陕化）尿素分厂1＃尿素装置采用水溶液全循环工艺，于1972年建成投产，原设计产能为110 kt／a，后进行过多次扩能改造，并于2012年采用GIrXzH高压圈节能增产新工艺（专利技术）进行改造，尿素产能由180kt／a提升至270kt／a。改造后，1＃尿素装置整体运行情况较好，最高日产量可达1000t，吨尿素氨耗由改造前的598kg降至580kg、汽耗由1220kg降至880kg、电耗由148kW·h降至130kW·h。本次技改有效扩大了装置产能，降低了生产成本，提升了企业的经济效益。

1＃尿素装置高压圈节能增产改造后，虽然其各项消耗指标均达到设计要求，但因蒸发系统部分设备匹配性差（二段蒸发分离器气液分离效果不好）、解吸塔设计安装缺陷以及（4＃）一甲泵组合阀和锥形阀方面存在缺陷等原因，导致装置主要设备运行不正常、系统运行不稳定、成品尿素内在质量不佳，影响装置的长周期、安全、稳定运行。为此，陕西陕化对1＃尿素装置进行了一系列配套技改，取得了良好的效果。以下对有关情况作一总结。

1 尿素装置节能增产改造概述

陕西陕化1＃尿素装置因工艺技术落后，其消耗指标与先进工艺相比有较大差距，于2008年9月停产封存。2010年陕西陕化建设2套300 kt／a合成氨装置和1套520kt／a尿素装置（简称“60·52”项目），均采用当时业内先进的工艺技术（2套300kt／a合成氨装置采用托普索工艺，520kt／a尿素装置采用斯塔米卡邦公司最先进的CO2汽提工艺）。“60·52”项目实施的同时，决定对封存的1＃尿素装置利用成熟可靠的GIrXzH高压圈节能增产新工艺进行改造，将其尿素产能提升至270kt／a，即“60·52”项目富余的合成氨用于270kt／a水溶液全循环法尿素装置以及130kt／a氨汽提法尿素装置与250kt／a磷铵装置。1＃尿素装置节能增产改造后，各项消耗指标大幅下降，且系统的自动化程度得到提高。

1＃尿素装置合成系统增设高压甲铵冷凝器、汽提塔、第一合成塔，与第二合成塔（技改后原合成塔称为第二合成塔）形成高压圈，并增加一高压圈小框架；中压分解吸收系统更换1台中压分解塔，低压分解吸收系统增设1台卧式二循一冷B（串联在原二循一冷后面，作为二循一冷后置冷却器）；蒸发系统增设1套真空预浓缩系统；解吸水解系统增设1台卧式水解器，解吸水解系统碳铵液处理能力由15m3／h提升至18 m3／h；造粒系统更换2台熔融泵及2台造粒机，原造粒塔（ϕ9m，有效塔高65m）拆除，在距原址10m西南方向新建1座ϕ16m造粒塔（塔高65m），包装系统新增2条全自动包装线。机泵方面，增加2台高压甲铵泵、1台往复式高压液氨泵 （高压液氨泵三开一备，原为两开一备），利旧改造3台CO2压缩机（由原合成氨装置氢氮气压缩机改造而成，CO2压缩机两开一备）。节能增产改造后，1＃尿素装置工艺流程简图见图1。

图1 节能增产改造后1＃尿素装置工艺流程简图

2 蒸发、解吸水解系统流程及一甲泵简况

2.1 蒸发系统

闪蒸槽出口浓度约71% （质量分数，下同）的尿液减压至约66kPa（A）后进入真空预浓缩器，在真空预浓缩器减压浓缩至浓度约84%后进入一段蒸发系统，一段蒸发系统真空度约40 kPa（A），尿液经一段蒸发加热器0.75MPa低压蒸汽加热至约128℃，浓度提高至约96%，再经一段蒸发分离器分离气相后流入二段蒸发系统；二段蒸发系统真空度＜10kPa（A），尿液经二段蒸发加热器加热约至138℃，浓度提高至约99.7%，再经二段蒸发分离器分离气相后，尿液由尿素熔融泵加压送至造粒塔（造粒喷头）进行造粒。

闪蒸槽与真空预浓缩器气相先进入真空预浓缩表面冷凝器冷凝，冷凝液去碳铵液槽，不凝气去一段蒸发表面冷凝器；一段蒸发分离器气相去尿素洗涤回收塔，尿素洗涤回收塔气相也去一段蒸发表面冷凝器，一段蒸发表面冷凝器气相去一段蒸发水力喷射器，一表液除一部分补充至二表槽作为低压吸收液外，另一部分回收至碳铵液槽经解吸给料泵送至解吸水解系统处理。二段蒸发分离器气相去二段蒸发表面冷凝器，二段蒸发表面冷凝器气相经二段蒸发蒸汽喷射泵喷射至中间冷凝器，冷凝液去二表槽，中间冷凝器气相去二段蒸发水力喷射器。其中，尿素洗涤回收塔用二表液（由尿素洗涤回收泵输送）作为吸收液（循环吸收），洗涤液中尿素浓度提至30% ～35%后由尿素洗涤回收泵支线补至一段蒸发加热器进口或排至尿液槽予以回收。

2.2 解吸水解系统

解吸水解系统工艺流程见图2。其工艺流程为，碳铵液中的NH3和CO2先在解吸塔中通过加热、减压方式解吸出来，解吸液再送至水解塔用1.3MPa蒸汽直接加热至180～190℃使尿素水解为NH3和CO2，水解液送后解吸塔经加热脱除残留的NH3和CO2，废液达标外排，后解吸塔气相、水解塔气相排至解吸塔，与解吸塔气相一并经冷却分离凝液后回收至二段吸收系统。

图2 解吸水解系统工艺流程简图

解吸给料泵加压后的碳铵液分冷、热两路进入解吸塔，热路指碳铵液经解吸换热器被后解吸塔排出的废液预热，预热至110℃左右进入解吸塔中部；冷路为经自调阀直接进入解吸塔上部的碳铵液，用于控制解吸塔出塔气温度。在解吸塔上部，碳铵液经汽提后得到的气相去解吸气相冷凝器、解吸气相分离器冷凝分离，得到的气相去二段吸收系统（二循一冷）冷却吸收，液相回流至解吸塔顶部。

解吸液经水解给料泵加压至2.0MPa进水解换热器，被水解后液相预热至170℃后进水解塔上塔，用1.3MPa蒸汽直接加热，上塔内液体自上而下穿过多孔板再经溢流管流入下塔。水解塔下塔为板式塔，操作温度由下塔底部入塔蒸汽量调节控制，塔内液体自上而下与汽提蒸汽逆流接触，将尿素水解为NH3和CO2；水解塔下塔液相进入水解槽内用1.3MPa蒸汽直接加热，液相与解吸给料泵出口液相换热后进入后解吸塔上部，在后解吸塔内与从塔底直接加入的1.3MPa蒸汽逆流接触，由此将后解吸塔液相中少量的NH3彻底解吸出来，得到的废液经解吸换热器降温至80℃，最终NH3-N含量＜5×10-6、尿素含量＜5×10-6的废液直接外排。

2.3 一甲泵

一甲泵是尿素合成系统的关键设备，1＃尿素装置有5台一甲泵：1＃、2＃、3＃一甲泵（二开一备）将一甲液由1.7MPa加压至22.0MPa后送至高压甲铵冷凝器，与液氨、CO2在高压甲铵冷凝器内反应后物料溢流至第一合成塔继续反应；4＃、5＃一甲泵 （一开一备）将一甲液加压至22.0MPa后送入第二合成塔，与汽提塔气相在第二合成塔内进行反应。入塔一甲液量据生产负荷由一甲泵变频数即泵的转数决定，一甲泵的运行状况直接影响系统负荷及一吸塔的稳定控制。

3 瓶颈问题

陕西陕化1＃尿素装置经改造后，主要存在蒸发系统部分设备匹配性差、解吸塔设计安装缺陷及（4＃）一甲泵主电机超电流三大问题，由此衍生出成品尿素内在水分偏高、熔融泵过料不稳、造粒塔粘塔粘梁、水解给料泵汽蚀振动、解吸水解系统无法长周期稳定运行、解吸气相带液、一吸塔操作不稳定等诸多问题。通过关死一吸塔底部回流氨，用一吸外冷器控制一吸塔出液温度（T9），保证了一甲泵的稳定运行，但4＃一甲泵运行过程中超电流跳车问题仍未得到解决。

3.1 蒸发系统

蒸发系统存在的主要问题为尿素成品水分偏高（一直为合格品）、造粒时尿素粒子易粘塔粘梁、尿素熔融泵故障率高等。针对这些问题，前期尿素分厂多次对蒸发系统进行查漏，检查蒸汽喷射泵、升压器、尿素熔融泵填料密封、各冲洗水阀、夹套保温和吹扫蒸汽等，成品水分未见降低，尿素熔融泵仍常失压且影响造粒；后将二段蒸发分离器液位控制阀由自控改为手动控制，尿素熔融泵振动大、故障多（一般每半月检修一次）、打量不稳定等问题未得到解决，尿素粒子粘塔粘梁情况未得到改善。

3.2 解吸水解系统

水解给料泵汽蚀，打量差，在解吸负荷达到13m3／h时，单台水解给料泵（设计为一开一备）无法满足生产要求，必须开2台水解给料泵才能控制解吸塔液位；同时，因水解给料泵泵体及出口管线振动大，泵叶轮、机械密封被损伤，出口管线焊缝多次撕裂，耐震压力表通常使用2d就被震坏，每半个月需对水解给料泵进行检修，对系统的正常生产造成严重影响。

3.3 一甲泵

5台一甲泵中，1＃、2＃、3＃一甲泵为原有设备，4＃、5＃一甲泵为新增设备。1＃、2＃、3＃一甲泵为上世纪70年代初制作的设备，服役时间较长，故障率较高，检修频繁，2016年对1＃、2＃一甲泵进行技改，如单向阀改组合阀、增加止逆阀、增加压力表等，其运行周期明显延长，取得了明显的成效；3＃一甲泵库存备件较多，未进行改造，作为1＃、2＃一甲泵的常备泵。

5＃一甲泵处于管系末端，为防止5＃一甲泵进出口管道内甲铵液不流通而出现堵塞，5＃一甲泵作为常开泵（此举主要是为了避免一甲泵入口甲铵液管线堵塞），4＃一甲泵作为5＃一甲泵的常备泵。2017年5＃一甲泵中修期间，4＃一甲泵运行中出现主电机电流超标跳车等诸多问题，导致送入第二合成塔的甲铵液中断，引起尿素合成高压圈工况大幅波动，系统减至最低负荷运行；2020年8月，5＃一甲泵计划检修，4＃一甲泵投运，运行过程中其主电机电流超标跳车问题仍频繁出现，找不到问题的症结所在，对系统的高负荷、稳定运行产生了一定的影响。

4 原因分析

4.1 蒸发系统

通过对蒸发系统工艺流程、现场设备及管线布局、设备及管线参数进行分析，确认蒸发系统存在的问题是产能提高后蒸发方式或设备跟不上系统增产的需求。

二段蒸发分离器原进液方式为分液式，进料口由两块分液板将二段蒸发加热器来的尿液分成两部分，沿着分离器内壁呈相反方向旋转半圈后撞击以达到气液分离的目的。系统增产后，尿液量增多，旋转分离行程短，引起气液分离不完全，表现为：①二段蒸发分离器气相夹带尿液严重，经常造成二段气相管线仪表测压点导压管堵塞，气相管粘结尿素而影响二段蒸发系统真空度；②二段蒸发分离器液相中夹带过多气体，尿素熔融泵易出现汽蚀现象，造成泵体及管线振动，泵填料使用周期短，泵检修频次较高，且尿素熔融泵打量不稳定引起造粒喷头内物料带压，导致尿素粒子粘塔粘梁等一系列问题；③熔融尿液中含水超标，造成造粒后成品粒子水分高，成品尿素均为合格品，很难达到一级品水准，且夏季高温天气时尿素粒子易结块。

4.2 解吸水解系统

经多方面的分析与论证，增产技改实施后，虽然增设卧式水解器提升了水解能力，但系统解吸能力未得到提升，原有解吸塔的结构设计及尺寸不能满足增产后的解吸要求——水解塔气相和后解吸塔气相入解吸塔的分布器均位于解吸塔正常操作液位下方350mm处，且解吸塔塔径仅ϕ1000mm，水解塔气相和后解吸塔气相进入解吸塔底与解吸塔液相进行传质传热的过程中，因解吸塔至水解给料泵进口工艺冷凝液停留时间短，气液未完成分离就被抽至水解给料泵进口，造成水解给料泵汽蚀、打量差，由此引发了一系列的问题。

4.3 一甲泵

尿素分厂对4＃一甲泵存在的问题虽积极进行检查处理，曾试图改变电机型号，反复抽查曲轴箱、减速机是否存在传动阻力，并更换变频器、检查出口止逆阀等，因查找方向与思路存在误区，问题一直未得到根治。2020年5月经尿素分厂、维保分厂和一甲泵改造单位（合肥华升泵阀股份有限公司）论证，认为4＃一甲泵组合阀弹簧易失效、出口锥形阀芯间隙大易卡顿，是造成其主电机超电流跳车的主要原因。

5 优化改造

5.1 蒸发系统

2017年1月，1＃尿素装置计划停车，将现有分液式二段蒸发分离器（容积7.9m3，内径1800mm，高度4795mm，重量1998kg）更换为容积更大、分离效果更好的旋风式二段蒸发分离器 （容积12.5m3，内径2000mm，高度5400mm，重量5150kg）。

5.2 解吸水解系统

2016年5月，利用检修机会拆除水解塔气相入解吸塔底部气体分布器，拆除后解吸塔气相至解吸塔内短接；水解塔气相和后解吸塔气相进入解吸塔内管线移至其操作液面以上300mm处并安装升气帽（注：升气帽气体通量是管道气体通量的3倍，便于气液完全分离，原则上升气帽顶端低于解吸塔第三块视镜的下端，正常操作液位为第二块视镜中间）。

5.3 一甲泵

2020年11月，对4＃一甲泵实施了增大组合阀弹簧弹力及尺寸、降低出口锥形阀芯升程高度、改变下导向锥形阀结构等优化技改措施。

6 改造效果

6.1 蒸发系统

二段蒸发分离器内壁及气相管均未发现有尿素缩合物粘结，气液分离效果差的问题得到解决，二段真空导压管再未出现堵塞，其冲洗频次（1次）由原来的1h延长至2h，气相带液现象明显改善；尿素熔融泵运行更加平稳，泵体振动现象消除，其运行周期由原来的半个月提升至3个月，尿素熔融泵检修费用大大降低；造粒喷头内物料带压现象消除，尿素粒子粘塔粘梁情况明显好转，造粒塔防腐层未出现脱落情况；1＃尿素装置生产负荷（尿素产量）为970t／d的情况下，尿素成品质量提升至优等品。

6.2 解吸水解系统

水解给料泵实现一开一备，单台泵打量能够满足18m3／h的最大解吸量需求，由此每年可节电320000kW·h左右，节电效益显著；水解给料泵汽蚀现象消除，进出口管线再无振裂情况，其运行周期由原来的约15d延长至2个月；水解给料泵运行良好，解吸水解系统运行稳定，系统开工率达100%、外排废液达标率达100%。

6.3 一甲泵

4＃一甲泵运行平稳，再未出现主电机超电流跳车问题，有力地保证了系统的平稳运行。

7 结束语

陕西陕化水溶液全循环法尿素装置进行GIrXzH高压圈节能增产技改后，大幅提升了尿素产能、降低了消耗，但因利旧设备较多，尤其是利旧的转动设备，运行过程中存在制约系统高负荷、稳定运行的瓶颈问题，后续通过对蒸发系统、解吸水解系统及一甲泵等实施配套技改，1＃尿素装置实现了稳定运行，主要消耗指标尤其是汽耗降低明显，产品质量稳定在优等品，配套技改取得了良好的效果。