Snam尿素高压系统空塔开车过程优化控制措施

2022-03-30朱永忠

氮肥与合成气 2022年4期

朱永忠

(重庆建峰化工股份有限公司，重庆 408601)

重庆建峰化工股份有限公司尿素装置采用Snam氨汽提法(简称NH3法)工艺，设计日产能为1 750 t。在近30 a的连续运行中，为了实现尿素装置的安全、稳定、优质运行，已对装置进行过多次技改。但是随着环保要求的逐渐严格，结合其他尿素生产工艺的特点，现有尿素高压系统空塔开车过程控制存在一定不足，需要对操作过程进行改进，以实现尿素高压系统空塔开车过程的优化控制。

1 工艺流程

尿素高压系统的工艺流程见图1。

300C01—CO2压缩机； 300E07—氨预热器； 300P01—高压液氨泵； 300V22—中压分解塔受槽； 300E13—真空预浓缩器； 300V02—中压分解塔分离器； 300P02—高压甲铵液泵； 300R01—尿素合成塔； 300E01—汽提塔； 300E04—高压甲铵冷凝器； 300V01—高压甲铵分离器； PV09207A/B—高压压力控制阀； 300J01—喷射泵； HV09201—CO2紧急切断阀； HV09202—甲铵液紧急切断阀； HV09204—高压甲铵进液调节阀； LV09202—尿素汽提塔液位调节阀； HV09203—尿素合成塔出液调节阀； HV09205—汽提塔出液紧急切断阀； HV09206—液氨紧急切断阀； TI202—尿素合成塔底部温度； TI203—尿素合成塔顶部温度； TI206—高压甲铵分离器出液温度； TI09207—尿素汽提塔顶部温度； TI210—尿素汽提塔底部温度； MS—中压蒸汽； MC—中压蒸汽冷凝液； CW—循环水； BD—大气放空。图1 尿素高压系统工艺流程见图

原料氨和二氧化碳在尿素合成塔内进行反应，物料从下向上流动；由尿素合成塔出来的反应产物流向降膜式汽提塔；被汽提塔汽提出来的气相和高压甲铵泵送来的中压吸收塔(300T01)的液体经甲铵混合器(300M02)混合后进入高压甲铵冷凝器。冷凝液被送入高压甲铵分离器，不凝气体经高压压力控制阀送出(正常时利用PV09207A送至中压系统，压力超高时可将气体通过PV09207B送往放空烟囱)。高压甲铵分离器底部液体经喷射泵返回尿素合成塔[1-3]。

2 存在的问题

高压甲铵分离器顶部产生的不凝气体在压力正常时利用PV09207A送至中压系统，在压力超高时利用PV09207B送往放空烟囱，会对环保产生负面影响。

比较现有斯塔米卡邦(Stamicarbon) CO2汽提法(简称CO2法)尿素生产工艺和东洋Toyo Engineering Corporation Japan ACES21#改良水溶液全循环法(简称H2O法)尿素生产工艺，NH3法在尿素高压系统空塔开车过程中高压压力控制非常稳定[4]。比较开车过程物料配比及参数，3种尿素工艺在开车过程中的主要参数控制对比见表1。

表1 三种尿素工艺高压空塔投料过程参数对比

一般来讲在开车阶段对尿素高压系统的氨碳比的没有明确要求，主要是以便于对高压系统压力稳定控制为主，可以肯定的是CO2法和H2O法在开车阶段的氨碳比是非常高的。空塔开车时不同工艺在高压系统加水的控制见表2。

表2 3种尿素工艺空塔开车高压系统加水对比

在实际操作中，CO2法和H2O法2种工艺对尿素高压系统压力的控制更稳定，放空阀开度更小，对环境污染程度更小。

因此，对于NH3法尿素工艺空塔开车高压系统加水的问题，可以考虑将加水时间提前，提前启动高压甲铵泵向高压系统加水，优点是高压压力控制更稳定，中低压放空减少，需要注意的问题是加水量的控制。

3 对策实施

通过采用对尿素高压系统空塔开车阶段高压甲铵冷凝器连续外加水，充分吸收高压系统气相物料，以利于高压系统压力和后端低压系统的稳定控制，减少尿素系统放空损失。

尿素装置在开车阶段，特别是空塔开车时，高压甲铵分离器气相主要是气相氨，而原有操作规程要求对尿素合成塔和高压甲铵冷凝器在投料前加水30 min，而高压甲铵冷凝器不能完全浸没设备下部列管，汽提塔出来的气氨不能得到完全吸收。

由于高压甲铵泵最小质量流量约25 t/h，高压甲铵冷凝器高压侧体积为9.85 m3，高压甲铵分离器体积为6.2 m3，空塔开车高压系统出料大约需要100 min，且尿素合成塔投料期间无需其他水进入，因此不建议用高压甲铵泵对高压系统加水。但印尼PKG项目尿素系统使用高压甲铵泵对高压甲铵冷凝器加水25 t/h，主要是因为高压甲铵冷凝器设计非常大(直径为2 950 mm、长度为22 165 mm)，且投料负荷明显较低。孟加拉沙迦拉尿素装置也是采用在高压甲铵泵出口后端加高压冲洗水的方式进行的。因此，开车阶段在高压甲铵泵未启动前对高压甲铵冷凝器底部连续加水能有效控制尿素高压系统压力不会出现大幅度上涨，有利于尿素高压系统稳定。

尿素合成塔设计体积为150 m3，扣除塔盘、溢流管，有效体积为128 m3；尿素高压系统开车CO2体积流量按18 000 m3/h、氨碳比(质量比)为1.2、密度为570 kg/m3计算，需要液氨73.5 m3；高压冲洗水泵(300P11)设计体积流量为8 m3/h，高压冲洗水压力调节阀(PV09807)为线性阀，最大流通体积流量为8.0 m3/h，密度为940 kg/m3，正常运行时循环高压冲洗水压力调节阀阀位控制在70%，实际体积流量为2.5 m3/h；尿素合成塔投料前加水30 min，大约1.3 m3；计算出空塔开车尿素高压系统出料大约需要100 min(与实际情况相同)；2个设备连续加水100 min为4.2 m3，气相氨和水全部堆积到高压甲铵分离器中，即高压甲铵分离器液位上涨约67.7%，高压甲铵分离器下液阀关闭至尿素合成塔出料的这段时间不会造成漫液。通过上面的分析可以肯定，对高压甲铵冷凝器和高压甲铵分离器连续加水，尿素高压系统物料组分与设计相比不会发生改变。

4 效果对比

通过尿素装置多次空塔开车验证，整个尿素高压系统开车过程高压压力(PI09207)控制平稳，没有出现波动，而且PV09207A阀位为20%～24%，没有更大开度，较没有高压甲铵冷凝器连续加水前(开度在50%～80%或更大)得到明显降低，而且压力控制更加稳定。由于连续加水使物料组分变化较大，系统流程过料时间相对较长，但是对造粒时间没有延迟较多。所以对高压甲铵冷凝器底部连续加水能够保证尿素高压系统压力的平稳控制，降低了尿素高压系统放空以及对后系统的影响。

表3为改进前后2次空塔开车投料过程系统压力控制对比。从表3可以看出:中压系统放空调节阀(PV09305)阀位从50%左右降低到20%左右，低压系统放空调节阀(PV09403)副线开度非常小且时间缩短。经计算，在空塔开车过程中尿素高压系统外加水量与以往相比多4.2 m3，因此对水解系统的运行以及水解系统蒸汽消耗(水解系统正常运行体积流量为43.0 m3/h)影响非常小。