CO2汽提法尿素装置放空总管含氨尾气精洗技术

冯 萍，王 献

(合肥瑞鑫化工科技有限公司，安徽 合肥 230061)

0 引 言

上世纪50年代初，新中国刚刚成立不久，百废待兴，诸多工业领域一穷二白，国内没有1套尿素装置；上世纪50年代中期，第一套尿素生产试验装置在南京诞生；上世纪60年代，我国从国外引进10多套水溶液全循环法及氨汽提法尿素装置，在对引进技术不断消化的基础上，上海化工研究院研究开发并建造了4套中压联尿装置；上世纪70年代，化学工业部第四设计院(现中国五环工程有限公司)研究开发了具有自主知识产权的水溶液全循环法尿素生产工艺(俗称小尿素装置)；从上世纪70年代开始，我国先后引进了多套520 kt/a尿素装置，在此基础上，通过不断的消化吸收和革新，而今中国五环工程有限公司设计的单套尿素装置产能已达1 000 kt/a以上；目前我国已有上百套大型尿素装置，基本上实现了大型化，而上世纪60、70年代国内自行设计建造的小尿素装置基本上已改造或淘汰。

从工艺流程来看，国内自建中小型尿素装置前期以水溶液全循环法工艺为主，后期中型尿素装置多采用国产化CO2汽提法工艺；引进尿素装置主要采用荷兰斯塔米卡邦的CO2汽提法与意大利斯纳姆的氨汽提法，个别大型尿素装置采用意大利蒙特爱迪生公司的氨/CO2双汽提工艺、日本东洋工程公司的节能型改良C法汽提工艺。当前国内尿素装置大多采用CO2汽提工艺，其优点主要是蒸汽单耗较低，生产成本较其他工艺低，但缺点之一是氨的损失较大。CO2汽提工艺氨损失较大的原因在于，低压吸收塔出口排放气氨含量较高，常解塔出口排放气、蒸发造粒抽真空排放气、碳铵液槽排放气、尿液槽排放气最后汇集到1条放空总管，直接排入大气中，排放气中含氨约1%～3%，不仅增加了消耗，削弱了企业的经济效益，还带来了不良的环境影响。在节能减排及大气污染治理要求日益严苛的背景下，尿素装置放空总管所排含氨尾气的治理已刻不容缓。

1 CO2汽提法尿素生产工艺部分基础数据

(1)CO2汽提法尿素生产工艺中，放空总管放空气中的氨主要有两个来源，其一是低压吸收塔及常解塔排放的惰性气中的氨，其二是尿素蒸发系统抽真空时蒸发气中含有的氨。据《氮肥工艺设计手册：尿素》[1]，生产1 t尿素所产生的混合放空气(低压吸收塔排放气+常解塔排放气)为60～66 m3，上游合成氨装置净化系统送入尿素装置中的CO2气中的O2含量约0.8%，生产吨尿素所产生的惰性气约7 m3，合计生产吨尿素产生的放空气约73 m3，折合生产吨尿素损失氨约1.8 kg。

(2)尿素蒸发系统抽真空消耗的蒸汽，一段蒸发系统约30 kg(约4.6 m3)，二段蒸发系统约40 kg(约6.25 m3)[1]；据《氮肥工艺设计手册：尿素》[1]，生产吨尿素蒸发系统抽真空损失的氨约为0.8 kg，可忽略不计。

综上，生产1 t尿素，低压吸收塔及常解塔排放的放空气约73 m3。以1 400 t/d(58 t/h)尿素装置为例，尾气放空量约101 616 m3/d，其中，从低压吸收塔及常解塔排放掉的氨为58×1.8=104.4 kg/h，即2 505.6 kg/d。

2 CO2汽提法尿素装置放空总管尾气放空情况

为了解CO2汽提法尿素装置放空总管尾气放空情况，2020年4月和2021年10月，合肥瑞鑫化工科技有限公司(简称合肥瑞鑫)派出专业技术人员分别对山西天泽煤化工集团股份公司煤气化厂(简称山西天泽)和奎屯锦疆化工有限公司(简称奎屯锦疆)进行了实地考察，并配合这两家企业人员进行了现场取样分析，有关情况具体如下。

2.1 山西天泽尿素装置放空总管尾气放空情况

山西天泽2 400 t/d CO2汽提法尿素装置低压吸收塔规格为φ500 mm/φ800 mm、塔高为8 751 mm、塔体材料为00Cr17Ni14Mo2，内装25 mm×25 mm×1 mm的不锈钢鲍尔环填料，设计压力3.0 MPa、操作压力0.1～0.4 MPa，设计温度175 ℃；低压吸收塔附属给料泵(离心泵)Q=37.5 m3/h，p入/p出=0.13 MPa(A)/1.35 MPa(A)，配套电机N=45 kW(380 V)。2020年4月6日10:00和14:00取样分析，低压吸收塔出气氨含量分别为2.86%、3.24%。

山西天泽2 400 t/d CO2汽提法尿素装置常解塔规格为φ650 mm/φ1 500 mm、塔高为8 530 mm、塔体材料为00Cr19Ni10，内装25 mm×25 mm×1 mm的不锈钢鲍尔环填料，设计压力0.11 MPa、操作压力 0.3～0.6 MPa，设计温度150 ℃，出液温度<70 ℃；常解塔附属循环泵(离心泵)Q=82.9 m3/h，p入/p出=0.218 MPa(A)/0.520 MPa(A)，配套电机N=15 kW(380 V)。2020年4月6日10:00和14:00取样分析，常解塔出气氨含量分别为400 mg/m3、850 mg/m3；放空总管尾气中氨含量分别为1.49%、1.77%。

2.2 奎屯锦疆尿素装置放空总管尾气放空情况

奎屯锦疆1 400 t/d CO2汽提法尿素装置(大尿素装置)，2021年10月6日10:00和14:00取样分析，低压吸收塔出气氨含量分别为2.56%、2.15%，常解塔出气氨含量分别为950 mg/m3、1 150 mg/m3。

奎屯锦疆有3套40 kt/a三聚氰铵装置，三聚氰铵生产中产生的碳铵液，一部分送往小尿素装置生产尿素，余下的部分送往大尿素装置(1 400 t/d尿素装置)的碳铵液槽继而进行深度水解，碳铵液槽排放气量约4 000 m3/h；碳铵液槽放空气中的氨含量约3%，气氨的密度以0.771 kg/m3计，则碳铵液槽排放气中氨量为4000×3%×0.771×24=2 220.5 kg/d。

2.3 小 结

综上，粗略估算400 kt/a CO2汽提法尿素装置放空总管日排放的氨约2505.6+2220.5=4 726.1 kg，如遇阴雨天或气压低的时候，整个厂区会氨味弥漫，即使气压高氨也会随着放空气飘散几公里，严重影响环境。可见，尿素装置放空总管含氨尾气亟待治理。

3 优化技改方案

针对国内CO2汽提法尿素装置的生产现状，合肥瑞鑫技术人员在查阅有关资料的基础上，开发出了“循环洗涤+酸洗+精洗”的三段式放空气精洗塔技术。该技术可对低压吸收塔尾气、常解塔尾气及放空总管尾气进行洗涤。具体优化技改方案如下。

3.1 增设精洗塔并采用高效降膜喷射塔盘

增设1台放空气精洗塔(简称精洗塔)，精洗塔上部为精洗段，内设多层高效降膜喷射塔盘；精洗塔中部为酸洗段，内设多层合肥瑞鑫专利产品——高效降膜喷射塔盘(专利号ZL 201320340934.0，ZL 201320340931.7)；精洗塔下部为填料段，采用多面球空心填料。高效降膜喷射塔盘主要技术特点如下。

(1)负载能力大。高效降膜喷射塔盘处理气量是普通塔板(筛板、浮阀、泡罩)的1.5～2.0倍，高效降膜喷射塔盘帽罩结构决定了其气液呈水平方向喷出，这就降低了液沫夹带量，从而可提高空塔气速；另外，进入降液管的液体几乎是清液，降液管内液体停留时间可缩短，同等负荷下降液管体积减小，可增加塔板的有效传质面积。

(2)传质效率高。与筛板塔板相比，高效降膜喷射塔盘传质效率高出10%～20%，原因在于帽罩内的高液气比，气液两相的良好混合和部分液体在帽罩内外的再循环及再分解可达到良好的传质传热效果。

(3)压降小。高效降膜喷射塔盘气(汽)相并不像泡沫工况操作的塔板那样必须通过板上液层以克服其压头，只需克服被气体提升的那部分液体的重力即可，观测表明，被提升的液体厚度仅为板上液层厚度的几分之一。

(4)塔板间距小。这类塔板的空间利用较充分，塔板上不存在鼓泡层，液面较低且平稳，分离空间不要求有很大，一般情况下400 mm左右即可。

(5)独特的防有机物自聚堵塞能力强。高效降膜喷射塔盘上的气流速度大，具有很强的自冲刷清洗能力，工业应用情况表明其对有机物自聚堵塞具有很好的预防作用；由于塔盘开孔大、无升气管且无其他遮拦件，因而其对含固体颗粒的物料具有良好的适应性。

(6)操作弹性好、适应性强。与普通塔板相比，高效降膜喷射塔盘的板孔动能因子更大，也不易出现降液管液泛和过量液沫夹带等不正常现象，操作弹性好，与浮阀塔板相当；适用于高压强与较低真空度以及高液气比与低液气比工况——在不同工况下，虽然液面波动范围大，但对塔板效率影响不大，操作条件适应性强。

(7)操作简便可靠。采用高效降膜喷射塔盘，从系统开工到稳定运行耗时很短，并能持续稳定生产，这与其具有良好的传质效率有关：精洗塔下部为填料段，使用当前国内废气洗涤专用填料(多面球空心填料)，填料分两段，采用大容量的喷头，洗涤液直接均匀地喷洒在填料上，可提高洗涤液的吸收效果；精洗塔上部补入新鲜脱盐水，补入量据精洗塔气相出口氨浓度确定，一般情况下2～3 m3/h、夏季宜在4～5 m3/h。

3.2 新增运转设备等

(1)新增2台鼓风机(一开一备)，风机电机带变频调速，可随时调节风量，主要作用是在精洗塔内对放空气进行汽提，提高氨吸收效果；新增2台引风机(一开一备)，主要作用是保持精洗塔内的气体流速，以利增强高效降膜喷射塔盘的吸氨效果。

(2)新增2台160 m3/h的循环洗涤泵(一开一备)、2台80 m3/h的酸洗循环泵(一开一备)、2台80 m3/h的精洗循环泵(一开一备)，分别用于输送精洗塔填料段、酸洗段、精洗段的喷淋洗涤液。

(3)精洗塔系统采用自调装置，调节阀、流量计均接入尿素装置主控操作室DCS，便于操作控制。

4 精洗塔系统工艺流程简介

来自尿素装置放空总管的尾气(包括低压吸收塔尾气、常解塔尾气、蒸发系统喷射气、碳铵液槽尾气、尿液槽尾气)，与鼓风机来的空气一并进入精洗塔的底部，气体经雾化洗涤后，上升至填料层，在填料层由循环洗涤泵送来的蒸汽冷凝液对尾气进行洗涤，当氨水浓度达10%～15%时，氨水由循环洗涤泵出口支线送回碳铵液槽，继而进行解吸处理；出填料段的尾气进入精洗塔中段，在高效降膜喷射塔盘层用浓度为0.5%～1.0%的稀酸进行洗涤，出塔气中的氨含量可降至5×10-6以下，酸洗液达到一定浓度后可由酸洗循环泵出口支线送往外工段使用或送入储罐再外运处理(若酸洗液在企业内部无法消纳或利用，也可使用脱盐水或蒸汽冷凝液进行洗涤，此种情况下洗涤液可并入循环洗涤泵进口管用作精洗塔下段的洗涤液或回收至碳铵液槽，酸洗段采用脱盐水或蒸汽冷凝液作为洗涤液时，出塔气中的氨含量可控制在30×10-6以下)；出酸洗段的尾气进入精洗塔上部精洗段，由来自脱盐水总站的脱盐水经调节阀调节送入精洗塔上段进行洗涤，精洗塔上段配套设计有精洗循环泵，当吸收液的氨浓度达到5%左右时，由精洗循环泵出口支线并入循环洗涤泵进口管将其用作精洗塔下段的洗涤液，出精洗段的尾气经丝网除沫器除去夹带的水汽后由引风机送至放空总管排入大气(精洗塔酸洗段采用稀酸洗涤时出塔气氨含量<5×10-6，酸洗段采用脱盐水或蒸汽冷凝液洗涤时出塔气氨含量<30×10-6)。

5 设备概况及投资估算

静设备：精洗塔，1台，φ1 500mm、H≈25 000 mm，材质为304，内件有高效降膜喷射塔盘、填料、气体分布器、液体分布器、喷头、支承圈等；酸洗液槽1台、精洗液槽1台，规格均为φ1 500mm、H≈2 000 mm，材质为304。

动设备：循环洗涤泵2台、酸洗循环泵2台、精洗循环泵2台，材质为304；鼓风机2台，材质为碳钢；引风机2台，材质为碳钢。

其他设备设施：管道、阀门，仪表、电器(含调节阀、流量计、电缆)。

据估算，上述设备购置费、设备基础及安装/吊装费、工艺设计及服务费等合计约300万元。

6 效益分析

以400 kt/a CO2汽提法尿素装置为例，据前述计算，采用合肥瑞鑫开发的“循环洗涤+酸洗+精洗”三段式放空气精洗塔技术后，可从放空气中回收氨约4 726.1 kg/d，液氨售价以3 500元/t、年有效生产时间以300 d计，回收的氨年可新增销售收入4726.1÷1000×3500×300÷10000=496万元；除去蒸氨所需蒸汽、电等运行成本及设备折旧费用每年约120万元，本项技改年可为企业降本增效约376万元。

7 结束语

随着国民经济的快速发展，环境污染问题突出，环保政策日趋严厉，近年来我国明显加大了大气污染治理力度，而《排污许可证申请与核发技术规范 化肥工业-氮肥》(HJ 864.1—2017)的实施，对氮肥企业排污节点、污染物及污染治理设施都有了明确的规定，对废气排放的要求越来越高。就尿素装置而言，通常业内关注的重点是尿素造粒塔尾气粉尘含量的控制(如增设或升级技改造粒塔顶粉尘回收装置等)，对放空总管含氨尾气的控制往往缺少关注，在建设绿色工厂的大背景下，尿素装置放空总管含氨尾气的治理将会是大势所趋。合肥瑞鑫开发的放空总管尾气精洗技术较为成熟，工艺流程简洁、设备购置容易、占地面积小，投资与运行成本均较低，不需要额外增加操作人员，本项技改实施后，既可减轻尿素装置的环保压力，又可助力企业降本增效，期待在业内得到推广应用。