CO2汽提法尿素装置解吸废液达标改造小结

白雪峰，吴 杰

(山西丰喜华瑞煤化工有限公司，山西 新绛 043100)

0 引 言

山西丰喜华瑞煤化工有限公司(简称丰喜华瑞)1 000 t/d CO2汽提法尿素装置于2006年7月建成投产，其解吸废液量约35 m3/h，长期以来解吸废液氨含量20～30 mg/L、尿素含量70～80 mg/L，无法达到山西省环保厅《关于印发合成氨(甲醇)行业生产工艺废水超低排放达标验收实施方案》(晋环发〔2011〕181号)和国家环境部《合成氨企业环境守法导则》(环办函〔2014〕979号)中尿素冷凝液中氨含量<5 mg/L、尿素含量<5 mg/L的要求，尤其是近年来环保形势日益严峻，企业环保压力极大；另外，解吸废液用作尿素循环水系统补水，不仅造成原料(氨、尿素)的浪费，而且增加了污水处理厂的负荷。为实现解吸废液的达标排放，丰喜华瑞对解吸水解系统实施了一系列优化改造，收到了良好的效果。以下对有关情况作一介绍。

1 改造前解吸水解系统概况

1.1 主要设备

丰喜华瑞解吸水解系统主要由第一/第二解吸塔、水解塔、回流冷凝器、回流冷凝器液位槽、解吸塔给料泵、水解塔给料泵、解吸塔换热器、水解塔换热器、废水冷却器等组成，其作用是对尿素工艺冷凝液进行解吸和水解：水解塔内，在高温蒸汽的作用下将溶液中的尿素水解为CO2和氨，水解后的气体与液体返回到解吸塔中，经过降压、升温，将溶液中的CO2和氨解吸出来，解吸气进入回流冷凝器，利用循环水进行冷凝，得到含有更多CO2和氨的溶液，返回尿素低压吸收系统。

主要设备参数：① 第一/第二解吸塔，规格φ1 400 mm×10 mm×24 783 mm，第一解吸塔(上塔)15层筛板塔盘、第二解吸塔(下塔)21层筛板塔盘，材质316L，设计压力0.75 MPa；② 水解塔，规格φ1 800 mm×(14 mm+4 mm)×23 712 mm，21层条形筛帽塔盘，材质316L/16MnR，设计压力2.1 MPa；③ 回流冷凝器，规格φ900 mm×8 mm×6 855 mm，换热面积192 m2，材质316L；④ 回流冷凝器液位槽，规格φ1 300 mm×8 mm×2 612 mm，容积2.7 m3，材质316L；⑤ 解吸塔换热器(板式换热器)，换热面积240 m2，材质316L；⑥ 水解塔换热器(2台并联)，规格φ700 mm×12 mm×7 265 mm(长)，单台换热面积190 m2，材质316L；⑦ 废水冷却器(板式换热器)，换热面积9.2 m2，材质316L；⑧ 解吸塔给料泵(一开一备)，型号XCA80-50-250，单台流量45 m3/h、扬程76 m，材质316L；⑨ 水解塔给料泵(一开一备)，型号DT46-50×4，单台流量46 m3/h、扬程200 m，材质316L；⑩ 回流泵(一开一备)，型号XCA50-32-200，单台流量12 m3/h、扬程51 m，材质316L。

1.2 工艺流程

尿素蒸发系统各段冷凝液，均含有一定量的氨、CO2和少量尿素，经管线进入氨水槽，氨水槽内用隔板分为三个间隔(两小一大)，各间隔之间在其下部有孔连通，其液位相同但不完全相混：大间隔用来贮存事故排放液和冲洗的工艺液体；常压吸收塔来的冷凝液入第一小间隔，由于其氨含量和CO2含量较高，用泵送至低压甲铵冷凝系统；一段、二段蒸发冷凝液入第二小间隔，一路用低压吸收塔给料泵送往低压吸收塔，另一路由解吸给料泵送入解吸换热器与第二解吸塔底部出液换热，被加热至90～100 ℃后送至第一解吸塔上部。第一解吸塔的操作压力为0.15～0.30 MPa，蒸发冷凝液(碳铵液)在其中解吸出氨和CO2；出第一解吸塔的液体，经水解塔给料泵加压至1.7～1.9 MPa经水解塔换热器换热后进入水解塔上部，水解塔下部通入2.5 MPa中压饱和蒸汽，使液体中所含的少量尿素水解成氨和CO2，水解塔气相进入第一解吸塔的上部，水解塔液相经水解塔换热器预热进料后温度降至150～160 ℃，进入第二解吸塔上部，第二解吸塔操作压力为0.15～0.30 MPa，塔下部通入0.35 MPa低压饱和蒸汽，塔底温度约130 ℃，从液相中解吸出来的氨和CO2及水蒸气，直接导入第一解吸塔的下部，与第一解吸塔底部液相进行质热交换。出第一解吸塔的气相，含水量<40%，在回流冷凝器中冷凝，冷凝液一部分作为回流液经回流泵送至第一解吸塔顶部，与塔内上升的气相进行质热交换，以减少出塔气相的水含量，另一部分冷凝液送至低压甲铵冷凝器作为吸收液，未被冷凝的气体则进入常压吸收塔，进一步吸收氨和CO2后放空。经第二解吸塔解吸后的液相氨含量<30×10-6、尿素含量<50×10-6，经解吸塔换热器、废水冷却器冷却后送至尿素循环水系统作为补水。

2 解吸水解系统运行问题分析

为寻求一种最好的改造方案，在技改项目确定前，丰喜华瑞尿素车间人员赴山西晋丰煤化工有限责任公司闻喜分公司、山西金象煤化工有限责任公司、山西晋丰煤化工有限责任公司(高平公司)、陕西陕化煤化工集团有限公司等同类企业进行考察，就解吸水解系统工艺参数、设备尺寸、塔盘数量、蒸汽消耗等逐一进行对比，发现丰喜华瑞解吸水解系统主要存在如下几方面的问题：① 解吸塔解吸能力差--丰喜华瑞解吸塔直径1 400 mm，高度24 783 mm，塔盘36层，而同等尿素产能生产企业的解吸塔直径均为1 400 mm、高度均在34 m左右，比丰喜华瑞的解吸塔高出10 m左右，塔盘数量也比丰喜华瑞的多20余层；② 水解塔水解能力差--丰喜华瑞水解塔压力1.6～1.7 MPa，水解塔上部温度165～175 ℃、中部温度 175～188 ℃、下部温度185～190 ℃，与其他同类工艺生产企业相比，水解压力与温度均偏低；③ 水解塔中压蒸汽消耗高--以丰喜华瑞某天生产数据为例，碳铵液流量21.5 m3/h，水解塔消耗中压蒸汽2 691 kg/h，平均吨碳铵液消耗中压蒸汽125.16 kg，而理论上水解1 t碳铵液仅需消耗中压蒸汽约60 kg；④ 解吸废液中氨含量20～30 mg/L、尿素含量70～80 mg/L，远高于同类工艺生产企业。

3 改造方案

3.1 解吸塔改造方案

(1)增加解吸塔高度，解吸塔由原设计的24 783 mm增高至32 783 mm，其中，第一解吸塔加高2 400 mm、第二解吸塔加高5 600 mm，总体加高8 000 mm。

(2)将解吸塔的普通筛板塔盘全部改为高通量立体垂直筛板，并增加塔盘数量，第一解吸塔塔盘数量由原来的15层增加至21层、第二解吸塔塔盘数量由原来的21层增加至35层，解吸塔总塔盘数量由原36层增加至56层。

(3)解吸塔底部蒸汽入口增设1套气体分布器，以利蒸汽与溶液的均匀混合。

3.2 水解塔改造方案

(1)将水解塔原条形筛帽塔盘全部拆除，改造为筛板塔盘，延长溶液在塔盘上的停留时间，使工艺冷凝液在水解塔内与蒸汽充分接触，消除死区及壁流现象，提高尿素水解效率。

(2)水解塔有21层塔盘，容积54 m3，当水解塔处理量为40 m3/h时，溶液停留时间约为1.2 h，设计偏小(一般水解塔设计操作压力在1.8～2.5 MPa之间，操作温度在190～210 ℃，设计溶液停留时间为1.8～2.0 h)。由于水解塔采用316L复合板(外表面为16MnR碳钢，内表面为316L不锈钢)制作，增加水解塔高度以提升水解效率的技改方案施工难度大、制作周期长，不适合在短暂停车检修期间实施；为延长溶液停留时间，丰喜华瑞在水解塔后面串联1台卧式水解器，设备直径2 000 mm、长9 727 mm，内部用隔板分为8个小室，蒸汽分别通入各个小室对溶液进行二次水解，保证其出口溶液中尿素含量<5×10-6。

(3)尿素水解反应受反应温度的影响很大，当溶液停留时间均为30 min时，水解塔内温度为200 ℃，尿素含量可降至6.5×10-6；水解塔内温度为210 ℃，尿素含量可降至3.2×10-6；水解塔内温度为215 ℃，尿素含量可降至1.8×10-6；水解塔内温度为220 ℃，尿素含量可降至1.2×10-6[1]。丰喜华瑞水解塔加热蒸汽采用2.5 MPa饱和蒸汽，温度仅223 ℃，有时候蒸汽压力波动，蒸汽温度会更低；另外，水解塔蒸汽进口在水解塔底部，蒸汽与解吸液逆流接触，随着蒸汽的上升，塔内温度从底部到顶部逐步降低，为提高水解温度，只能提高蒸汽供应量。为降低蒸汽用量，丰喜华瑞在原水解换热器后串联1台换热面积100 m2的板式换热器，即通过提高水解塔进料温度的方式提高水解温度。

4 施工与试生产中出现的问题及其解决措施

2022年8月初尿素装置停车大修，解吸水解系统实施技改；2022年9月26日，解吸水解系统改造完成后投运。在施工与试生产过程中出现了不少问题，具体如下。

4.1 施工阶段设备基础加固方案变更

2022年8月2日，尿素装置开始停车；8月5日，解吸塔与水解塔降温、置换完成，技改工作正式展开，在将解吸塔上部管道及筒体分割拆除完成、解吸塔下部切割到距下封头1 800 mm处时，解吸塔的切割工作基本完成，下一步就是将解吸塔裙座与剩下的低压蒸汽管道与调节阀组拆除，对地脚螺栓进行改造。由于解吸塔塔体加高，其高度与重量均增加，为增强其抗震强度，原计划在每两条地脚螺栓间增加1条地脚螺栓，地脚螺栓数量由16条增加到32条--据原始基础图纸，在混凝土基础中，距离上平面100 mm处埋设有10 mm厚的定位环板，施工时，需先将解吸塔整体拆除，然后用直径150 mm水钻开孔到定位环板处，再用氧气切割环板，待环板割掉后，用40 mm水钻开孔到指定深度，埋设新增的地脚螺栓。这样的施工方案存在两方面的不利因素：第一，若要顺利拆除解吸塔底座，就必须拆除设备周围大量的管道，而DN350低压蒸汽管道与调节阀组拆除与恢复有难度；第二，地脚螺栓间距仅有320 mm，内部有钢筋，若要钻16个1 m深的孔，预计钻1个孔就需要半天时间，施工周期太长，且在基础上钻孔也会破坏基础内部结构。为缩短施工时间、避免破坏原设备基础，将增加地脚螺栓的施工方案变更为用工字钢制作抱箍，将解吸塔与尿素装置低跨土建框架连接在一起代替地脚螺栓，经设计院核算，此举可满足要求。

4.2 开车初期水解塔液位居高不下

开车初期水解塔出现液泛，液位居高不下，在减少进液量与全开水解塔出口调节阀无果的情况下，经分析，认为是新增的卧式水解器水解反应产生的NH3与CO2没有及时排走，卧式水解器内部压力升高，水解塔与卧式水解器间压差减小，导致水解塔出液管阻力增加，造成出液流速减小，在进液流速不变的情况下，水解塔液相进、出口溶液流量不能保持平衡(即进料多出料少)而致液泛。于是，开大卧式水解器气相阀，适度降低卧式水解器压力，提高水解塔与卧式水解器之间的压差，水解塔液位恢复正常，可以正常调节。

4.3 水解塔温度提不起来

试生产时，水解塔温度提不起来，水解塔中部温度在180～186 ℃之间浮动、最低甚至降至175 ℃(指标为195 ℃)，水解塔顶部温度在163～169 ℃之间浮动、最低甚至降至154 ℃(指标为175 ℃)。改造前，增大进水解塔蒸汽量可以有效提升塔内温度；改造后，当水解塔出现“垮温”现象时，也想通过增大蒸汽用量来提升塔温，但发现蒸汽量增加到一定程度后，继续增大蒸汽用量就会导致塔压飙升，这一办法行不通，只能另想办法。将丰喜华瑞与其他同类生产企业的工艺指标进行比对，发现相同规模、相同规格水解塔蒸汽用量比丰喜华瑞少，但水解塔内温度却比丰喜华瑞的高；同时还发现了另一情况，那就是同行企业解吸塔的低压蒸汽用量远高于丰喜华瑞，从解吸与水解原理入手分析，可能是由于丰喜华瑞解吸塔通入蒸汽量少，蒸汽在通过第二解吸塔后，解吸出的NH3与CO2进入气相，气相中NH3与CO2的分压升高，甚至高于第一解吸塔溶液中NH3与CO2的分压，当蒸汽通过升气管进入第一解吸塔后，蒸汽几乎已经没有解吸能力了，也就是说进入第一解吸塔的溶液只是进行了加热而未进行解吸或者仅有一小部分进行了解吸，然后溶液就送入了水解塔，由于解吸比水解更容易进行，进入水解塔的溶液首先进行的是解吸，解吸完成后，蒸汽温度降低，已经不能满足水解温度要求了，换言之，丰喜华瑞的水解塔取代或部分取代了第一解吸塔的功能，由此导致水解塔“垮温”。按照上述分析思路，丰喜华瑞逐步增大解吸塔低压蒸汽用量，同时调整回流冷却器的各项参数，水解塔“垮温”问题得到解决，水解塔中压蒸汽用量大幅降低。

5 改造后系统运行情况

5.1 解吸废液达标排放

经过1周的调试，2022年10月3日，解吸水解系统调试正常，实现平稳运行。日常生产中，解吸水解系统碳铵液处理量保持在25 m3/h左右、日处理量约600 m3，外排废液中尿素含量由约75 mg/L降至0.363 mg/L、氨含量由约25 mg/L降至3.25 mg/L，完全达到了解吸废液氨含量、尿素含量均小于5 mg/L的预期目标。

5.2 中压蒸汽消耗降低

丰喜华瑞解吸塔所用0.35 MPa低压饱和蒸汽全部为尿素装置高压甲铵冷凝器副产蒸汽，水解塔所用2.5 MPa中压饱和蒸汽主要为外购、部分来自锅炉系统，这里仅比较改造前后中压蒸汽的消耗，2022年改造前后水解塔中压蒸汽消耗情况的对比见表1。可以看出，改造前，碳铵液处理量平均为25.62 m3/h，中压蒸汽耗量为3 811.40 kg/h，相当于水解1 m3碳铵液消耗中压蒸汽148.15 kg；改造后，碳铵液处理量平均为26.10 m3/h，中压蒸汽耗量为2 309.18 kg/h，相当于水解1 m3碳铵液耗中压蒸汽88.42 kg，较改造前水解1 m3碳铵液节约中压蒸汽59.73 kg。

表1 2022年改造前后水解塔中压蒸汽消耗情况

5.3 节汽效益分析

以解吸水解系统日处理碳铵液量600 m3、水解1 m3碳铵液节约中压蒸汽59.73 kg、尿素装置年运行333 d、中压蒸汽价格为180元/t计，改造后年节约中压蒸汽费用600×59.73÷1000×333×180÷10000=214.81万元。

6 结束语

长期以来，丰喜华瑞尿素装置解吸水解系统解吸废液中氨含量20～30 mg/L、尿素含量70～80 mg/L，远达不到解吸废液的环保排放要求；将此高氨氮含量的废液补入尿素循环水系统，容易导致微生物的大量滋生，不利于循环水系统的优质运行。经调研考察与对标分析等，找到了症结所在。2022年8-9月尿素装置停车大修期间实施了加高解吸塔塔体、更换解吸塔和水解塔塔盘、增设卧式水解器及板式换热器(串联在水解换热器后)等优化改造；2022年10月3日解吸水解系统调试正常，解吸废液氨含量、尿素含量均小于5 mg/L，水解塔(含新增的卧式水解器)中压蒸汽用量大幅减少，节能减排效益良好，助力了尿素装置的优质运行。