水溶液全循環法尿素工藝節能技術應用

張永強

(安徽晉煤中能化工股份有限公司， 安徽臨泉 236400)

安徽晉煤中能化工股份有限公司1#尿素裝置始建于1996年9月，由原化工部第四設計院使用“四改六”通用版設計[1]，采用水溶液全循環法工藝。多次技術改造后，2012年產量達到25萬t，尿 素蒸汽消耗為1 270 kg/t，電力消耗量為185 kW·h。

隨著尿素產能增加，價格競爭日趨激烈。新增的產能大多數采用汽提法工藝，該工藝與水溶液全循環法工藝相比，尿素蒸汽消耗低200 kg/t、電力消耗量低50 kW·h左右，成本優勢較為明顯。為此，進一步改造1#尿素裝置，通過調整水溶液全循環法來降低尿素生產成本。

1 改造前裝置情況

1.1 二氧化碳壓縮系統

4臺二氧化碳壓縮機中，有3臺為4M12C-66/20.68，打氣量為66 m3/min；1臺為4M16E-85/22.0，打氣量為85 m3/min。為了提高打氣量，一段進口增設了使用深冷水冷卻的氣體冷卻器。

1.2 合成系統

合成系統為雙塔并聯工藝，1#尿素合成塔容積為23 m3，2#尿素合成塔容積為44 m3。4臺高壓液氨泵中，3臺打液量為20 m3/h、1臺打液量為29 m3/h。4臺高壓甲銨泵中，3臺打液量為12 m3/h、1臺打液量為20 m3/h。1臺打氣量為85 m3/min的二氧化碳壓縮機、1臺打液量為29 m3/h的高壓液氨泵、1臺打液量為20 m3/h的高壓甲銨泵，對應容積為23 m3的尿素合成塔。2臺打氣量為66 m3/min的二氧化碳壓縮機、2臺打液量為20 m3/h的高壓液氨泵、2臺打液量為12 m3/h的高壓甲銨泵，對應容積為44 m3的尿素合成塔。

1.3 中壓分解吸收系統

采用預分離預精餾流程，2臺合成塔出液分別進入2臺預分離器，減壓分離后，液相分別進入2臺一段分解塔，氣相合并后進入一吸冷卻器。2臺一段分解塔出氣匯合后進入閃蒸熱能利用段，回收反應熱后與預分離器出氣混合進入2臺串聯的一吸冷卻器。一吸冷卻器使用脫鹽水進行循環冷卻，換熱后的脫鹽水送溴化鋰機組，作為溴化鋰機組的熱源。溴化鋰機組制的深冷水供二段蒸發冷凝器和二氧化碳壓縮機一段進口冷卻器使用。

1.4 低壓分解吸收系統

2臺一段分解塔出液匯合后進入低壓分解塔上部精餾段，精餾后進入下段的降膜式加熱器。出低壓分解塔的氣體進入3臺串聯的低壓冷凝吸收器，用二表液進行冷凝吸收。其中第一、第二低壓冷凝吸收器冷凝的二段甲銨液經二甲泵加壓后送入閃蒸熱能利用段；第三低壓冷凝吸收器冷凝的二段氨水經氨水泵加壓后送入惰洗器，在惰洗器內吸收氨冷凝器尾氣后進入一吸塔。第三低壓冷凝吸收器尾氣進入尾氣吸收塔，再次用氨水洗滌吸收后放空。

1.5 解吸水解系統

采用1.3 MPa低壓解吸水解流程。氨水經水解泵加壓后進入水解換熱器，與解吸水解塔出液進行換熱，回收熱量后從水解塔上部進入。解吸出的氨和二氧化碳由解吸水解塔氣相進入回流冷凝器，冷凝的回流液由回流泵送入閃蒸熱能利用段和解吸塔頂(作為塔頂回流液)。為了防止回流冷凝器換熱管結垢，回流冷凝器用脫鹽水閉路循環冷卻。脫鹽水帶出的熱量再通過循環冷卻器用循環水移走。解吸廢液作為循環水的補充水使用。

1.6 蒸發造粒系統

低壓分解塔出液經調節閥進入閃蒸分離器，減壓閃蒸分離后，液相進入降膜式閃蒸熱能利用段，回收一段分解氣和二甲液的反應熱后流入尿液緩沖槽。閃蒸氣相進入閃蒸冷凝器，冷凝后經閥門控制進入一段蒸發冷凝器。流入尿液緩沖槽的尿液經尿液泵加壓，再經調節閥控制進入一段蒸發器加熱分離，液相進入二段蒸發器，氣相進入一段蒸發氣洗滌器，洗滌氣相夾帶尿素后進入一段蒸發冷凝器，冷凝后的不凝氣體由噴射泵抽出放空。進入二段蒸發的尿液經加熱分離，液相經熔融泵送到造粒塔，氣相進入二段蒸發冷凝器，冷凝后的液相流入二表槽，氣體經蒸汽噴射泵抽入中間冷凝器，中間冷凝器出氣由噴射泵抽出放空。

1.7 循環水系統

循環水泵站有4臺揚程為58 m、打液量為790 m3/h、功率為185 kW的水泵供尿素系統使用，2臺揚程為42 m、打液量為790 m3/h、功率為90 kW的水泵供脫碳系統使用(閑置)。在尿素主廠房4樓增設1臺涼水塔，配用2臺揚程為35 m、打液量為1 080 m3/h、功率為160 kW的水泵，專供氨冷凝器A使用。一般情況下，開3臺功率185 kW和1臺功率160 kW的水泵，理論耗電量為715 kW·h。

2 改造方案

2.1 合成系統

本次改造中，合成系統設備流程不做改動。中壓吸收系統改造后，入塔水碳比降低0.15，轉化率提高2.0%左右，一段分解負荷降低，可減少蒸汽消耗量約為30 kg。

2.2 中壓分解吸收系統

2.2.1 增設甲銨分離器和中壓甲銨循環泵

原2臺一吸冷卻器，現拆除1臺。在一吸冷卻器氣液混合物出口增設容積為9.3 m3的甲銨分離器。一吸冷卻器出來的氣液混合物從甲銨分離器上部切線方向進入，在甲銨分離器內分離為氣液兩相，其中液相進入高壓甲銨泵，經高壓甲銨泵加壓后送入尿素合成塔；氣相進入一吸塔底部。一吸塔底部少量的甲銨液用中壓甲銨循環泵加壓后回到一吸冷卻器循環。改造前后，中壓分解吸收流程示意圖分別見圖1、圖2。

圖1 改造前，中壓分解吸收流程示意圖

圖2 改造后，中壓分解吸收流程示意圖

二甲液由全部進入閃蒸熱能利用段，改為分別進入預濃縮器熱能利用段和一吸塔底部。甲銨循環泵采用2臺離心泵(1開1備)。由于沒有使用離心泵輸送甲銨液的經驗，為不影響生產，在改造時將高壓甲銨泵的進出口分別與中壓甲銨循環泵的進出口聯通，作為應急備用。改造后，一吸塔負荷明顯降低，避免了因一吸塔液位波動造成一吸塔超溫，穩定了生產。入合成塔的一甲液溫度由改造前的95 ℃提高到110 ℃，一甲液的水碳比由2.45降低到1.60，合成塔的水碳比降低了0.15，合成塔的轉化率提高了2%左右。

2.2．2 改造閃蒸熱能利用段

原閃蒸熱能利用段換熱面積為220 m2，換熱列管直徑為19 mm，在運行中存在以下問題：

(1) 換熱面積小，不能滿足高負荷的需求。反應熱量回收少，大量反應熱被后移到一吸冷卻器，被冷卻水帶走，增加了負荷[2]。

(2) 閃蒸真空度高時，換熱列管內徑小導致氣體流速大，造成閃蒸分離器帶液嚴重。

(3) 設備結構復雜不便于清洗，列管結垢嚴重，換熱效率低。針對存在的問題，結合裝置實際情況，由真空預濃縮器替換原有的閃蒸器。新設備換熱列管直徑增加到50 mm，換熱面積增大到560 m2。在同等負荷情況下，列管內的氣體流速下降到原來的7.1%，徹底解決了閃蒸分離器帶液的問題。換熱列管上部的液體分布器采用承插式結構，方便安裝和高壓射流水清洗。由于解決了真空預濃縮器帶液的問題，真空預濃縮器內的真空度提到520 mmHg，真空預濃縮器內的尿液沸點降低，增大了尿液和氣液混合物的換熱溫差，充分回收利用了系統內的反應熱。換熱后的氣液混合物溫度由改造前的120 ℃降低到110 ℃，僅此一項回收到的熱量相當于每噸尿素150 kg蒸汽。

2.2.3 改造中壓尾氣吸收系統

在歷次改造中，都沒有改動惰洗器，冷卻段的冷卻面積只有36 m2，與系統負荷不相匹配。此次改造本著節約利舊的原則，利用退下的閃蒸器進行改造。保留惰洗器上部防爆段位置不動，割除下段換熱段。分離閃蒸熱能利用段與閃蒸器上段，拆除換熱段上部的液體分布管，增加上部封頭，作為獨立的惰洗器冷卻器使用。氣氨在惰洗器冷卻器殼側充分冷凝吸收后進入原惰洗器防爆段分離，液相回流到一吸塔，氣相進入新增的惰氣精洗系統。惰氣精洗系統由3臺臥式冷卻器和3臺柱塞泵組成，其中兩臺氨水泵(1開1備)，利用原來的二甲泵、精洗泵、氨水泵。3臺冷卻器串聯冷卻吸收，冷卻器臥式放置，可減小系統阻力。惰洗器來的中壓尾氣從清洗器冷卻器A底部進入，通過管間折流板與冷凝液逆流接觸吸收，依次通過冷卻器B/C，經精洗器用冷凝液吸收后放空。冷凝液收集總管來的冷凝液，經精洗泵進口緩沖槽緩沖后溢流到蒸汽冷凝液槽，以此保證精洗泵進口緩沖槽液位始終處于充滿狀態，減少操作控制環節。冷凝液經精洗泵加壓后進入冷卻器，用循環水冷卻后進入惰氣精洗器。在精洗器初步吸收后流入精洗器冷卻器C，通過管間折流板與中壓尾氣逆流接觸冷卻吸收，依次通過冷卻器B/A進入氨水泵，經氨水泵加壓后送入惰洗器。為了保證精洗器冷卻器內的液體始終處在充滿狀態并保證吸收效果，精洗器冷卻器出液管設計為“U”型管。改造后，精洗器尾氣中的氨體積分數降低到0.2%。

改造后，尾氣精洗流程示意圖見圖3。

圖3 改造后，尾氣精洗流程示意圖

2.3 低壓分解吸收系統

2.3.1 改造低壓分解塔

原低壓分解塔分上下兩段，上段為5層塔板組成的精餾段，下段是降膜式加熱器，使用1.3 MPa蒸汽加熱。本次改造保留上部精餾段。在精餾段下部引入解吸水解塔出氣，降低進入低壓吸收系統的總水量，割除下部加熱段，在割除部位組焊新加工制作的汽提段。汽提段內裝有規整填料和特制的氣體分布器。新增加的低壓分解加熱器采用兩段式結構，上段使用二級膨脹槽閃蒸出的低壓蒸汽加熱，下段利用解吸廢液加熱。中壓分解塔出來的尿液經調節閥控制減壓后從低壓分解塔上部進入精餾段，經過5層塔板換熱精餾后從低壓分解塔一次出口流出，從低壓分解加熱器下部進入，經解吸廢液和低壓蒸汽加熱后再次進入低壓分解塔汽提段，與從底部加入的二氧化碳氣體逆流接觸，在二氧化碳氣體汽提作用下，提高尿液中的甲銨分解率和總氨蒸出率。二氧化碳氣體來自二氧化碳壓縮機二段出口。汽提后的尿素從低壓分解塔二次出口進入真空預濃縮器。

2.3.2 改造低壓吸收解吸系統

本次改造將合并低壓吸收與解吸水解系統，取消了尾氣吸收塔。解吸系統取消回流冷凝器，改造為低壓預冷吸收器；取消循環冷卻器、循環冷卻泵、回流泵。解吸塔頂回流液改為氨水(平時基本不用)。解吸水解塔出氣經壓力調節閥控制后進入低壓分解塔的精餾段下部，在塔板上回收解吸水解塔出氣的熱量，降低出氣中的水含量。低壓分解塔出氣從低壓預冷器頂部進入，與從低壓第二冷凝吸收器來的甲銨液并流吸收，低壓預冷器出液管口標高高于低壓第一冷凝吸收器，以降低系統阻力。為了提高吸收效果，甲銨液通過專用噴頭在設備內霧化。低壓預冷器由解吸水解系統的回流冷凝器改造而成。低壓預冷器管間用脫鹽水循環冷卻，脫鹽水帶走的熱量供合成氨系統溴化鋰使用。通過預冷卻器冷凝后的氣液混合物進入低壓第一冷凝吸收器進一步冷卻冷凝吸收，形成的甲銨液用二甲泵加壓后送到預濃縮器的熱能利用段。在低壓第一冷凝吸收器未吸收完全的氣體進入低壓第二冷凝吸收器，用二表液繼續吸收。低壓第二冷凝吸收器由兩部分組成，上部是填料精洗段，下部是冷卻段，冷卻段采用臥式結構，以減小系統壓差。二表液經二甲泵加壓后進入低壓第二冷凝吸收器，經噴頭噴灑到填料上，與氣體逆流接觸吸收后，流入冷卻器繼續冷卻冷凝吸收。吸收后的氣體引到造粒塔頂部放空。吸收后形成的低濃度甲銨液，經低壓甲銨循環泵加壓后送入預冷循環吸收。

改造后，低壓分解吸收系統流程示意見圖4。

圖4 改造后，低壓分解吸收系統流程示意圖

2.4 蒸發系統改造

用真空預濃縮器代替原來的閃蒸蒸發器。由于真空預濃縮器回收熱量較多，閃蒸冷凝器的熱負荷比原來增加3倍以上，一段蒸發冷凝器的負荷相應降低較多。根據系統設備情況，調整冷凝器，原一段蒸發冷凝器的換熱面積400 m2，經計算基本滿足閃蒸冷凝器的需要，于是互換閃蒸冷凝器和一段蒸發冷凝器。改造后，不再對真空預濃縮器與一段蒸發器之間的位差和壓差有要求，真空預濃縮器內的真空度甚至可以高于一段蒸發器內的真空度。為便于調節真空預濃縮器真空度，閃蒸冷凝器氣相出口分兩支，分別到一段蒸發冷凝器和一段噴射器。3只噴射器原使用蒸汽作動力，此次改造時，將一段噴射器和二段蒸發第二噴射器改為水力噴射器，以二表液(氨含量低可以代替脫鹽水)經泵加壓后作為動力。

與用蒸汽作動力相比，用水作動力有以下優勢：

(1) 能耗低。經計算分析水力噴射消耗的電能低于蒸汽噴射消耗的熱能。

(2) 減少排放，有利于環保。蒸汽噴射器內沒有完全冷凝的氣體(主要是氨和二氧化碳)被抽出后放空。此時，水與氣體充分混合，部分氨溶于水中后被回收到系統。水力噴射循環槽放置在2樓，液位高時自動溢流到氨水槽，保證水力噴射循環槽液位始終處于充滿狀態。

2.5 改造蒸汽冷凝液系統

本次改造進一步完善蒸汽冷凝液分級使用，充分利用蒸汽及冷凝液的熱能。一段分解塔加熱器、一段蒸發加熱器、二段蒸發加熱器出來的冷凝液溫度壓力較高，收集到一級蒸汽冷凝液膨脹槽，膨脹產生的二次蒸汽供低壓分解塔上段加熱器使用。一級蒸汽冷凝液膨脹槽的冷凝液流入二級蒸汽冷凝液膨脹槽，再次膨脹產生的蒸汽供系統保溫使用，冷凝液進入一段蒸發下加熱器，再次回收熱量后進入液氨預熱器用于加熱入塔液氨[3]。

改造后，蒸發系統流程示意見圖5。

圖5 改造后，蒸發系統流程示意圖

2.6 改造循環水系統

改造前，尿素主廠房和二氧化碳壓縮機共用循環水系統，在水泵選型時必須按最高處設備用水考慮，所選水泵揚程偏高、功率較大[4]。通過測量系統實際壓力、流量、阻力等后，決定按分層供水考慮，二氧化碳壓縮機和主廠房24 m以下的設備為一組，選擇揚程較低的水泵供水；24 m以上的設備采用接力供水。新增一臺揚程為29 m、體積流量為2 600 m3/h、功率為280 kW的水泵與原水泵并聯；聯通原脫碳循環水系統和尿素循環水系統，共同作為低層供水管網。在尿素主廠房上水總管24 m處安裝閥門，分開高層和低層用水設備。在尿素主廠房一樓增加1臺揚程為13 m、體積流量為1 200 m3/h、功率為75 kW的水泵，把一部分循環水加壓后供24 m以上設備使用。新增的水泵不設置備用泵，當檢修新增水泵故障時，可以切換為原來的流程。改造后，總功率從555 kW降為355 kW，按年運行330 d計算，每年可節約資金90.3萬元。

3 改造效果

改造工作歷時16 d。開車工作不是很順利，經過一段時間摸索后系統逐漸穩定。與改造前相比，一吸塔負荷明顯減輕，一吸塔操作彈性增大，特別是開車過程中一吸塔液位比較容易控制；噸尿素蒸汽消耗下降238 kg，電力消耗降低7 kW·h，原料氨消耗下降2 kg，尾氣中氨體積分數有所下降(夏季不超過1.0%，冬季可達到0.1%)，環境效益顯著。

表1 改造前后72 h測試結果對比

改造后，生產尿素21萬t/a，全年平均噸尿素消耗蒸汽為1 060 kg、液氨為572 kg，耗電量為178 kW·h。每年可節約資金610萬元。本次改造極大地降低了水溶液全循環法尿素裝置的綜合能耗，降低了單位成本，提高了產品的市場競爭力。

4 結語

本次節能改造采用了先進技術和設備，有效降低了水溶液全循環法尿素裝置的綜合能耗，減少了環境污染，降低了單位成本，確保了生產裝置安全穩定運行，達到降耗、節能、減排、增效的目的。