用自主创新的节能减排技术改造传统水溶液全循环法尿素装置

沈华民，刘国胜，王世平，李洪涛

（德州百斯特化工科技有限公司，山东 德州 253400）

0 前 言

尿素作为重要的化肥品种之一，数十年来已经为我国农业增产作出了重要贡献。我国是最大的发展中国家，拥有十三亿以上的人口。基于我国仍然是农业大国且人均可耕地少这一国情，粮食安全至关重要。目前，我国已用世界7%的可耕地养活了20%的人口，在此化肥的贡献是不言而喻的。毋庸置疑，今后我国政府必然会继续支持化肥产业的正常生产和发展。故而，作为肥业支柱的尿素产业也仍将继续向前发展。

21世纪的人类社会，已进入全球化时代。对于高污染高能耗的传统化肥产业的继续生产和发展，首先必须建立在治理三废污染和减排二氧化碳的基础上；同时，化肥产业的发展必须走以节能为主线的低碳经济发展模式［1］。

我国作为负责任的大国，以积极的态度支持节能减排为主旋律的低碳经济发展模式。低碳经济的重要理念是：发展低能耗零污染的绿色经济；淘汰高污染高能耗的落后产能。为此，近年国务院和工信部公布了严重污染环境、高能耗的落后产能行业，其中有钢铁、水泥、石化、火电等六大行业的部分企业［2］。今年我国中东部严重的雾霾天气，必然促使加快治理污染的步伐。

作为石化行业之一的尿素产业，生产过程中亦有废物排放污染的问题，主要为废水及造粒塔排出的废气对环境的污染。另外，有些企业还存在着以高能耗换取高产量的错误观念，这是与低碳经济理念极不相符的。因而，如何继续发展我国传统的化肥产业，首先要转变观念，转变只重视产品产量而忽视产品质量和能耗的错误观念，这是继续发展我国化肥产业的前提条件。

我国中小型尿素装置多数是采用传统水溶液全循环法（以下简称传统法）进行生产的。因而，讨论该类装置的节能技改，对于整个尿素产业实现低碳经济发展具有特殊的、重要的意义。

传统法尿素技术创建于上世纪五十年代末六十年代初，我国于1966年引进该技术。在国家粮食安全保护政策下，上世纪六、七十年代和八、九十年代曾先后两次大批量兴建了中型尿素装置（80～130kt／a）和小型尿素装置（40～60kt／a）。这些装置已成为我国尿素生产的主力军。然而，传统法尿素工艺毕竟是第一代水溶液全循环技术，装置工艺落后，主要问题有两个，其一是合成转化率低，xCO2仅为60%～65%；其二是一段分解压力过低，仅1.8MPa，导致热利用率差。上述两个问题是造成装置能耗过大的主要原因。吨尿能耗为，蒸汽1.5～1.8t，冷却水100～160m3，电130～150kW·h。

对于尿素装置而言，节能方法有如下两种。

第一，热量回收节能（属于直接节能法）。

在尿素装置中，将分解工序释放出来的未反应物——NH3和CO2气体，在回收工序冷凝（吸收），并将其冷凝热回收利用，以减少装置能耗，此即为热量回收节能技术。

第二，提高合成转化率节能（属于间接节能法）。

尿素装置中，xCO2越高，生成尿素量越多，出塔尿液中未反应甲铵及过剩氨总量也越少，后续分解工序所需蒸汽量也越少，循环回收未反应物所需能耗（电能、冷却水）也越少。因而，xCO2的高低密切关联着装置运行的能耗，即xCO2越高，能耗越少。

因此，提高尿素合成转化率已成为尿素装置最为重要的节能方法。

为了提高xCO2，运行较好的传统法尿素装置，已在尿塔内安装了高效塔盘，或设计了多种新型内件，已使xCO2提高至66%～68%，促使装置能耗下降。

但是，由现代工业尿素合成理论分析得知：只要是从底部进料的尿塔，即使将塔盘再增加，或效率再高的新塔型，实际xCO2不太可能逾越70%。

合成转化率小于70%，已成为传统法尿素装置的瓶颈，最先进的传统法尿素装置的能耗指标始终徘徊在汽耗约1.3t（吨尿；下同），落后于汽提法尿素装置。

然而，尿素技术已进入合成时代［2］，其典型代表为美国UTI尿素技术。UTI用逆流等温塔已将xCO2提高到75%，也即UTI仅用合成节能法一项，已能使装置汽耗下降至约1.0t，其先进性已能与汽提法媲美。因而，用合成时代的理论和实践来改造我国传统法尿素装置，则装置发生凤凰涅槃，实现跨越式发展是指日可待的。

为此，在工业尿素合成理论指导下，消化国外先进核心知识基础上，自主创新，开发出两项节能新技术，供传统法尿素装置低碳节能发展选择应用。

其一为逆流换热全液相合成塔，主要针对传统法xCO2低的问题，汲取了美国UTI逆流等温合成塔的先进理念而开发成的新塔型［3～4］。

其二为传统21法技术，主要针对传统法热利用率差、xCO2低两个问题，汲取了汽提法先进理念，结合现代工业尿素合成理论开发出的新流程［5］。

1 技改原则及建议

1.1 技改原则

（1）应从尿素装置是一个系统工程的整体观点来考察，即装置各工序之间是紧密相连的整体角度来寻找能耗高的原因，并找出具体节能降耗的方法、措施；尤其不能就事论事，从局部出发来制订具体措施。

（2）对于传统法尿素装置而言，具体的节能技改措施应以提高xCO2为主、热量回收为辅的原则。因为提高合成转化率是最好的节能措施。

xCO2与能耗之间的关系见图1，该图系笔者（沈华民）以传统法尿素装置NH3／CO2为4.0时，进行数学模拟计算而得出的。

图1 xCO2与蒸汽耗量及合成液未反应物料量的关系

由图1查得，当xCO260%～65%时，汽耗为1.6～1.4t。实际值为1.8～1.5t。

若将xCO2提高到70%，系统蒸汽耗量由图1查得为1.2t。可见，在此转化率下后系统若能回收200kg蒸汽，装置即可进入先进的节能低碳行列。

若将xCO2进一步提高到75%，由图1查得汽耗小于1.0t，这时即使后系统不采取任何节能措施，装置也已进入先进的节能低碳行列。

由此可见，传统法尿素装置节能技改措施应倾向于合成节能法。

1.2 技改建议

我国传统法尿素装置，大致可分为三类。具体技改措施亦略有不同。

1.2.1 第一类：运行水平较差的落后产能

（1）装置概况

①只有解吸系统，经常排放解吸废水；造粒塔顶也经常排出粉尘、废气。

②原尿塔为空筒或设置常规塔板，xCO260%～63%，汽耗1.5～1.8t。

（2）问题讨论

本类装置在尿素行业中属于高污染高能耗的落后产能，如果不及时采取措施，最终必然被淘汰。

环保先行，亟需治理排放的废水、废气，使装置的三废达标排放；同时，装置能耗在同行业中也处于落后状态，也需尽快采取改善措施。

（3）建议

建议分两阶段进行改造，使装置达到同行业先进水平。

①第一阶段 首先需治理污染问题，设置水解系统和造粒塔粉尘回收系统，以解决装置污染问题。对于能耗高的问题，建议将尿塔塔盘改为先进的高效塔盘；同时，对全系统进行优化操作以及参数调整，以提高xCO2来降能耗。

优化调整后使装置xCO2提升至66%～67%，装置汽耗下降至1.3～1.4t，以尽快摆脱落后状态，达到行业中等水平。

②第二阶段 用逆流换热全液相合成技术或传统21法进行改造，进一步提升xCO2＞70%，汽耗≤1.0t，使装置达到行业先进水平。

1.2.2 第二类：运行水平处于中等偏下游的装置

（1）装置概况

①水解系统及粉尘回收系统已设置。

② 尿塔设有普通塔盘，xCO264%～65%，汽耗1.4～1.5t。

（2）问题讨论

本类装置污染问题已基本解决，但能耗还是较高，在行业中运行水平属于中游偏下状态。若墨守陈规，随着时间的推移，在竞争中也难以长期生存。

（3）建议

亦建议分两步走。

①第一步 设置高效塔盘，同时对尿塔塔盘进行优化调整，并对全装置进行参数调整和优化操作，将xCO2进一步提高到66%～67%，汽耗降至1.3～1.4t。

这样，可以用较少的投资尽快提升装置水平，摆脱能耗偏高状态，尽快进入行业中等水平行列。

②第二步 用逆流换热全液相合成技术或传统21法改造装置，进一步将xCO2提高到70%以上，汽耗≤1.0t，使装置达到行业先进水平。

1.2.3 第三类：装置扩产

（1）装置概况

①水解系统及粉尘回收系统已设置。

②尿塔已设置高效塔盘，在生产强度I＝10～12［t／（m3·d）；下同］时，xCO266%～67%，汽耗1.3～1.4t。

③ 因扩产需要，I提高至15～16时，xCO2下降至60%～61%，汽耗上升到1.6～1.7t。

（2）问题讨论

由于扩产，使原先较好的装置成为高能耗高污染装置，如何使装置恢复到原先水平或超过原先水平，选择既节能又增产的新技术是成功的关键。

（3）建议

逆流换热全液相合成技术以及传统21法都是既节能又增产的新技术，可以选择其中之一来改造。在I＝15～16时，均能使xCO2达到70%左右，汽耗可降至1.0t左右，装置进入行业先进水平行列。

2 三废减排技术

尿素生产过程中的三废排放主要为废水排放和造粒塔粉尘排放，其中主要含氨和尿素，这两种物质排入江河或大气中均会造成污染，必须进行治理，并回收有效物质。

2.1 废水治理技术

（1）废水来源 尿素装置的废水主要来自尿素合成反应生成的水。每生成1t尿素会产生300kg水；另外，还有从原料液氨、CO2以及蒸汽喷射泵工作时带入系统的水，最后一起形成蒸发冷凝液。故而，实际生产中吨尿会产生400～500kg废液。若排放这些废液，会对江河造成污染。

（2）组成（wt） 尿素0.5%～1.0%；NH31.0%～5.0%；CO20.5%～2.0%。

（3）国情 原来我国传统法尿素装置仅设置解吸系统，通过解吸可将废液中的NH3脱除，但因为排出废水中仍含有少量尿素，既损失了尿素又会对水环境造成污染，必须进一步处理。

深度水解技术能将废液中尿素和氨一起脱除／回收，使排放废水达标。

（1）水解原理

可见，水解过程分两步进行，首先分解尿素，然后将溶液中的NH3和CO2连同原来残留在废液中的NH3和CO2一起全部解吸为气相，从而使残留液中尿素和NH3含量均小于5×10－6。

（2）国外技术

高压深度水解技术意大利Snamprogtti公司技术，压力3.5～4.0MPa。

中压深度水解技术 荷兰Stamicarbon公司技术，压力2.0～2.5MPa。

低压深度水解技术 美国UTI公司技术，压力1.3MPa。

（3）我国自主开发的水解技术

我国已有多家单位自主研发了水解技术。本文介绍德州百斯特化工科技有限公司的低压水解技术，其流程见图2。

图2 尿素低压水解—汽提工艺流程图

该水解技术特点如下。

①采用单塔。水解和解吸合二为一的单塔操作，流程短，设备少，投资省。

② 底部导入1.3MPa蒸汽直接加热废液，以供水解和解吸之用；同时，还加入少量CO2和空气作汽提剂（空气还是防腐剂），促使废液中的尿素在较低温度下（约190℃）分解为NH3和CO2。这样，更适合于没有中、高压蒸汽的尿素装置。

③采用具有自主知识产权的高效塔内件，排放废液中尿素＜5×10－6、NH3＜5×10－6。

（4）应用

百斯特水解技术已在山东、河南等多家尿素装置上应用，效果良好。

2.2 粉尘治理技术

（1）粉尘来源

尿素造粒塔是绝大多数尿素装置的标志性建筑物，但是若塔顶排出的尿素粉尘治理不力，则塔顶排出白色粉尘状废气也是污染的一大标志。

近年来，随着我国大多数中、小型尿素装置的扩产改造，原设计的造粒塔生产能力已严重不足，一方面导致尿素造粒塔塔顶尿素小颗粒粉尘带出量过多，产生白色粉尘污染大气；另一方面又增加了尿素的损耗。

针对这一新情况，尿素造粒塔粉尘回收技术已成为我国尿素产业三废治理的重点技术，是我国氮肥工业协会推荐的重点环保项目。

本文介绍德州百斯特化工科技有限公司的粉尘回收技术［6］。

（2）治理方法

采用湿式雾化洗涤法脱除粉尘，其特点如下。

①粉尘回收装置应用于原造粒塔为自然通风的造粒塔，因而不需外加强力通风设备；装置全部置于造粒塔上方，操作简便，与生产系统合为一体。

②采用尿素水解废液作为粉尘吸收液的置换补充液，用洗涤喷头加入装置。

③采用先进雾化技术，湿式洗涤回收粉尘，且为三段吸收三段分离回收技术，回收率达85%～90%。

（3）应用

本技术已在宁夏、山东、河南、湖北等二十余家单位尿素装置上应用。最近已在宁夏石化大尿素装置上应用，运行良好。

（未完待续）