引进二手尿素设备运行状况的探讨

张寿华 霍 杰 刘应陶

(达州玖源化工有限公司 四川达州635000)

0 前言

达州玖源化工有限公司(以下简称玖源公司)尿素装置为引进美国1975年建设的二手设备，采用荷兰斯塔米卡邦CO2汽提法尿素生产工艺，原设计能力为907 t/d，在美运行期间曾经过技改扩能，最高生产能力达1 272 t/d；引进后，装置按原拆原装原则进行安装，新增解吸、水解系统和尿素造粒塔，期望设计能力为1 350 t/d，即设计年生产能力为450 kt。该尿素装置于2010年8月 7日正式投料试车投产，近2年来，在消化引进设备及工艺的基础上，加强对装置运行的管理、不断进行技术改造，使尿素装置运行负荷逐步提高，装置最高负荷达设计的103.34%；2012年，创下日产尿素1 395 t的最高纪录及单月平均日产尿素1 371 t 的纪录。通过对装置高负荷运行进行优化控制，提升产品质量和加强节能降耗工作，使尿素产品质量不断提高，吨尿素氨耗和蒸汽消耗逐步降低，吨尿素氨耗保持在约575 kg、蒸汽消耗控制在约1.38 t，产品优等品率>99.5%。

1 尿素装置高负荷运行中存在的问题

1.1 合成塔瓶颈

由于拆回的尿素合成塔容积仅为105 m3，参照国内同等企业设备的生产能力及荷兰斯塔米卡邦工艺包，1 000 t/d尿素装置合成塔容积至少为145 m3，该尿素合成塔容积明显偏小，故尿素合成塔反应物料停留时间短。在美1995年扩能至1 272 t/d时，只是将尿素合成塔内的8块塔板改为11块筛孔密度不同的多孔塔板；另外，尿素合成塔溢流管顶部至尿素合成塔顶部封头距离较近，导致尿素合成塔气相空间小，压力控制操作弹性也较小。

由于尿素合成塔的容积小，生产强度约为12.86 t/(m3·d)，尿液停留时间只有约30 min，导致高压圈的CO2转化率偏低。在尿素产量达1 350 t/d时，实际合成转化率仅为55%～57%，比设计值低2%左右，由此造成汽提塔负荷加重。当尿素产量>1 370 t/d时，合成转化率已降低至53%～55%。

1.2 汽提塔瓶颈

拆回的汽提塔有1 786根汽提管，换热面积仅为1 077 m2。当生产负荷增加到1 350 t/d以上时，汽提效率明显下降(72%～74%)，与设计值(80%)差距较大，导致汽提塔蒸汽消耗偏高，设计耗蒸汽为49.4 t/h，而实际在55.0～60.0 t/h。由于汽提管数量偏少，每根管的液体负荷近 90 L/h，导致蒸汽耗量增加，汽提塔出液温度达173～174 ℃，汽提后尿素质量分数仅为53.00%左右，远低于设计值55.74%。当尿素产量>1 370 t/d时，汽提塔出液温度已接近指标高限(175 ℃)，将加剧汽提管腐蚀，缩短汽提塔的使用寿命。

由于汽提塔汽提效率的下降，加重了低压系统的负荷；当系统负荷逐渐增大时，低压系统压力由0.17～0.19 MPa上升到0.22～0.25 MPa，远高于设计值0.17 MPa，而且放空量的增加不利于降低系统的氨耗。

1.3 高压液氨泵及甲铵泵配置能力偏小

尿素装置原配置2台液氨泵(1大1小)，能力分别为41.70 m3/h和13.23 m3/h。在高负荷(1 380 t/d)运行时，2台液氨泵转速已均接近最大，高压系统氨碳比只能维持在低限(约3.0)。如果遇小液氨泵故障，大液氨泵运行只能维持系统负荷17 000 m3/h左右；如果遇大液氨泵故障需要检修，小液氨泵将无法维持最低负荷生产，尿素装置只能被迫停车。

尿素装置原配置2台甲铵泵，能力均为22 m3/h。在满负荷(1 350 t/d)运行时，所需甲铵量超过了单泵的打量，故需2台泵同时运行，如遇1台泵故障，另1台泵转速提至最大也只能维持系统负荷(约18 500 m3/h)，严重影响了装置的平稳、正常生产。

1.4 低压系统循环量大、负荷重

因高负荷下高压圈合成转化率低、汽提效率较差，造成循环系统工况也在负荷较高的情况下操作，甲铵液返回量约30 m3/h，吨尿素甲铵液返回量约650 kg，远高于设计值(519 kg)及国内同工艺同等能力化肥企业的水平(500 kg)。除了因汽提塔负荷过高造成循环系统负荷高外，解吸、水解系统返回量太大，仅回流液返入低压甲铵冷凝器量达7 043.2 kg/h(设计值为3 165.6 kg/h)，其中水量达2 883.42 kg/h，故限制了低压洗涤器的加水量，使循环压力高，且进入常压吸收塔NH3和CO2量大，通过常压吸塔吸收后经解吸系统返回循环系统。因循环系统分解、吸收负荷高，低压甲铵冷凝器调温水温差达9 ℃，且甲铵液温度也较高(74.0 ℃)，远高于原运行数据(66.6 ℃)。

低压系统负荷大，造成低压系统尾气中氨含量增加、氨耗上升，在高负荷运行时较为明显，尤其是夏季情况更为严重。由于循环水温度高，引起低压系统吸收液温度较高、吸收效果差，使低压循环系统工况恶化、操作困难。

1.5 闪蒸效果差，蒸发负荷加重

原装置在美国生产时与大颗粒装置配套生产大颗粒尿素，尿素装置蒸发系统的真空度要求比塔式造粒低。由于在拆回安装时只是对二段蒸发第2喷射器和二段蒸发第3喷射器进行更新改造，蒸发系统其他部分未作改动，尿素装置投运以来，闪蒸槽压力一直不能控制在设计指标[45～55 kPa(绝压)]；特别是在尿素装置高负荷运行情况下，由于闪蒸冷凝器的换热面积小，达不到较好的冷却效果，造成闪蒸槽压力达65～85 kPa(绝压)，只得临时引一部分闪蒸气至一段蒸发分离器来缓解此问题；但对一段真空度造成了一定影响，导致一段、二段蒸发负荷加重和尿素产品中游离氨偏高；高负荷运行时，一段蒸发压力只能控制在约45 kPa(绝压)，随着系统负荷的提高，对二段蒸发真空度也造成一定影响，特别是在高负荷情况下，尿素产品的水分含量也有所上升，直接影响尿素产品的质量。

由于闪蒸效果差，加重了一段、二段蒸发的负荷，二段蒸发冷凝器的能力也稍显不足，本来换热面积就偏小的最终冷凝器冷凝效果也会受到影响，导致排入大气的最终冷凝器尾气中的NH3和水蒸气比较多，不能回收利用。在冬季循环水温度较低时，还能勉强满足维持高负荷运行的需求；而在夏季，随着循环水温度的上升，尿素蒸发系统尾气的吸收效果较差，偏离了设计值，使氨耗也有所上升。

2 改造措施

2.1 高压系统

2.1.1 优化合成塔的工况控制

通过适当控制汽包压力，加快甲铵在高压冷凝器的生成速率，使尿素合成反应前移，缓减因合成塔容积小的局限程度；同时，将合成压力由14.0 MPa 提高至14.2 MPa，促进尿素合成反应向正方向移动，以提高尿素合成转化率。合成塔出液调节阀的开度保持与系统负荷相对应，既可稳定合成塔液位，又可保持高压汽提塔较好且稳定的气液比，达到较好的汽提效果，减小汽提塔出液温度的波动。

2.1.2 适当降低高压调温水温度

高压调温水控制采用大流量、小温差的原则，高压调温水流量控制在330 m3/h左右，适当降低高压调温水温度，将进口水温控制在80 ℃，调温水进出口温差控制在9～10 ℃，提高了高压洗涤器的吸收效率，减少了尾气中的NH3和CO2含量，有效减小了高压洗涤器尾气阀的开度，减轻了循环负荷，降低了消耗。

2.1.3 适当降低尿素合成塔的氨碳比、水碳比

要减轻后系统的运行负荷和解决低压系统吸收能力差的问题，最主要应降低系统的物流循环量以及减少高压系统整体的反应量。理论上，随着氢碳比的降低，尿素合成塔中的CO2转化率提高。尿素装置设计氨碳比3.00、氢碳比0.41，而实际尿素合成塔中CO2转化率为55%～57%、氨碳比为3.09～3.21、氢碳比为0.46～0.60，该组分严重偏离最低平衡压力时的工艺参数，且在富氨侧。所以，将尿素合成塔的氨碳比适当降至3.05～3.10、氢碳比降至0.43～0.50，不仅有效地提高了CO2转化率，同时也减轻了汽提塔的负荷和低压循环系统负荷，从而降低了系统循环量，使低压系统能够有较好的吸收效果，达到了系统水平衡和全系统的良性循环。

2.1.4 汽提壳侧压力的控制

提高汽提塔壳侧蒸汽压力即提高了汽提温度，有利于甲铵分解。由于受合成塔CO2转化率偏低和汽提塔能力偏小的制约，要保证有较好的汽提效果和避免系统负荷后移，需要适当提高汽提塔壳侧压力，故将汽提塔壳侧压力控制在指标高限，由原2.00～2.03 MPa逐步提高至2.04～2.09 MPa。经过运行观察，在保证汽提塔出液不超温的情况下，逐步将压力控制在高限，有效地提高了汽提效率，取得了较好的效果。但带来了一定的蒸汽消耗上升问题，并随着汽提塔分解温度的提高，其汽提管有腐蚀加剧的风险，因此，提高汽提压力还需谨慎。

2.1.5 解决液氨泵、甲铵泵能力偏小的措施

针对液氨泵无备泵的问题，在2011年度大修期间，新增了1台27 m3/h液氨泵。若大液氨泵发生故障，则开另2台液氨泵维持生产，可以有效避免因大液氨泵故障停车而导致尿素装置全系统停车，也可实现小液氨泵故障停车检修时尿素装置不减负荷生产。

2013年，新增了1台12.5 m3/h甲铵泵，若原配置的甲铵泵中有1台发生故障，开新增甲铵泵维持满负荷生产，可以有效避免因甲铵泵故障导致尿素装置被迫减负荷情况的发生，也避免了因装置负荷波动引起尿素消耗的上升。

2.1.6 高压喷射器前后压差及温度的控制

加氨或减氨应及时调节高压喷射器前后压差，可根据情况调整喷射器的抽吸能力以满足工况的要求。压差偏小，喷射器抽吸能力下降。正常情况下，喷射器前后压差始终保持在1.5～1.8 MPa；同时，合理控制系统NH3和H2O添加量，使喷射泵出口物料温度控制在125～130 ℃。

2.2 循环系统

2.2.1 精馏塔出液温度的控制

在高负荷运行、尿素产品中缩二脲含量不高的情况下，将精馏塔出液温度逐步提高至132.5～136.5 ℃，控制在指标高限，有效地改善了精馏效果，减轻了蒸发系统负荷，同时也降低了产品中游离氨含量。

2.2.2 低压调温水的操作

低压调温水的控制也采用大流量、小温差的原则，低压调温水流量控制在≥1 100 m3/h，增加低压调温水的循环量，有效地提高了换热效率，低压调温水进出口温差由9 ℃下降至7 ℃；同时，根据负荷大小控制低压调温水温度，在负荷高时，逐步将低压调温水回水温度控制在指标低限(约45 ℃)，使低压甲铵冷凝器出口气液温度由74 ℃下降至67～70 ℃，有效降低了低压甲铵冷凝器的负荷，提高了低压甲铵冷凝器的吸收效率，减小了低压洗涤器尾气阀的开度，降低了尾气排放量及消耗。

2.2.3 回流冷凝液的控制

解吸回流冷凝液返回低压系统的量，特别是水量控制的大小，对系统水平衡影响较大。应减少回流冷凝液带水量，控制好回流冷凝液的浓度，则解吸塔出气温度的控制就显得比较重要。当压力一定时，控制此气相温度也就控制了回流冷凝液的浓度。适当增大回流冷凝液返回解吸塔顶部的量，保持较低的解吸塔出口气体温度，有利于提高回流冷凝液浓度，使回流冷凝液返回低压系统的量接近设计值，有效减轻了低压系统的负荷，同时也减少了返回高压系统水量。

2.2.4 低压洗涤器液位和低压系统的水平衡控制

在高压系统优化后，低压洗涤器液位高低的控制关键是应控制低压系统各补液点的补水量，将甲铵液浓度控制在较佳范围。通过摸索，在精馏塔至低压甲铵冷凝器气相进口管道上适当补入一定量的稀氨水，可提高甲铵的冷凝效果，使低压循环系统易于控制，减少放空量。在满足系统的需求下，分配好系统各补液点的补水量，对全系统的水平衡至关重要。

2.2.5 中压吸收塔控制

中压吸收塔的操作压力由0.55 MPa提高至0.65 MPa，循环冷却器出口温度由45～65 ℃降低至40～55 ℃，提高了中压吸收塔的吸收能力，减少了尾气中NH3的排放量。

2.2.6 扩大低压甲铵冷凝器

原低压甲铵冷凝器换热面积为381.1 m2。在装置安装时，更新了该设备，扩大了换热面积，故低压甲铵冷凝器在高负荷运行时裕量大。经不断优化控制，即使在气温较高的夏季，低压循环系统的压力和放空量也基本能得到有效控制。

2.3 闪蒸蒸发系统

由于闪蒸冷凝器的能力太小，换热效果不能满足工况要求，利用2011年度大修机会，更新了闪蒸冷凝器，将换热面积由98.00 m2扩大至170.00 m2；蒸发系统最终冷却器利用换下的闪蒸冷凝器代替，换热面积由7.53 m2扩至98.00 m2。改造后，此2台冷凝器换热面积大幅增加，换热效果有了明显提高，解决了闪蒸真空度差的问题，闪蒸压力由70 kPa(绝压)降至55 kPa(绝压)，闪蒸槽出液温度由93～95 ℃下降至88～91 ℃，尿液槽的尿液组分得到了优化，一段、二段蒸发系统工况明显改善，尿素产品质量也得到了进一步保证。蒸发最终冷却器换热面积扩大后，排入大气的NH3和水蒸气也大幅减少，基本全部回收利用，有利于尿素装置的节能降耗。

3 改造效果

经过近2年不断地摸索和技术改造，尿素装置工况得到了很好的改善和控制，产量也逐步提高，质量稳定在高负荷下正常运行，消耗逐步降低。系统满负荷运行时优化前、后主要控制工艺指标对比见表1。

表1 系统满负荷运行时优化前、后主要控制工艺指标对比

项 目 原美国装置玖源公司装置设计值优化前优化后合成压力/MPa14.814.513.8～14.114.0～14.3合成塔塔顶温度/℃183.5184.3179.5～180.5180.4～181.6合成系统氨碳比3.063.003.09～3.213.05～3.10CO2转化率/%5854～5756～58合成系统氢碳比0.410.46～0.600.43～0.50汽提效率/%778067～7270～76汽提塔耗蒸汽/(t·h-1)55.349.457.0～62.055.0～60.0汽提塔出液温度/℃174.0170.0173.0～174.0172.9～174.3汽提塔壳侧蒸汽压力/MPa2.101.70～2.102.00～2.052.04～2.08汽包压力/MPa0.350.350.380.35～0.37汽包产汽量/(t·h-1)36.250.949.0～52.049.0～53.0低压系统压力/MPa0.210.170.21～0.260.18～0.21低压甲铵液温度/℃677673～7567～70解吸进液流量/(m3·h-1)21.829.437.037.0精馏塔出液温度/℃135.0135.0131.7～132.7132.5～136.5回流冷凝器温度/℃565555～6053～58闪蒸真空度/kPa55.980.055.0闪蒸槽出液温度/℃9193～9588～91

注：以原美国装置日生产能力为1 260 t，玖源公司装置日生产能力为1 376 t计算。

4 结语

针对在玖源公司尿素生产装置在高负荷运行中出现的问题，通过对荷兰斯塔米卡邦公司以及原美国装置设计有缺陷的部分设备改造后，充分发挥每台设备的全部生产裕能。将907 t/d的尿素生产装置，在原美国装置扩能改造为1 272 t/d的基础上，再通过较小的技术改进和生产过程的优化控制，达到尿素装置高产能和较好的工况稳定运行。如果按设计日产1 350 t 计算，尿素装置能力已达到设计能力的101%～103%，达到了高产、低耗的运行效果，大大节约了生产成本，提高了经济效益。