大型尿素装置技术改造新动向

王 丽

(中石化宁波技术研究院有限公司 浙江宁波 315103)

大型尿素装置技术改造新动向

王 丽

(中石化宁波技术研究院有限公司 浙江宁波 315103)

分析了我国大型尿素装置的技术现状，介绍了大型尿素装置的技术改造情况及节能优化措施。大型尿素装置采用新工艺、新设备后，降低了装置投资成本和消耗，提高了装置的安全可靠度；通过优化系统工艺条件、优化装置开车过程以及节能减排和环保治理，提高了设备运转率和产品质量，延长了设备的使用寿命，实现了装置零排放。

尿素 径流式尿素合成塔 深度水解 改造

1 大型尿素装置技术现状

2013年，我国尿素生产能力达80 700 kt/a，尿素产量67 070 kt，同比增长7.9%，产能利用率83%。2014年，尿素新增与退出产能相当，总产能基本无增长，保持在80 700 kt/a左右，尿素产量达到69 950 kt。化肥工业“十二五”发展规划的发展目标是到2015年尿素产能达78 000 kt/a，尿素产量达到70 000 kt，产能过剩问题比较突出[1]。目前，大型尿素装置已投产53套，形成尿素产能约31 150 kt/a；近2年新增大型尿素装置15套(产能9 510 kt/a，均以煤为原料)，由于新增产能过快，总产能已趋于过剩，尿素价格持续下滑。在传统氮肥产能过剩日趋严重、装置开工率逐年下降、市场供需矛盾进一步增大的情况下，氮肥企业间竞争呈现白热化，已有多套尿素装置停产，并将合成氨装置改为制氢装置。在这种情况下，对尿素装置进行技术改造以提高产能利用率、降低消耗，是降低尿素生产成本的有效途径之一；另外，还应紧跟农业发展的需求进行氮肥品种调整，积极参与缓控释肥、水溶性肥料、各类专用肥等增效环保新型肥料的开发与生产，积极开发氮肥增效环保新技术和新产品，助推氮肥产业转型升级[2]。

我国大型尿素装置生产技术总体处于世界先进水平，新建装置全部采用先进成熟的汽提工艺，其中二氧化碳汽提工艺约占55%，氨汽提工艺约占12%，水溶液全循环工艺约占32%[3]。装置规模趋于大型化，更加注重规模效应，500 kt/a以上规模产量所占比例大幅增加，新增产能大型装置占75%以上。各种新技术的应用主要有以下几个方面：①池式冷凝器/池式反应器技术的应用，尿素合成塔径流式塔盘的应用；②国产化氨泵、甲铵泵的应用；③二氧化碳压缩机组Tricon TS3000控制系统的应用；④新型耐蚀材料的应用，如Safurex双相不锈钢、双金属材料(外管为25- 22- 2CrNiMo，内管为锆材)、全锆材、DP28W等；⑤用于改造和新建装置的材料升级，如解吸塔填料材质由304 L升级为316 L；⑥径流式尿素合成塔技术用于新建装置和老装置合成塔塔盘改造；⑦全冷凝反应器应用于大型装置中。

2 大型尿素装置技术改造情况

2.1 斯塔米卡邦尿素改造技术

斯塔米卡邦新的尿素装置概念：在高效塔板、池式冷凝器和池式反应器开发的基础上，新建装置的资本投资和运行支出降至最低，保持产品的高质量和低排放，成为无需维护的装置。已经实现的改进：降低合成部分设备高度，减少了资本投资；优化汽提效率，降低蒸汽消耗，从而降低了运行费用；合成部分采用了Safurex材料，实现无氧操作[4]。

2.2 径流式尿素合成塔技术

径流式尿素合成塔(CDFR)又称为第2代尿素合成塔，其塔板为圆缺形，两塔板之间构成径向(水平)流动通道。气相流至凸起被阻拦，通过孔以气泡的形式进入液相，形成鼓泡区域，在此气液发生接触，进行甲铵生成反应。液相流至缺口向上流动，经凸起顶部进入径向流动通道，进行尿素生成反应[5]。由n块塔板组成n个径向水平通道，气液两相在设定的通道内平行流动。由于塔内流体的流动是由进塔物料所受外功所推动，只要外功存在(泵和压缩机不停车)，始终推动物料流体沿径向水平前进而不存在反向流动，即无返混现象。由此可见，第2代尿素合成塔与第1代尿素合成塔在流体力学上完全不同。

CDFR在结构上采用无孔塔板，塔板与衬里之间无环形间隙，气液两相在塔内径向同向流动。在流体力学上，气体和液体两相混合物在相邻两块塔板之间平行同方向流动，气体走凸起通道，液体走弓形缺口通道。CDFR成功解决了二氧化碳转化率低、蒸汽消耗高的问题，该技术于2007年申请专利[6]，至2014年应用该技术的装置达20套，其中在大型装置上应用的有山东华鲁恒升化工股份有限公司日产尿素1 400 t扩产至1 800 t塔盘改造(2套二氧化碳汽提法)、河南中原大化集团有限公司氨汽提法1套。

2.3 组合尿素合成塔塔盘

2011年，大连松海石化检修工程有限公司对中海石油天野化工有限责任公司的尿素合成塔进行了分析比较，确定保留原有10层筛板塔盘，在塔底部增加3层径流式塔板，材质由原尿素级316 L(mol)改为抗腐蚀性能更好的25- 22- 2不锈钢。尿素合成塔塔盘改造后，二氧化碳转化率平均值约为62.26%，比改造前提高了5.63%；汽提塔的汽提效率提高了2.74%；吨尿素蒸汽耗降低136 kg、氨耗降低2.5 kg，达到吨尿素氨耗的设计值(568 kg)；系统运行平稳，操作弹性增大，取得了明显的经济效益。

3 尿素装置的节能优化与环境治理

3.1 优化工艺，降低消耗

尿素装置工艺优化内容：①针对不同负荷工况进行的优化；②压缩机和大机泵驱动蒸汽/电力的合理利用；③加强解吸废液、蒸汽冷凝液和流化床造粒系统洗涤液的回收利用；④优化升温钝化流程，缩短开车时间；⑤优化解吸塔开工程序，提高填料钝化效果；⑥改造解吸放空管线，控制高负荷和开工时的解吸压力，减少放空损失。

3.2 新增深度水解系统

目前运行的氨汽提和二氧化碳汽提尿素装置解吸气经精馏塔填料段后，出口气中w(H2O)在11%～15%，有5 400～5 600 kg/h的水在此冷凝而不进入尿素合成塔。如新增深度水解系统，通过精馏操作，使绝大部分水蒸气冷凝并回收其热量后，高浓度的氨与二氧化碳气体经吸收、冷凝后返回尿素合成塔，可主动调控尿素合成塔的水碳比在最佳范围内运行，从而达到优化整个尿素系统的目的。

深度水解系统投用后，可取得以下效果：①合成塔水碳比降低0.15～0.25，二氧化碳转化率提高2%以上，产量可提高约5%，如同时对装置中“瓶颈”设备改造，可提高产量20%；②在不增加中压蒸汽消耗的条件下，可节约低压蒸汽消耗约10 t/h；③减少进入尿素合成的水量约5.7 t/h，可延长合成塔内反应物料的停留时间2～5 min，有利于提高转化率；④降低了系统的蒸汽消耗，冷却水消耗量相应减少。

如果将深度水解系统的气相与循环系统耦合，通过精馏操作使绝大部分水冷凝在尿液中，可大幅降低进尿素合成塔的水量，即可主动控制尿素合成塔的水碳比，大型尿素装置产能可以提高20%～30%。

3.3 节水减排

主要的节水减排措施：①回收机泵轴承箱冷却水、填料密封水和取样冲洗水；②利用吸收式升温热泵回收低品质热能，减少循环冷却水用量，补充低压采暖蒸汽；③尿素蒸发二次蒸汽洗涤，回收夹带的尿素。

3.4 稳定产品质量

稳定产品质量的措施：①控制蒸发系统温度和真空度，严格控制尿素水含量，添加甲醛提高粒子强度，调整造粒喷头转速，定期清理和倒换喷头，及时处理喷头小孔的毛刺，改进造粒塔通风状况；②通过选用新型高效造粒喷头、改进大颗粒造粒机清理方式、回收造粒装置废气等措施减少排气粉尘量；③采用尿素造粒塔粉尘回收技术，降低并回收粉尘[7]。如：中国石油大庆石化公司化肥厂采用的超声波和高分子纳米不粘涂层技术有效解决了刮料机粉尘黏结形成“驼峰”的问题。云南云天化股份有限公司将蒸汽喷射器改为水力喷射器，使真空度稳定性增强，降低了蒸汽消耗；成品包装采用袋式除尘器，设置风选除尘系统；通过改进造粒机清理方式、采取废气回收措施、增设粉尘回收装置，可将造粒塔排放气中粉尘质量浓度降至50 mg/m3以下，达到排放标准要求。

3.5 加强环境治理

通过采取改造解吸塔塔盘扩大处理能力、保证工艺冷凝液水解解吸装置稳定运行等措施，确保出水符合锅炉给水的要求。对于装置中其他废水的处理也应高度重视，如中国石油宁夏石化公司化肥厂通过增设密闭回收系统回收填料密封水和取样冲洗水、增设事故排液贮槽，实施废水回收；优化开停车过程控制，规范操作，减少生产过程中的排放量。

4 新技术、新材料的应用

4.1 全冷凝反应器技术

全冷凝反应器是高效合成、低能耗尿素工艺技术(THESES)的关键设备，集甲铵冷凝器和尿素合成于一体，其下部和上部分别为冷凝段和反应段。冷凝段为管式冷凝器，工艺物料(氨、二氧化碳和甲铵等气液混合物)由下至上在管内冷凝反应并放出热量；反应段内主要进行甲铵脱水生成尿素的反应，其出口尿素质量分数为26%～30%，可有效分流尿素合成塔的负荷，缩小尿素合成塔容积，有利于实现尿素装置的大型化，最大产能可达4 000 t/d[8]。

THESES工艺的本质是二氧化碳汽提法，但克服了传统二氧化碳汽提法工艺框架过高、操作维护不便、蒸汽消耗较高等不足。THESES工艺的大型高压设备完全可以国产化，装置的总投资远低于引进的国外著名专利商的最新技术。

4.2 新型耐蚀材料及技术

在新增或更新设备上采用新型耐蚀材料，可以提高设备(特别是高压静设备)的耐蚀性能，延长其运行周期。目前，国内已有10多套装置使用Safurex材料的汽提塔或池式冷凝器。采用新型池式冷凝器工艺更新改造传统二氧化碳汽提工艺，使装置的安全稳定性和二氧化碳转化率均有所提高，如中石油宁夏石化公司化肥厂第2套尿素装置采用该工艺对原斯那姆氨汽提工艺进行扩能改造，成功实现了2种工艺的有机结合[7]。

4.3 新型高效塔盘

新型高效塔盘是对合成塔部分老塔盘进行更换的理想选择，如卡萨利公司、斯塔米卡邦公司以及浙江工业大学等的塔盘和相关技术服务为企业提供了帮助，可根据装置实际运行情况进行合理配置。中石化安庆分公司通过采用浙江工业大学生产的波形高效节能塔盘对合成塔内老筛板塔盘进行改造，不仅提高了二氧化碳转化率，而且减轻了汽提塔和中、低压系统的负荷，在降低尿素生产装置能耗与物耗方面发挥了较大作用[7]。

5 结语

大型尿素装置采用新工艺、新设备，不仅降低了装置投资成本和消耗，而且提高了装置的安全可靠度；通过优化系统工艺条件和优化装置开车过程，提高了设备运转率和产品质量；通过采用高压设备在线腐蚀检测和维修技术，提高了设备的使用寿命；通过节能减排和环保治理，实现了装置零排放。

[1] 原野.2013年尿素市场分析及2014年展望[J].中国化肥信息，2013(49)：6- 10.

[2] 佚名.尿素硝酸铵溶液助推氮肥行业转型升级[J].石油和化工节能，2014(3)：36- 37.

[3] 孙宝慈.国内外尿素生产及技术进步综述[J].大氮肥，2009(1)：1- 9.

[4] 刘增胜.大型尿素装置节能技术改造综述[J].化肥工业，2011(6)：7- 12.

[5] 程忠振，池建忠.径流式塔盘在尿素装置中使用情况[J].氮肥技术，2013(6)：8- 14.

[6] 程忠振，余志文，刘金亮.径流式尿素合成塔的发明与应用[J].化肥设计，2009(1)：14- 17.

[7] 雷永杰.第十七届全国大型尿素装置技术年会总结[J].大氮肥，2012(6)：431- 432.

[8] 夏炎华，孙喜.尿素合成新技术——高效合成、低能耗尿素技术[J].大氮肥，2014(Z1)：1- 5.

New Trends of Technical Renovation of Large- Scale Urea Plants

WANG Li

(SINOPEC Ningbo Research Institute of Technology Co., Ltd. Zhejiang Ningbo 315103)

The current technical situation of large- scale urea plants in China is analyzed, and the technical renovation and energy saving and optimization measures of large-scale urea plants are introduced. After large-scale urea plants adopt new process and new equipments, costs of investment of plants are reduced, safety reliability of plants are increased; by optimization of process conditions of system and startup procedure of the plants, and energy saving and emission reduction and environmental protection treatment, equipment operation rate and product quality are improved, and the service life of equipment is prolonged, zero discharge of the plant is realized.

urea radial flow type urea reactor depth hydrolysis renovation

TQ441.41

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1006- 7779(2016)06- 0031- 03

2015- 06- 18)

本文作者的联系方式：wangli.snec@sinopec.com