CO2汽提法尿素工艺降低蒸汽消耗的根本途径

孙卫忠

山东华鲁恒升化工股份有限公司

CO2汽提法尿素工艺降低蒸汽消耗的根本途径

孙卫忠

山东华鲁恒升化工股份有限公司

随着工农业的高度发展，世界各国对尿素的需求量逐步增大，由此带来的能源利用与环境保护问题也相应增加。我国是尿素生产大国，建厂数为世界之最，生产能力和产量也居世界首位。目前，我国能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展的巨大压力，因此，尿素合成工艺节能新技术的开发及利用也越发引起人们的关注。尽管CO2汽提法尿素工艺是市场占有率最大的尿素工艺，但经历数十年的发展，蒸汽消耗始终无法大幅度降低。本文就对CO2汽提法尿素工艺降低蒸汽消耗的根本途径进行分析和探讨。

CO2汽提法；尿素工艺；蒸汽消耗

1 工艺流程

CO2汽提尿素工艺高压圈包括尿素合成塔、汽提塔、甲铵冷凝器、高压洗涤器和高压喷射器；高压液氨作为甲铵喷射器的驱动流体，将甲铵液增压返回合成塔。CO2气经CO2压缩机增压进入汽提塔。汽提塔出口液相送入低压分解系统，汽提塔出口的汽提气和甲铵喷射器来的甲铵液一起进入甲铵冷凝器，甲铵冷凝器由气、液2根管道分别将气体、液体送入尿素合成塔，合成塔中的尿液自流到汽提塔。合成塔气相出口送入高压洗涤器，高压洗涤器出口的气体含少量的氨和CO2，送入低压吸收塔，用工艺冷凝液及蒸汽冷凝液吸收，吸收后的尾气排入大气中。后工序仅设置了低压分解吸收系统；真空蒸发系统包括了2段真空蒸发和冷凝系统，并设置了工艺冷凝液处理工序，真空蒸发后的尿液送入最终造粒工序。

2 影响CO2汽提法工艺蒸汽消耗的因素

2.1 CO2转化率

影响尿素合成塔CO2转化率的因素主要有温度、N/C比、H/C比和原料CO2气体纯度等。尿素合成反应分2步进行，第1步是原料NH3和CO2生产甲铵的快速放热反应，第2步是甲铵脱水生成尿素的缓慢吸热反应，在一定温度范围内，提高反应温度就能够提高CO2转化率和生成尿素的反应速度。合成反应需要在液相中进行，提高反应温度的同时还要提高反应压力、增加动力消耗，然而反应温度提高，介质的腐蚀性加剧，需要更昂贵的耐腐蚀材料。CO2转化率随N/C比的增加而增加，在通常工艺条件下，N/C比每增加0.1，转化率提高0.5%～1.0%。N/C比增加，则合成的平衡压力增高，动力消耗增加，同时过剩氨的循环量也增加，降低了合成塔的反应空间。N/C比过高，则低压循环负荷增加，带入高压圈的水量增加，高压圈H/C比增加。而H/C比增加对合成反应是不利的，在一定温度和N/C比下，H/C比每增加0.1，则CO2转化率要下降1.5%～2%。CO2气体中的惰性气体成分能降低气相中氨的分压，减少了氨在液相中的溶解度，根据研究人员测定，纯度在86%～100%范围内，每降低1%，尿素合成转化率就降低约0.6%，所以，纯度越高转化率越高。

2.2 汽提效率通常汽提塔的汽提效率

当尿素合成塔出液组成不变时，汽提效率越高，低压循环系统负荷就越低，返回高压圈的水量越少，对尿素合成反应有利，但是汽提塔的蒸汽消耗就高。反之，降低汽提效率，汽提塔蒸汽消耗降低，低压循环负荷增加，返回高压圈的水量增加，H/C比增加，造成CO2转化率降低。所以汽提塔的汽提效率不是越高越好，适当降低汽提效率可以降低2.5MPa(a)蒸汽的消耗。但是，由于传统CO2汽提法工艺除高压圈外，只有低压分解回收系统回收的甲铵液的含水量较高，因此通过降低汽提效率来降低2.5MPa(a)蒸汽消耗的量是有限的。

3 降低蒸汽消耗的途径

通过对影响蒸汽消耗的因素的分析，高压圈使用耐腐蚀的超级双相钢材料，操作温度已经接近汽提法尿素工艺的操作上限，防腐加氧量已经降得很低，甚至做到了无氧操作。N/C比提高了0.1%，则H/C比相应的也提高了约0.09%，两者对CO2转化率的影响基本抵消掉，再提高N/C比对降低蒸汽消耗已无意义。

根据NH3-CO2-H2O三元相图可知，回收压力越高，在甲铵液的含水量越低，比如在0.3MPa(a)下回收的甲铵液的水含量约32%，而在1.8MPa(a)下回收的甲铵液的水含量约25%，粗略计算回收相同量的NH3和CO2，返回高压圈的水量可以减少约30%。因此可以通过增加一个中压段，合理分配高压分解回收、中压分解回收和低压分解回收的负荷，将部分高压和低压的负荷转移至中压，既降低了汽提塔的蒸汽消耗，又可以解决返回高压圈的水量增加过多的问题，甚至可以做到返回高压圈的水量不增加。无论是高压分解、中压分解，还是低压分解，甲铵分解都需要热量，要么外部输入(加热分解)，要么依靠减压闪蒸(气化潜热提供热量)，因此有两种中压段的流程。对于传统的CO2汽提法尿素工艺，因高压冷凝器副产的低压蒸汽温度太低，无法作为中压分解的加热热源，只能设置中压闪蒸流程。由于无中压加热热源，中压的负荷就受到限制，汽提塔的负荷就不能降低太多，Stamicarbon开发的带中压的Urea2000plus工艺流程就是此种流程，每吨尿素的2.5MPa(a)饱和蒸汽消耗可以降低至约850kg。而另一种是有合适的中压分解热源，比如高效合成、低能耗尿素技术(THESES)和ACES21工艺。这两种工艺其实也是属于CO2汽提工艺的范畴，因其高压冷凝设备结构独特，能够副产0.6MPa(a)及以上的饱和蒸汽，可以用作中压分解使用，所以可以设置在中压分解加热器的中压段。由于有中压分解加热热源，可以将汽提塔负荷更多地转移至中压系统，可以节省更多的2.5MPa(a)蒸汽，每吨尿素的2.5MPa(a)饱和蒸汽消耗可以降低至750kg以下。

结语

随着尿素市场竞争的加剧和节能、减排越来越受到世人的重视，降低尿素装置的蒸汽消耗是CO2汽提法尿素工艺努力发展的目标，增加中压段是大幅度降低蒸汽消耗的必然选择。

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