提高尿素装置长周期运行的对策

(中煤鄂尔多斯能源化工有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017317)

中煤鄂尔多斯能源化工有限公司(以下简称中煤鄂能化)2×80万t/a尿素装置，采用中国五环工程有限公司(以下简称“中国五环”)的改良型CO2汽提法技术和荷丰大颗粒造粒技术。其中，工艺设计和核心设备(高压四大设备)均实现国产化。关键动设备CO2压缩机为日本日立公司生产，高压氨泵、高压甲铵泵为日本荏原公司产品。

尿素生产包括CO2压缩机、尿素合成装置、大颗粒装置和成品包装4个工段。主要目的是将来自合成氨车间的液氨与来自净化车间的二氧化碳合成为尿素，并使熔融态的尿素成粒进行包装、储存。

该装置采用中国五环改良型CO2汽提法技术与荷丰大颗粒成粒技术，在国内首次实现了百万吨级大型尿素装置工艺包的国产化。该工艺装置由高压合成、低压分解、蒸发、解吸水解4个部分组成，处理后的工艺水中尿素与氨含量小于5mg/L，达到了很好的减排降耗效果。

1 二氧化碳压缩机系统

1.1 二氧化碳压缩机有效运行率不高

1.1.1 原因分析

(1)压缩机为蒸汽透平驱动的离心压缩机，单台设备，无备机，一台机组对应一套系统，如果前系统某套装置出现问题，相应的系统必须停车，无法实行轮换停车检修，造成单系列有效运行率低。

(2)压缩机入口管无放空，入口压力靠净化系统CO2压力调节阀控制，生产中波动大，无调整手段，机组运行不稳定。

(3)二氧化碳压缩机紧急停车时发生反转，原因在于：四段放空阀安装在靠近汽提塔处，离机组较远，紧急停车时，四段出口放空阀泄压不及时，机组出现“急刹车”现象，CO2气体倒流后，推动机组反转，损坏轴瓦。

1.1.2 技改及处理情况

(1)2014年10月，两个系列停车大修，在一、二系列CO2入口管线增加连通。

(2)2015年5月，在CO2压缩机入口阀前增加12寸自动放空阀。

(3)2016年5月，在机组四段出口止逆阀前增加放空调节阀，将二段放空阀移至二段出口止逆阀前。

1.1.3 改造后的效果

(1)在一、二系列CO2入口管线增加连通后，当净化系统的一个系列停车时，尿素装置可以双系列、低负荷运行，提高了操作的灵活性和装置运行周期，减少了浪费。

(2)CO2压缩机入口阀前增加自动放空阀，利用入口放空阀调整，确保CO2入机组时进口压力的稳定。

(3)防反转改造完成后，机组几次紧急停车，未发生反转，减少了轴瓦温度升高的速率及检修次数，确保机组安全、稳定运行。

1.2 二氧化碳压缩机轴瓦检修频繁

装置停车及轴瓦检修的情况统计见表1。

表1 装置停车及轴瓦检修的情况统计

1.2.1 原因分析

(1)结构和材质方面，该轴瓦为错位瓦，基体为钢制，表面镀巴氏合金，轴瓦材质传热慢，在此间因油温局部过高而碳化，碳化物聚集在轴瓦表面，影响油膜的形成。

(2)轴瓦润滑油由轴瓦的油楔进入，利用轴旋转，形成油膜，原设计油楔偏小，进入的油量少，瓦与轴间油膜薄，油温瞬间升高，形成积碳。

1.2.2 改造过程

(1)针对上述2条原因，采取对应措施进行改进：①更换材质，将基体由钢制改为铜基，增加传热；②将瓦油楔改大，增加进油量。

(2)找国内专业的轴承生产厂商测绘、制作。与上海轴承研究所设计人员共同讨论研究，对轴瓦重新设计和改进。2016年7月8日，试用上海轴承研究所设计改进的轴瓦。运行72h后，轴承温度稳定在78℃，振动为14μm，达到运行要求。

1.2.3 经济和社会效益

(1)CO2压缩机原装进口轴瓦一套为50余万元，国产轴瓦一套价格为5万元左右，大大节约了生产成本。

(2)检修一次装置需要停车20h左右，除去人工成本，直接减少的尿素产量在2 000t左右。

(3)压缩机轴瓦温度高，为机组安全、稳定运行带来极大的隐患。

(4)实现了重要设备备件国产化，打破了国外对该项技术的长期垄断。压缩机轴瓦更换前后温度的对比见表2。

表2 压缩机轴瓦更换前后温度对比

注：自2015年3月以来，由于轴瓦温度高，被迫停车检修，清理轴瓦上的积碳，一次停车检修最少需要用15～20h，直接减少尿素产量2 000t。

1.3 压缩机段间超温超压

压缩机检修前后主要数据对比见表3。

表3 检修前后主要数据对比

续表

注：上述数据为压缩机负荷在106%。

1.3.1 原因分析

(1)压缩机一、二、三段出口超温、超压。对比历年开车统计数据得出，同等负荷下，压缩机转速、高压蒸汽消耗均偏高。

(2)压缩机二段冷却器温度高。在6～8月，环境温度大于30℃时，三段入口温度最高达76℃，高于正常温度25℃。

1.3.2 处理过程

2017年5月，利用大修计划检修，具体问题及处理方式如下。

(1)平衡活塞、三段级间密封磨损严重，将平衡鼓密封、机械密封进行更换。

(2)两侧梳齿密封的梳齿内填满黑色粉末及油泥；对梳齿密封进行清理、流道清理、转子做动平衡后安装。

(3)压缩机二段水冷器列管外侧堵塞严重，清洗公司用高压水枪清理列管外侧污垢。

1.3.3 处理后的效果

压缩机段间压力、温度均达到设计值。

2 主装置

2.1 高压圈运行状态差

2.1.1 存在的问题

(1)高压洗涤器尾气阀开度只有95%左右，高压圈内的惰性气体不能及时排放，致使高压圈压力高、波动大，没有调整余地。

(2)7bar吸收塔洗涤吸收液浓度高，组分变化大，液位不稳定，经常出现气相喷液，操作难度大。

(3)合成塔出液温度偏低，长期在179℃左右(正常设计反应温度在183～185℃)，CO2转化率低(在56%)，大部分时间里，合成塔转化率低于设计值(58%～60%)，导致合成塔出液阀开度在98%左右(正常设计在60%左右)，突显高压圈生产能力不足的问题。

2.1.2 技术改进和工艺调整

(1)高压洗涤器尾气阀扩径，将该调节阀通径由DN25改为DN50。

(2)7bar吸收塔液位计改造，原7bar塔液位计在设备底部，测量范围小(为60cm)，液位稍有波动就显示不准，容易造成误判。为了增加液位测量的准确性，将下法兰改至下液管线上。

(3)改造合成塔出液阀阀芯，更换阀芯，增加出液阀通径。

(4)控制高压圈进水量，优化工艺指标，提高转化率。

2.1.3 改造后的效果

(1)高压洗涤器尾气阀门开度分别由95%降至45%，高压圈内的惰性气体能及时排放，不会因为惰性气体多而超压，增加了系统调整弹性。

(2)7bar塔液位计增加测量范围，液位计测量准确，7bar吸收塔运行平稳。

(3)合成塔出液阀阀芯更换及工艺调整，合成塔出液阀开度由98%减至85%，高压圈负荷由101%提升至106%。高压圈改造前后部分数据对比见表4。

表4 高压圈改造前后部分数据对比

2.2 低压调温水冷凝器结垢

2.2.1 存在的问题

低压调温水冷却器结垢，冷凝量不足，造成低压系统超压、放空量大、氨耗偏高。正常时，低压调温水上水温度控制在55～58℃，温度调节阀开度<60%。由于换热器列管内腐蚀结垢，部分列管堵塞，冷却器换热面积变小。当循环水温度在28℃以上时，低压调温水温度调节阀全开，低压调温水上水温度在62℃以上，最高时达65℃。由于调温水温度高，冷凝量不够，造成低压负荷过重，回收量少，系统物料不平衡，制约了整个系统的负荷，只能达到101%。

2.2.2 处理过程

(1)E306为碳钢冷却器，管侧走蒸汽冷凝液，管层走循环水，长周期运行以后，管层结垢并造成列管堵，影响换热效果，制约主装置的整体负荷。在装置运行时，换热器无法清洗。

(2)为了解决问题，购买了1台新的E306，并对列管进行涂膜处理，利用停车机会将二系列E306进行更换。再将换下的E306列管进行更换涂膜处理，等待一系列停车进行更换。

(3)2016年8月至2017年5月，由于前系统运行稳定，换下的E306需要更换列管和涂膜处理，尿素装置没停车机会，一系列E306一直未能更换新设备，系统整体负荷只能在101%运行。一方面要确保产量任务，另一方面又不能停车处理，最终经讨论决定，在线并联换热器，暂时满足生产要求。利用中煤鄂能化公司其他车间旧的换热器(换热面积相当于E306的10%)，通过打压堵漏试验、并联在线。投用后一系列负荷得到提高，由101%提至106%，一直使用至今。

(4)2017年5月大修。将暂时并联的换热器去除，更换新换热器。

2.2.3 处理效果

(1)并列小换热器投用后，一系列负荷得到提高，由101%提至106%。系统多生产了2.3万t尿素。

(2)低压调温水温度调节阀开度在60%以下，调温水温度控制在55～58℃。低压调温水冷凝器改造前后数据对比见表5。

表5 低压调温水冷凝器改造前后数据对比

2.3 蒸发表冷器泄漏

2.3.1 存在的问题

(1)由于表冷器直径大且长，列管与管板间没有膨胀节，开停中温度变化大，管板与列管间容易出现裂口。

(2)泄漏的循环水进入工艺冷凝液内，解吸系统无法处理循环水带入的钙、镁、氯等离子，导致工艺冷凝液长期不合格。

(3)工艺冷凝液漏入循环水后，溶解在水中的钙、镁离子缓慢地附着在解吸塔盘上，长期运行后，塔盘小孔变小(由φ6变为φ4)，解吸塔出现液泛，负荷降低。

2.3.2 处理过程

(1)表冷器查漏，将泄漏列管用堵头上下焊接。

(2)解吸塔盘清理，结合人工清理与高压水枪冲洗塔盘，将附着在塔盘小孔上的水垢清除。

2.3.3 处理后的效果

(1)解吸废液合格率提高。

(2)解吸塔负荷增加，减少解吸塔液泛。蒸发表冷器改造前后数据对比见表6。

表6 蒸发表冷器改造前后数据对比

3 造粒系统

3.1 造粒机内壁粉尘结块脱落导致工况异常

3.1.1 存在的问题

流化床造粒室内尿素熔融液经分配管进入雾化喷头，喷洒到已干燥或部分干燥的返料晶种细粒上，通过团聚或涂布的形式使尿素颗粒长大，再经流化风冷却形成大颗粒产品，在此过程中，也伴随产生大量粉尘，随洗涤风进入洗涤系统洗涤回收。当粉尘经过造粒机内壁时，遇冷集聚附着在壁上，随着运行时间的增加，粉尘疤块也逐渐增大至自动脱落，砸坏喷头及多孔板，造成喷头堵塞。喷头堵塞后，尿液不能正常喷射，直接堆积在疤块周围，形成更大疤块，使造粒机不能正常运行，被迫停车处理。

3.1.2 处理过程

造粒机上部增设吹扫空气管，将133℃的雾化空气引至造粒机顶部及粉尘易集聚的部位，运行中连续吹扫造粒机内壁粉尘，减少造粒机内壁粉尘附着量。

3.1.3 处理后的效果

在正常运行中，造粒机内未发生疤块脱落损坏多孔板、砸坏喷头及堵料，造成被迫停车的事件。定期例行清理造粒机时，发现内壁只有很薄一层结块。解决了造粒机内壁粉尘集聚结块的问题。

3.2 造粒机多孔板易开裂导致工况异常

3.2.1 存在的问题

多孔板安装在造粒机下箱体上，用于暂放晶种及大颗粒成品，也是完成大颗粒造粒的关键部件。其厚度为1.2mm，下部由10×80mm及5×40mm厚304不锈钢网格支撑，并用氩弧焊点焊在网格上。由于大颗粒造粒工艺决定了多孔板长期呼吸式运动，加之原设计造粒机流化床幅面较大，多孔板支撑网格跨度大、固定点少、支撑梁断裂，破损严重。2016年1～4月，多孔板损坏4次，造成系统非计划停车4次，每次停车处理需要10h，减产超过1 200t尿素。

3.2.2 处理过程

对于多孔板支撑网格跨度大、固定点少、支撑梁易疲劳断裂、多孔板易破损等问题，进行了有针对性的加固。首先，用φ89管对每块网格进行支撑加固，增加2个固定支撑点，减小跨度，增加了网格板强度；其次，将多孔板与下部支撑网格用L40角钢焊接在一起，增加多孔板的固定点；最后，在多孔板上用10×10cm压条将其固定，减少多孔板的振动开裂。加固形式见图1。

图1 尿素大颗粒造粒机多孔加固示意

3.2.3 处理后的效果

多孔板加固产生的效益包括：①减少系统非计划停车次数，为完成公司生产任务提供保障；②减少了技改费用，节约多孔板改造费用达160多万元。

3.3 尿液三通阀内漏改型

(1)三通阀是尿液进入造粒机前的控制阀门，一共有10组，每组1个三通阀和配套导淋及吹扫蒸汽。由于阀门机构设计不合理，经常出现内漏，导致正常运行中导淋堵塞。在减负荷时，不能及时退出喷头；在加负荷时，由于阀门内漏，堵塞喷头管道，无法投入喷头，严重影响系统运行。

(2)处理过程及措施。尿液三通阀更换为进口三通旋塞阀。

(3)技改后效果。杜绝了三通阀内漏堵管问题，保证了大颗粒运行周期。

3.4 尿液过滤器易堵塞改型改造

(1)尿液进入造粒机前，为了防止尿液内的细微杂质堵塞喷头，在尿液总管上安装了一个小型T形过滤器，正常运行中，尿液内的杂质较少，每次大颗粒停车时拆卸清理即可。但是在每月清洗造粒机后的开车初期，因系统尿液打循环，将槽底大量的杂质冲起，使T形过滤器在大颗粒造粒后很快堵塞，且需短停数次才能恢复尿液清洁，进入正常生产运行中，严重制约了大颗粒装置的运行周期。

(2)处理过程。尿液管线增设双联过滤器，实现了在线清理过滤网。

(3)处理后的效果。增设双联过滤器后，没有再因过滤网堵塞造成大颗粒装置非计划停车。

3.5 甲醛加入系统改造

(1)甲醛是通过计量泵直接加入尿液中，与尿液按1∶0.013比例混合后造粒，甲醛的加入能提高成品强度，减少粉尘的产生。原设计甲醛泵为隔膜柱塞式计量泵，装置负荷在100%时，运行状态差，甲醛加入量不稳定，且经常因出口憋压故障跳车，影响大颗粒稳定运行。

(2)处理过程。甲醛计量泵跳车，造成系统多次停车，并且出现不合格产品，经过调研和与多个厂家沟通，利用离心泵代替计量泵，并增加“UF”系统，让甲醛与尿液提前充分混合，确保甲醛在尿液中分配均匀。

(3)处理后的效果。将计量泵更换为离心泵后，消除了计量泵频繁故障导致甲醛加入量不稳定的问题；增加“UF”系统后，尿素成品颗粒强度由原来的32N提升至41N，减少了运输过程产生的粉尘量。

3.6 雾化空气管优化改造

(1)雾化空气的作用是将尿液雾化后造粒，对空气的温度、压力有严格要求，如果风压不够，尿液不能完全雾化，将直接堆积在喷头周围，甚至倒流进入雾化风管，造成雾化风管结晶堵塞，同时增加清理清洗造粒机的时间和难度。原设计每根雾化风管盲端有个φ20堵头，用于冲洗雾化风管内尿液结晶，由于堵头过小，清洗造粒机时，不便观察，易造成风道清理不彻底，影响风量风压，造粒喷头雾化效果差，导致大颗粒非计划停车，影响运行周期。

(2)处理过程及措施。将φ20雾化风管堵头改为与风管同尺寸(DN100)的螺纹管帽，便于风管内件检查及反冲清理。

(3)改造后的效果。清洗雾化风管时，大大提高了效率，为清洗造粒机节约了时间，将清洗造粒机的时间由10h缩短至8h。

3.7 最终产品冷却器改造

(1)最终冷却器为循环水板式冷却器，冷却效果差，管板数量多，成品流动中与管板摩擦产生大量粉尘；管板经常出现泄漏、成品结块、水分高的情况；清理、清洗不方便；夏天成品温度达到65℃左右。

(2)处理过程。将板式最终冷却器改造为流化床冷却器。

(3)处理后效果。系统运行稳定，成品温度达到设计要求，只有夏天环境温度达35℃左右时，成品温度到60℃，其余时间成品温度都在45～50℃左右。流化床冷却不但可有效降低产品温度，还减少了粉尘量。技改后包装回收的粉尘减少了近三分二，由原来的每天50袋减少至20袋。

4 结语

通过优化工艺条件和改造技术，压缩机轴瓦温度稳定，高压圈负荷得到了提高，大颗粒造粒机运行周期由不足30d延长到45d左右，提高了系统的运行周期，进一步提高了尿素产品质量，降低了员工的劳动强度，减少系统消耗，实现了单系列3 000t/a，取得了良好的经济效益。