增设小蒸发系统生产增值尿素的实践及优势分析

侯立业，于丽娜

（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江鹤岗 154110）

0引 言

利用现有尿素装置生产增值尿素，通常需将不同种类的药剂按照一定浓度、流量等并入蒸发系统中，经过蒸发后将一定浓度的混合尿液（尿液和药剂）一并送至大颗粒尿素流化床造粒机中进行流化造粒（或送入尿素造粒塔进行造粒），最终产出增值尿素产品。利用（或依托）现有工艺流程生产增值尿素，工艺操作上简单便捷，生产成本及设备投资较低，但也会带来诸多不利影响，例如：加剧设备的腐蚀，成品颗粒中镍含量偏高；蒸发造粒系统工艺参数不易控制，尤其是大颗粒洗涤系统溶液密度、洗涤器除沫网压差偏高，易导致造粒机“死床”，间接增加造粒机的清洗频次；解吸水解系统失调，集中表现为外送工艺冷凝液电导率偏高，其水质长时间不达标会增加污水处理系统等工段的运行成本及处理压力，甚至会酿成环保事故，同时解吸水解系统加热蒸汽消耗量增大，解吸压力和水解压力过高；生产增值尿素期间遇到尿素装置整体减负荷或者停产增值尿素时产品质量难以把控，若药剂中添加有多种色素添加剂，会产生大量的过渡产品（不合格产品），影响销售的同时也造成一定的经济损失。

中海石油华鹤煤化有限公司（简称华鹤煤化）300kt／a合成氨、520kt／a尿素装置主要产品为大颗粒尿素，近年来为实现产品的多元化，满足市场所需，提高企业的经济效益与市场竞争力，自2018年开始生产一定量的增值尿素产品，增值尿素设计产能为1820t／d，2018—2019年累计生产205kt增值尿素。此后，对生产增值尿素期间的相关工艺参数以及分析化验数据进行全面、科学地评估，得出的结论为：生产增值尿素所用的部分药剂对尿素装置的设备等产生了一定的腐蚀，尤其是尿素高压系统设备——池式反应器低压侧隔板及汽提塔列管分布器，而这两处发生严重腐蚀损坏后会迫使尿素装置停车检修，其经济损失远大于生产增值尿素所获得的利润。

为此，2020年华鹤煤化在生产增值尿素前，经全面考量与研究，提出增设小蒸发系统来生产增值尿素的设想，即重新设计（新增）1套小蒸发系统（具体施工装配图及设计参数委托相关设计单位完成），以便从根本上解决上述问题或不利因素，有效避免设备的腐蚀，利于蒸发造粒系统各项工艺指标的控制，使解吸水解系统能正常运行，在不影响原有蒸发系统生产的前提下提高生产增值尿素时的操作弹性。本技改项目完成后，增值尿素产能提高至1910t／d左右，最大的益处是完全解决了设备腐蚀的问题，利于尿素装置的长期稳定运行。以下对有关情况作一介绍。

1 原增值尿素生产工艺流程简介

华鹤煤化尿素装置采用荷兰斯塔米卡邦2000+TM工艺（尿素装置工艺流程简图见图1），大颗粒尿素造粒系统采用荷兰荷丰流化床造粒机技术。原增值尿素生产工艺流程为：所需的药剂在配药小罐中按照一定比例、温度等要求进行混合配制，然后通过加药小泵将配制好的药剂经流量计计量后输送到原蒸发系统一段与二段之间的U形管处，依靠二段蒸发系统的吸力将尿液和药剂吸入二段蒸发加热器列管中，尿液以升膜的方式流入二段蒸发分离器中，于此尿液及药剂中的水、氨、二氧化碳、（部分）药剂等以气相的形式进入冷凝器中，冷凝后的液体进入氨水槽中，氨水槽中的液体再循环送入高／低压系统等；经过二段蒸发后的尿液和药剂混合液依靠重力流入尿液泵入口，由尿液泵将其送入流化床造粒机中进行造粒，再经筛分等工序最终产出增值尿素产品。

图1 尿素装置工艺流程框图

2 原增值尿素生产中存在的问题

华鹤煤化的增值尿素种类主要有稳定性尿素、鱼蛋白尿素、聚天门冬氨酸尿素、聚铵锌（禾谷素）尿素、锌腐酸增效尿素、壳寡糖尿素等，色素添加剂有果绿、柠檬黄、坚固艳蓝、85%亮蓝。上述增值尿素生产时对设备腐蚀性大，严重影响系统稳定运行的有锌腐酸增效尿素、壳寡糖尿素生产所用药剂以及色素添加剂；其中，锌腐酸药剂中腐殖酸含量200 g／L、H2SO4含量0.1%、pH5.5～7.5，不同种类色素添加剂成分见表1（数据来自于色素添加剂生产厂家）。

表1 不同种类色素添加剂成分数据%

上述具有一定腐蚀性的药剂经蒸发冷凝后进入氨水槽，最终进入尿素装置高压系统、解吸水解系统等。由于尿素溶液呈弱碱性，色素中的硫酸根离子和氯离子在弱碱性环境中极易发生电化学腐蚀，破坏金属表面上原有的氧化膜（保护膜）而使金属加速腐蚀，且随着氯离子和硫酸根离子浓度的增加，腐蚀速度加快，特别是会破坏尿素高压系统采用双相不锈钢设备的表面，使高压系统设备出口尿液及增值尿素成品中镍含量超标——池式反应器出口尿液和增值尿素成品颗粒取样分析结果（见表2）显示其镍含量均值超过0.2μg／g、镍含量最高达0.41μg／g。

表2 生产增值尿素时不同时段样品镍含量 μg／g

解吸水解系统进料为氨水槽中的氨水，氨水中的对氨基苯磺酸钠、未磺化方伯胺等进入解吸水解系统后无法利用其沸点不同而从解吸塔气相分离带出，同时水解塔也无法利用化学分解的方式对其予以回收，从而导致外送工艺冷凝液电导率高达20.0μS／cm （正常指标为5μS／cm 以下）。蒸发系统因具有一定黏性的壳寡糖和聚天门冬氨酸药剂的加入，在一定程度上减弱了尿液的流动性，延长了尿液在蒸发系统内的停留时间，造成增值尿素成品缩二脲含量高达1.8%左右，不同时段增值尿素成品主要质量指标见表3。

表3 不同时段增值尿素成品主要质量指标%

同时，具有较大黏度的混合尿液进入造粒机喷头时会加大喷头内转子的阻力，使喷头的喷淋效果差，不均匀尿液喷洒造成多孔板上尿素颗粒结疤形成大块而影响造粒的固体返料比，严重时会导致造粒机停车。

3 增设小蒸发系统的技改

鉴于华鹤煤化尿素装置工艺流程的特点，生产增值尿素时不可避免地会影响到各个系统的稳定运行，包括高压系统、低压系统、解吸水解系统及造粒洗涤系统等，基于现有工艺流程，华鹤煤化提出增设小蒸发系统的技改思路（具体设计由相关设计院完成），以有效避免或大大缓解生产增值尿素时带来的上述一系列问题。

3.1 小蒸发系统工艺流程简介

小蒸发系统作为尿素装置原有蒸发系统的“副线”，在生产不同种类的增值尿素时具有一定的先进性与灵活性。小蒸发系统及关联系统工艺流程简图见图2。

图2 小蒸发系统及关联系统工艺流程简图

小蒸发系统主要设备有一段蒸发加热器、一段蒸发分离器、二段蒸发加热器、二段蒸发分离器、尿液离心泵、一段蒸发气相冷凝器、二段蒸发气相冷凝器、小工艺冷凝液收集槽（即小氨水槽）、小尿液槽。小蒸发系统入口尿液来自大颗粒洗涤系统尿液地槽泵出口，药剂在与地槽尿液混合后进入小蒸发系统，经小蒸发系统一段、二段提浓后由尿液泵输送到原蒸发系统的二段蒸发出口处（即尿素熔融泵入口管线上），与原蒸发系统尿液混合后进入造粒单元进行造粒，最终产出增值尿素产品。小蒸发系统一段、二段气相经冷凝器冷凝形成的液相进入小氨水槽中，这部分工艺冷凝液作为大颗粒洗涤系统的洗涤液，最终流入地槽中。在非正常工况下，经过小蒸发系统提浓后的药剂混合尿液可以暂时存储在小尿液槽中，小尿液槽中尿液靠位差流入地槽中打循环。

3.2 技改项目概况

本技改项目投资总额约550万元，主体工艺设备均采用防腐性能较好的316L及304L材质；小蒸发系统所用循环冷却水总量约160t／h，尿素装置所需循环冷却水总量约4852t／h，尿素装置界区循环冷却水设计总量为5500t／h，完全能保证整个系统的循环冷却水用量需求；小蒸发系统所需蒸汽约3.3t／h，华鹤煤化尿素装置蒸汽单耗（吨尿素产品耗蒸汽量）控制在1.2t以下，小蒸发系统所需蒸汽完全可由池式反应器副产蒸汽来提供，既可避免蒸汽放空造成的浪费又可降低系统蒸汽消耗。

本技改项目完成后，小蒸发系统正式投入增值尿素生产中，小蒸发系统总体运行稳定，但需操作人员精细操作，小蒸发系统进料量约9t／h，当进料组分发生变化时，系统真空度波动较大，需操作人员及时调整；同时，生产中一定要维持小蒸发系统二段蒸发分离器液位稳定，避免发生空液和满液现象。小蒸发系统并入尿素装置生产增值尿素，虽会增加一定的成本，但从长远来看其利远大于弊。

4 增设小蒸发系统的优越性分析

4.1 减少设备腐蚀

小蒸发系统应用前，在生产不同种类增值尿素时，尿素装置高压系统出液中镍含量超出正常范围，基本结论为增值药剂加快了设备的腐蚀，高压系统设备内衬氧化膜被破坏，尤其是池式反应器低压侧隔板及汽提塔列管分布器。高压系统的3台设备（池式反应器、汽提塔、高压冷凝器）内衬氧化膜一旦被破坏，正常生产时是无法自我修复的，必须待停车后重新升温钝化后才能形成致密的氧化膜以实现防腐功能。

投用小蒸发系统后，小蒸发系统有独立的蒸发冷凝液回收系统，混有药剂的冷凝液不再被带入高压系统等，这样就可完全避免硫酸根离子、氯离子对设备造成的腐蚀；尤其是氯离子，因其离子半径小、穿透力强，且具有被金属表面较强吸附的特点［1］，氯离子浓度越高，水溶液的导电性就越强，电解质的电阻就越低，氯离子就越容易到达金属表面，加快腐蚀进程，而尿素装置基本上多以304L、316L不锈钢为主的材料就成了腐蚀的“重灾区”。汽提塔加热器、精馏塔加热器、蒸发加热器等列管可能会因为长期接触腐蚀性介质流体而发生电化学腐蚀［2］，工艺介质会漏入蒸汽系统及蒸汽冷凝液系统，导致整个蒸汽管网被污染，系统被迫停车，其处理耗时费力。投用小蒸发系统后，小蒸发系统一段、二段气相经冷凝器冷凝形成的液相进入小氨水槽中，之后送入大颗粒洗涤系统中，最终循环进入小蒸发系统入口与药剂混合后进行蒸发提浓，如此有效地避免了增值尿素生产所用药剂循环进入主工艺系统中而造成池式反应器、汽提塔、高压洗涤器等的腐蚀。随机抽取小蒸发系统投用前（2018年1月）、投用后（2020年2月）高压系统池式反应器出液中镍含量进行对比，具体见表4。

表4 小蒸发系统投用前后池式反应器出液镍含量 μg／g

4.2 减少对蒸发系统及造粒系统的影响

小蒸发系统投用前，在原蒸发系统一段与二段之间U形管处加入药剂，药剂提浓在原二段蒸发系统中进行，间接加大了原二段蒸发系统的负荷，为保证尿液的浓度会加大蒸汽的加入量，尿液温度需比正常生产偏高3℃才能保证尿液浓度达96%，尿液蒸发温度的升高及停留时间的延长使得缩二脲生成量大大增加，影响成品的质量；与此同时，二段蒸发气相负荷加大，极易造成气相冷凝液过多而积存于气相冷凝器内，造成系统真空度明显下降，进入流化床造粒机中的尿液浓度达不到指标值96%，造粒机出料不佳，造粒机内会出现很多块状尿素，造成整个造粒系统的固体返料比失调，甚至会导致造粒机中“拉稀”而造成“死床”事故。

小蒸发系统投用后，药剂与大颗粒洗涤系统来的尿液（浓度约52%）在小蒸发系统中单独进行提浓，控制小蒸发系统一段温度125℃、压力-35kPa，二段温度128℃、压力-50kPa，即可满足工艺指标要求。此外，生产黏度较大的壳寡糖尿素和锌腐酸增效尿素时也不会影响产品质量，纵使这两种药剂造成小蒸发系统气相管线黏结而影响真空度及冷凝器的冷凝效果时，现场可以通过“热煮”、冲洗等方法对小蒸发系统单独进行处理，处理时间较短——因原蒸发系统负荷可维持在约95%，短时间内小蒸发系统出液浓度不合格也不至于影响造粒工况。可见，小蒸发系统药剂注入主生产系统及其气相回收系统均形成了一个独立的回路，最大程度地减少了与主生产系统的交汇性，从而在一定程度上减少了原蒸发系统和造粒系统的波动。

4.3 降低消耗并实现废液零排放

原工艺流程中，生产增值尿素时药剂部分蒸发冷凝后直接进入氨水槽中，而氨水槽氨水的主要用户为解吸水解系统，使得满负荷生产时解吸水解系统的负荷由42t／h涨至44t／h，解吸塔加热蒸汽（0.40MPa低压蒸汽）消耗及水解塔加热蒸汽（2.05MPa高压蒸汽）消耗明显增加，间接增加了尿素装置的能耗；最主要的问题是，生产增值尿素携带来的药剂在水解塔中无法全部水解分离，导致解吸水解后的工艺冷凝液电导率超标——最高达53μS／cm。而投用小蒸发系统后，小蒸发系统气相工艺冷凝液直接用作大颗粒洗涤系统的洗涤液，洗涤液进入大颗粒地槽中后再返回小蒸发系统中，形成一个独立的工艺回路，药剂不会进入解吸水解系统，解吸水解后的工艺冷凝液电导率只有3.4μS／cm。

以往生产增值尿素时，工艺冷凝液由于色差及组分方面的影响，不能进行有效地回收及排放，造成尿素装置事故储槽液位高，间接增加了环保风险。而小蒸发系统投用后，解吸水解后的合格工艺冷凝液外送量约38t／h，污水处理系统的压力有效降低，且合格时工艺冷凝液可以直接送至水处理单元的阳离子交换器，最终制得精制脱盐水，可在很大程度上降低原水消耗。

4.4 增值尿素停产时不会影响产品质量

生产增值尿素时会加入各种色素添加剂，原有工艺流程中，由于氨水槽、尿素槽中存有一定量带颜色的工艺冷凝液和尿液，停产增值尿素时需有一段时间进行产品过渡，由此会加重包装散库的存储压力——过渡产品的颜色 “五花八门”，成品颗粒中会含有不同种类的成分，尿素产品只得低价售出，影响企业的经济效益。而启用小蒸发系统后，其具有随时隔离的好处，增值尿素停产时不会影响大颗粒尿素产品的质量，且即使小氨水槽中的冷凝液没有送入大颗粒洗涤系统中，也可利用单独的系统将其不定期地送入锅炉工段用于脱硝。

5 结束语

对于生产增值尿素而言，增设小蒸发系统单独提浓添加药剂后的大颗粒洗涤系统来尿素溶液，具有良好的操作弹性，提高了生产不同种类增值尿素的灵活性，大大缩短了生产各种增值尿素产品间的切换时间，大幅减少了过渡产品的产量，间接保证了企业效益的最大化。虽然增设小蒸发系统会增加一定的成本，但从长远来看，投用小蒸发系统具有诸多优越性：总体上可节约尿素装置的蒸汽消耗和减少水处理系统的运行成本及压力，避免工业用水成本的增加，其经济效益远大于设备投资折旧费及运行成本；在产品质量的把控上具有一定的主动性；更为重要的是在设备防腐蚀方面成效显著——有效保证高压系统双相不锈钢设备不被侵蚀及普通不锈钢换热器列管等不被腐蚀，确保尿素装置的长期稳定运行。