尿素产品水分高原因分析及管控措施

曹志泽，孔佩佩

（河南能源化工集团中原大化公司，河南 濮阳 457000）

0 引 言

河南能源化工集团中原大化公司（简称中原大化）520kt/a尿素装置 （设计日产尿素1760t）采用SNAM氨汽提工艺，于1990年5月5日建成投产。尿素装置运行过程中，二段蒸发分离器（V108）易出现结垢现象，且随尿素装置连续运行时间的延长结垢现象持续加重，往年每次停车期间（包括尿素装置大修停车和封塔短停等一切蒸发系统停车的机会）均会对V108进行热洗处理，以保障蒸发系统运行良好。

中原大化尿素装置受（合成氨装置）原料天然气供应限制，自2007年开始实行冬季检修，每年12月至次年1月为大修时间（其他时间不进行大修，若尿素装置被迫停车，只是针对故障设备进行抢修），1月底进入开车程序，每年夏季随着尿素装置连续运行时间的延长，蒸发系统成为尿素装置生产的瓶颈单元：随着循环水温度升高，蒸发系统真空度恶化，导致尿素产品水分高，需利用尿素装置高压设备泄漏停车、合成氨装置故障停车、晃电停车、断蒸汽停车等短停机会联系专业清洗单位清洗二段蒸发表冷器（E154）、一段蒸发表冷器（E151），同时热洗二段蒸发分离器（V108），清洗E154、E151和热洗V108后，尿素产品质量恢复正常。因产品水分超标事件一般出现在夏季，长期以来一直认为是尿素装置大修后随着系统运行时间的延长，蒸发表冷器因循环水水温高、水质差导致其列管结垢堵塞造成系统真空度恶化。但2021年5月尿素装置再次出现产品水分持续超标事件，而蒸发系统真空度恶化缓慢，表现出尿素产品水分与蒸发系统真空度不对应的现象。

1 尿素装置蒸发系统及关联系统概况

中原大化520kt/a尿素装置（简称大尿素装置）采用塔式造粒工艺。原设计尿液进入尿素造粒塔前，必须经过一段、二段蒸发系统加热分离、减压脱水，将尿液浓度提至99.7%、水含量降至0.3%，但实际生产中尿素产品水分在0.5%左右。在尿液由一段蒸发分离器（V107）进入二段蒸发系统后，尿液浓度由95%浓缩至99.7%的过程中，因二段蒸发系统温度比一段蒸发系统温度高，二段蒸发系统控制压力相比一段蒸发系统更低（即二段蒸发系统真空度更高），导致二段蒸发系统副产物缩二脲的生成速率相较于一段蒸发系统更快，二段蒸发分离器（V108）内部分尿液被气相带至V108顶部周围内壁，很快形成不溶物缩二脲，因闪蒸制冷作用，没形成缩二脲的熔融尿液液滴则形成尿素结块，随系统运行时间的延长，缩二脲和尿素结块不断在V108内壁聚集并形成坚硬的垢层，造成V108气相空间减小，影响气液分离效果，导致尿素产品水分高。

2000年后中原大化连续建设了3套高压法三聚氰胺装置，三聚氰胺（简称三胺）设计总产能60kt/a，三胺生产中副产的氨和CO2由配套建设的200kt/a水溶液全循环法尿素装置（简称小尿素装置）转换为尿液后重新被3套三胺装置用作原料，小尿素装置不设蒸发系统及造粒塔，小尿素装置生产的尿液经预浓缩后浓度约70%，送往三胺装置作为原料或送往大尿素装置蒸发系统蒸发后造粒；原设计三胺装置的运行几乎不对大尿素装置产生影响，大尿素装置仅仅为三胺装置和小尿素装置的运行提供尿液和一些辅助原料，但实际生产中由于小尿素装置开车初期所产尿液浓度较低、品质差，为保证三胺装置的稳定运行，此阶段小尿素装置尿液必须送大尿素装置蒸发系统蒸发后造粒，即3套三胺装置所需尿液全部由大尿素装置尿液泵供应（见图1）。三胺装置、小尿素装置与大尿素装置联产后，小尿素装置所产尿液的品质对大尿素装置蒸发系统影响明显；在小尿素装置故障停车时，为保证三胺装置的正常运行，大尿素装置需减负荷运行，大尿素装置中压系统接收三胺装置中压尾气，中压尾气冷凝形成的液相（氨基甲酸铵溶液）也可排至低压碳铵液槽（V106）（见图2）。

图1 大尿素装置尿液泵系统工艺流程简图

图2 大尿素装置中压吸收塔系统工艺流程简图

小尿素装置来尿液内易含有OAT（三胺生产副产物——一羟基三聚氰胺、二羟基三聚氰胺）杂质，三胺装置来尾气冷凝液（氨基甲酸铵溶液）也会含有少量的OAT杂质，据多年的生产经验，OAT极易在V108内聚集。2011年底、2012年底大尿素装置大修时，未对二段蒸发分离器（V108）进行热洗，打开V108人孔发现内部堆满白色结晶物，分析其成分主要为尿素、缩二脲和OAT。此后每年大尿素装置大修和有机会停车时均会采取热洗方式除去V108内垢层，确保蒸发系统运行良好。

2 问题描述

2021年5月份开始大尿素装置出现成品尿素水分偏高且持续增高的现象——成品尿素水分由日常的0.5%涨至0.8%以上、最高达1.0%，但此时二段蒸发系统压力只是出现了轻微的上涨，由2021年4月份的平均约7kPa（A）上升至8kPa（A）左右，而随环境温度和系统循环水温度升高，二段蒸发系统压力出现轻微上升其实属正常现象；为保证产品水分，蒸发系统温度控制偏高，导致成品缩二脲含量也出现偏高现象，由原来的0.7%涨至0.8%左右，中原大化生产车用尿素（颗粒）时对成品颗粒尿素的质量要求为缩二脲含量≤0.8%、H2O含量≤0.7% （注：中原大化大尿素装置除生产普通尿素外，还生产车用尿素颗粒，用户购买车用尿素颗粒后需将其溶于高纯水，经超滤处理，配制成浓度为32.5%的车用尿素溶液），大尿素装置已无法保证出厂车用尿素（颗粒）产品合格率，严重影响公司的信誉和效益。

3 尿素产品水分高的原因排查及处理

据往年的生产经验，从蒸发系统压力与产品水分的对应关系来看，二段蒸发系统压力小于8.5kPa（A）时，尿素产品水分可以保持在0.7%以下，但此次产品（尿素颗粒）水分超标事件中出现蒸发系统压力与产品水分不对应的现象。针对尿素产品水分偏高问题，中原大化尿素厂开展了大量的原因分析与排查工作：起初怀疑有冲洗水或蒸汽冷凝液进入了蒸发系统，经过10余天的努力，对全系统冲洗水管网、尿液管线夹套蒸汽、真空系统法兰、循环水系统等反复做了大量的排查工作，排除了蒸发系统进水、真空系统存在泄漏和蒸汽进入真空系统的可能性。

3.1 三种可能原因的排查

最终，排查思路主要集中在了3台设备身上：①二段蒸发表冷器（E154）循环水侧结垢堵塞，影响二段真空度而导致产品水分高，但二段蒸发系统压力只有8kPa（A）左右，据往年经验属于正常值，且E154和一段蒸发表冷器（E151）循环水属于串联形式，一段蒸发系统压力为60kPa（A），其数据优于往年同期，故E154循环水侧结垢堵塞引起二段蒸发系统工况恶化致产品水分超标可以排除；②二段蒸发系统真空浓缩器（E115）列管内漏，若E115列管内漏，壳侧蒸汽在压差作用下进入E115管侧而溶入尿液中，导致产品水分高，其可能性最大，但因E115属于真空设备，在线判断其列管内漏与否缺少依据，最终经公司领导同意，于2021年5月24日系统减负荷运行，停蒸发系统，E115在线交出查漏，E115共查出4根列管上管板角焊缝处存在轻微泄漏，采取堵管消漏处理，但蒸发系统重启后产品水分仍高居不下，超过0.8%；③二段蒸发分离器（V108）内部结垢严重，V108内结垢严重时，其内部空间会减小，影响气液分离效果，导致尿液中水分蒸发不充分，造成产品水分超标，因大尿素装置已运行30余年尚未出现因V108结垢严重导致尿素产品水分超标的情况，故当时对V108结垢导致产品水分超标尚存疑，但在2021年5月24日E115查漏期间，曾打开V108人孔观察V108内部情况，发现V108结垢严重，从人孔处观察不到气相空间，整个V108内布满白色垢层，联系中心化验室对V108内垢层取样分析，2021年5月24日垢物成分分析数据为缩二脲21.74%、尿素47.44%、OAT20.48%，2021年5月25日垢物成分分析数据为缩二脲21.95%、尿素38.79%、OAT22.86%。

3.2 V108的处理——停车热洗和在线冲洗

在二段蒸发系统与真空浓缩器（E115）查漏消漏后，尿素产品水分未见好转，经公司领导同意，2021年5月26日前系统减负荷，短停蒸发系统热洗二段蒸发分离器（V108），热洗液暂存在700m3常压氨水储槽（T106），后期可逐步送入水解解吸系统予以处理。据计划安排，整个热洗过程持续约8h，热洗结束后打开V108人孔检查，发现V108内中上部仍布满白色垢层，但V108已可观察到气相通道了，V108下部垢层也稍少了一些，受时间限制，V108不具备再次热洗条件，蒸发系统进入开车程序，其后尿素产品水分完全恢复正常，降至0.5%左右。

事后分析造成此次产品水分超标的主要原因为V108内部结垢严重，影响其气液分离效果，造成部分已汽化的水分重新进入尿液中，致使尿素产品水分偏高。约半个月后，尿素产品水分再次升高。2021年6月11日V108再次进行在线热洗，热洗后产品水分再次降至0.5%左右。2021年6月13日因合成氨装置02空气压缩机故障，尿素装置封塔停车（短停），期间彻底热洗V108两遍，装置重启后，蒸发系统运行状况良好，尿素产品水分0.5%、缩二脲含量0.7%。

V108热洗约需8h，受尿液储槽 （T101）容积影响，每次V108热洗尿素装置需减负荷至30%左右，操作难度大，且不利于设备的稳定运行，还会造成较大经济损失。为保证产品质量、减少热洗次数，中原大化尿素厂积极尝试在不减负荷的情况下对V108进行在线冲洗，2021年7月9日、7月26日进行了两次，具体操作步骤为：蒸发系统破真空转循环，冲洗水泵（P110）双泵运行，工艺冷凝液泵（P114）至蒸发系统冲洗水（工艺冷凝液）改为120℃低压冲洗水（工艺冷凝液为温度约55℃、氨浓度约8%的稀氨水，120℃低压冲洗水为蒸汽冷凝液，两者压力均在1.0MPa左右），全开P114至V108顶部加水阀，控制冲洗时间在1h左右，从V108底部视镜观察可明显看到较多的白色颗粒物进入尿液中。V108在线冲洗结束后，产品尿素水分较冲洗前下降约0.05%，确保了产品尿素水分控制在0.7%以下。

4 V108结垢严重原因分析及管控措施

4.1 V108结垢严重原因分析

综上，结合往年夏季产品水分高被迫停车清洗蒸发表冷器（E154、E151）和热洗二段蒸发分离器（V108）的情况，以及每年夏季蒸发表冷器清洗后虽产品水分明显好转但循环水上回水温差不大，确认每次停车清洗换热器后产品水分好转的主要原因在于热洗了V108，本次产品水分高事件的处理更是印证了热洗V108的重要性。

（1）2021年大尿素装置开车后，三胺装置开车初期，大尿素装置蒸发系统接收小尿素装置尿液，大尿素装置中压吸收塔（C101）偶尔接收三胺装置中压尾气、低压碳铵液槽（V106）接收三胺装置碳铵液，三胺装置来介质内都可能含有OAT，随尿液进入V108内，OAT在温度高、尿液浓度高、真空度高的条件下聚集在V108内部形成结垢，中心化验室取样分析垢样中的OAT含量在20%以上。

（2）受前系统锅炉和合成氨装置运行状况的影响以及自身设备故障影响，长期以来大尿素装置实现长周期运行的时候较少，与之相应的操作管理程序是每当大尿素装置停车时，对V108进行热洗，但2021年大尿素装置保持了长周期稳定运行，缺少停车热洗V108的机会，此种情况下，受V108外壁散热状况、三胺装置来介质含OAT影响的叠加，V108内聚集的缩二脲、OAT和尿素垢层越来越多，当垢层影响到水汽流通时，表现出尿素产品水分升高的现象。

（3）近些年中原大化生产车用尿素（颗粒）成为主流，2021年冬季大修结束后，生产车用尿素（颗粒）的任务异常繁重，班组人员将大尿素装置蒸发系统操作指标长时间控制在适宜于生产车用尿素（颗粒）的条件下，相较于生产普通尿素时二段蒸发系统温度更低（目的是减少成品尿素的缩二脲含量），V108底部温度（T09507）控制在133～135℃（尿素结晶温度132.7℃），导致V108内温度低，尤其V108顶部，由于闪蒸制冷作用，V108顶部温度大部分时间低于133℃，系统长时间处于接近尿素结晶温度甚至结晶温度以下运行，导致V108上部物料结晶速度较快，加速了V108内垢层的形成。

4.2 减缓V108结垢的管控措施

（1）为减缓V108结垢，防止尿素产品水分超标，非必要情况下，大尿素装置禁止接收小尿素装置尿液、三胺装置尾气及碳铵液。

（2）大尿素装置必须接收小尿素装置尿液、三胺装置尾气及碳铵液时，中原大化三胺事业部应下发操作指导严控工艺指标，防止将含OAT的介质带入或过多带入大尿素装置。

（3）非生产车用尿素（颗粒）的时间段要求班组人员可稍提高二段蒸发系统温度，控制V108底部温度（T09507）在135～137℃；生产车用尿素（颗粒）时，班组人员根据成品缩二脲含量分析数据适当提高二段蒸发系统温度，控制T09507在134～135℃，以尽量减缓V108内垢层（物料结晶）的形成。

（4）大尿素装置出现短停机会时必须热洗V108，冬季大修时彻底热洗V108，并拆V108人孔观察以确认热洗效果。

（5）大尿素装置每运行半个月左右蒸发系统破真空转循环，V108顶部加水在线冲洗（冲洗水管线管径为3英寸），根据尿液储槽（T101）液位冲洗时间控制在1h左右，据最近两次在线冲洗V108的经验，在工况相同的情况下，在线冲洗后尿素产品水分可下降0.05% ～0.10%。

（6）生产中在排除蒸发表冷器 （E154、E151）循环水侧结垢堵塞、循环水温度升高等影响因素后，若尿素产品水分（均值）连续两天超过0.70%，应果断采取系统降负荷在线热洗V108约8h的处理，以保证产品质量。

（7）外界因素影响致大尿素装置大幅度减负荷时，联系协调各生产部门，果断对V108进行在线热洗。

（8）每班组用工艺冷凝液（稀氨水）冲洗二段喉管2次，每次控制在5min；每周二用120℃低压冲洗水冲洗二段喉管0.5h以上。

（9）日常生产中用3台串联的小功率蒸汽喷射泵（EJ154、EJ155、EJ156）抽蒸发二段真空，偶尔同时投用大功率的蒸汽喷射泵（EJ153）辅助抽蒸发二段真空（一般每周EJ153投用0.5h以上），以增强系统抽真空效果。

5 V108考虑的技改方向

（1）在V108中上部周围加装超声波除垢仪。川化集团有限责任公司尿素装置2007大修时进行了声学防垢技术改造，增设声学防垢装置，据《尿素蒸发二段分离器的结垢防治》一文的描述，尿素装置运行69d后打开V108人孔，能见金属本色，具体情况需找相关人员进行了解。目前中原大化正与超声波除垢厂家进行交流，探讨V108安装超声波除垢仪的可行性，预计2021年底冬季尿素装置大修时可安装到位。

（2）在V108进料挡板台阶上方增设一圈冲洗水喷头。在V108进料挡板台阶上方增设一圈冲洗水喷头，至少每周冲洗1次，每次控制时间在30min，防止缩二脲、OAT、尿素结晶体在V108进料挡板斜坡上大量堆积，但冲洗期间V108底部温度会下降，会造成尿素产品水分高，为保证尿素产品质量，冲洗期间蒸发系统需停造粒转循环。本项技改等待尿素装置冬季大修交出后予以实施。

6 结束语

随着中原大化大尿素装置与三胺装置联产且长时间生产车用尿素（颗粒），蒸发系统温度控制较生产普通尿素时偏低，导致二段蒸发分离器（V108）内部结垢速率加快，V108结垢影响气液分离效果，易导致产品尿素水分升高甚至超标；而且V108内堆积的垢层易发生坍塌，垢层进入尿液后，也会影响尿素产品的质量。通过采取一系列管控措施，尤其是V108在线热洗后，产品尿素水分明显好转。待论证的技改项目实施后，预计V108内垢层对蒸发系统正常生产的影响将得到彻底消除。