CO2汽提法尿素工艺中的节能方法

陈庆鹤

（江苏晋控装备新恒盛化工有限公司，江苏新沂 221400）

伴随经济发展，我国的工业及农业水平提升，尤其是农业发展对尿素产量提出较高的要求。我国作为尿素大国，尿素厂数量为世界最多，产量也处于世界榜首。但我国的能源产业面对较大的压力，要求尿素产业在发展中积极使用节能技术，避免发生能源浪费问题。二氧化碳汽提法在生产过程中，热能往往没有大量回收，而是根据循环水冷却的方式，将热能消耗，导致热能及水资源浪费。对此，本文分析二氧化碳汽提法工艺中的节能方法，为我国尿素节能生产奠定坚实的基础。

1 传统二氧化碳汽提法

制作尿素最为常见的方法是汽提法，根据生产工艺又可分为氨气汽提法及CO2汽提法，我国常见的是CO2汽提法，该制作方法工艺简单，操作方便，流程短。近几年，我国CO2汽提法不断改善，产量也不断提升，但先进的池式反应器使尿素框架高度降低，对减轻蒸汽消耗量帮助不大。

在传统CO2汽提法生产过程中，通过高低压分解及回收、解吸水解等方法，主要特点是在操作中，对温度及压力进行控制，在压力较低的状态下生产，整个加工工艺流程短，在高压转向低压的过程中，操作较为便利，能耗小；但存在转化率较低，导致尿素产量无法提升的缺陷。我国在1970年开始引入斯塔米卡邦公司的CO2汽提法，并对该工艺进行改善，在二十一世纪初期，我国引入先进的Urea2000+工艺。在1970后，我国的尿素装置蒸汽消耗参数发生变化。1973年，我国引入辽河装置，温度在183℃，压力在13.3MPa，氨碳比为2.85，水碳比为0.388，二氧化碳转化率为57.10%，每吨消耗的蒸汽在1 005kg。1994年，我国开始引入先进的防腐装置，防腐加氧量在千分之五，温度在183℃，压力在14.3MPa，氨碳比在3.02，水碳比在0.425，二氧化碳转化率在59.54%，每吨消耗的蒸汽量在1 003kg。2008年，我国将一种全新装置引入，防腐加氧量保持在千分之三，温度保持在184.6℃，压力保持在14.1MPa，氨碳比在3.12，水碳比在0.515，二氧化碳转化率在58.36%，每吨消耗的蒸汽量在985kg。2011年，引入博大装置参数，温度在184.3℃，压力控制在14.2MPa，氨碳比在3.12，水碳比在0.513，二氧化碳的转化率在59.86%，每吨消耗蒸汽量在920kg。

2 CO2汽提法蒸汽消耗的因素

CO2汽提法蒸汽系统使用水解塔及汽提塔、蒸汽饱和器等，2.5MPa蒸汽进入水解塔及汽提塔中，冷凝后进入高压蒸汽饱和器。对汽提塔负荷高低产生影响的因素是二氧化碳转化率及汽提塔效率降低，导致二氧化碳转化率增高，分解的NH2COONH4量缩减，导致汽提塔运行负荷缩减，汽提塔的运行效率随之 增高。

2.1 二氧化碳转化率

二氧化碳转化率对尿素合成塔工作效率产生影响，其影响因素包括温度、水碳比、氨碳比等。尿素合成反应分为两个步骤，将氨气及二氧化碳产生的NH2COONH4脱水转变为尿素，在温度范围内，提升反应温度，有利于提升尿素的生成反应速度，提升二氧化碳转化率。通过蒸汽反应，使温度增高，介质腐蚀程度上升。对此，还需使用价格更为昂贵的抗腐蚀性材料。伴随氨碳比上升，在一般工艺条件下，氨碳比增高，平衡压力增高，过剩的氨循环量增高，平衡压力增高，动力消耗量增加，过剩的氨循环负荷增高，从而导致高压圈水量增多，二氧化转化率降低。

2.2 汽提效率

二氧化碳进入汽提塔后，合成塔液在塔顶分布器中流动，二氧化碳自汽提塔塔底进入，合成塔液接触到二氧化碳，在分解反应后，二氧化碳自塔顶输出，进入高压甲铵冷凝器，可缩减氨分压，使甲铵的分解速度加快，最终形成尿素。对此，应当认识到以下问题：①压力有利于提升二氧化碳汽提。②尿素溶液温度增高可加快游离，使甲铵快速分解，为气体吸收提供帮助。③在汽提塔中气液分布可平衡气液比例，比例高气体效率高。可根据计算公式进行分析，根据α=转化为尿素的氨气量/总的氨气量* 100%公式，一旦水碳比增高，二氧化碳转化率降低。对此，汽提塔汽提率效果不理想，而是应当适当对汽提率进行缩减，缩减范围在2.2MPa。传统二氧化碳汽提法适当降低分解吸收系统中的NH2COONH4量，可以降低汽提效率。

3 CO2汽提法尿素工艺中节能方法

针对CO2汽提法工艺发展情况及存在的问题，提出CO2汽提法节能措施，从而提升工艺效果，保证尿素稳定生产，提升产量的同时，降低能源消耗。

3.1 缩减蒸汽消耗的措施

氨碳比增加千分之一，水碳比也会增加，导致二氧化碳转化率稳定，增加氨碳比，对缩减蒸汽消耗的意义不大，传统二氧化碳汽提法，若想缩减蒸汽消耗量，应当适当缩减汽提塔的运转负荷。根据氨气、二氧化碳、水三元图，可以认识到回收的NH2COONH4量水分少，0.3MPa以下的NH2COONH4液体量缩减，对此，还需增加水压，降低汽提塔蒸汽损耗量。传统二氧化碳汽提法在应用中，冷凝器水分温度低，无法对加热源分解，往往需要设置中压闪蒸措施。在没有加热源的情况下，负荷受到影响，往往需要设置中压闪蒸流程。若负荷受到限制，汽提塔负荷下降量过少，使用Urea2000+工艺流程，包括日本东洋公司的ACES21工艺及五环工程THESES技术，使用特殊的高压冷凝设备，生产出0.6MPa饱和蒸汽，将其作为中压分解。这种工艺可以节约2.5MPa的蒸汽，使蒸汽消耗量控制在750kg以内。

3.2 CO2汽提法尿素工艺部分节能措施

现阶段，二氧化碳汽提法尿素工艺节能措施包括：①使用高压甲铵泵及高压液氨泵控制变频调速装置。在一定程度上降低吨尿素损耗，达到理想的控制效果。②尿素装置具有14MPa合成压力，相比水溶液循环法，尿素工艺合成压力小，一定程度上改善电能消耗。相比水溶液循环工艺，使用的尿素合成工艺可以降低能耗。在常压及低压吸收塔进行设置，对高压洗涤器系统尾气排空问题进行处理，经过0.4MPa吸收塔对内部二氧化碳及氨气进行吸收，吸收后去常压及低压处理，一定程度上降低原材料消耗，达到降低有害物质排放量的目的。

3.3 更换分布器，提升汽提率

自实际角度上看，二氧化碳汽提法通过二氧化碳汽提方式保证反应效果，在高压合成系统中完成甲铵分解，导致低压负荷增加，使放空损失量增高，原料氨损失量降低。对此，应当合理控制汽提效果，避免对二氧化碳汽提率产生影响。汽提塔分布孔对汽提管液体分布产生影响，液膜厚度也存在差异，导致二氧化碳汽提率受到影响。过往的工厂在尿素生产过程中，汽提塔分布器具有较长的使用周期，在检修过程中应当更换零件，分布混合应用阻力也并非是正态分布，离散度较大，导致汽提塔液体呈现不均匀分布，使汽提工作效率降低。在整改及更换后，设备分布器小孔阻力集中分布，具有较小的离散度，液体分布相对均匀，这也在一定程度上保证汽提效率。

3.4 对技术进行改造及设备更新

技术进行改造及设备更新包括以下几个方面：①对二氧化碳压缩机及防喘控制系统进行调整。在CO2汽提法尿素生产中，应当对二氧化碳压缩机速度进行控制，现阶段的调速及防喘振系统中，防喘振阀预留出开度，压缩机低压缸循环量较大，导致压缩机能耗增加、工作效率无法有效提升。对此，在升级改造过程中，需要选择具有控制系统的服务商，在优化改革后解决传统机械调速面对的问题，使调速精度提升，喘振裕度达到理想的标准，从而缩减二氧化碳压缩机能源消耗。②对CO2压缩机透平喷嘴进行调整。在尿素生产过程中，前期低压蒸汽品质差，容易导致二氧化碳压缩机透平蒸汽喷嘴处于严重的坑蚀状态。在一定程度上使喷嘴形态发生变化，透平叶片内部无法获得蒸汽程序，无功损失率增高，降低工作效率的同时，也提升蒸汽消耗量，对此，对喷嘴进行更换，有利于降低损耗量。

3.5 使用电机变频调速装置

为满足二氧化碳汽提工艺要求，降低企业能源消耗，企业可引入电机变频调速装置，该装置可缩减生产过程中的电消耗量，发挥节能效果。电机变频调速装置合成压力在14MPa，有效减少二氧化碳压缩机及高压液氨泵电能消耗量，该装置与水溶液循环尿素工艺相比，可达到降低电能的目标。

3.6 对设备腐蚀问题进行处理，降低消耗

在尿素生产过程中，常见设备腐蚀。比如，晶间腐蚀，甲铵溶液可腐蚀不锈钢，对焊机缝融合线具有较强的腐蚀性。溶液中的硫化物及水分会导致不锈钢发生敏化反应。敏化反应腐蚀对不锈钢持续性腐蚀，先腐蚀表面，随后腐蚀内部，容易发生严重的损坏。均匀腐蚀是尿素生产过程中的常见问题，导致金属表面失去光泽，使金属表面变得粗糙。选择性腐蚀，甲铵溶液对不锈钢缝隙产生腐蚀，腐蚀导致生产设备发生损害，工作效率降低。在二氧化碳汽提法尿素生产过程中，发生腐蚀的表现一般是受到介质温度及介质物质发生变化，介质温度对高压设备产生腐蚀，从腐蚀原理上看，尿素设备腐蚀主要发生还原性腐蚀，加速溶液还原物质生成，从而加速尿素高压设备电化学腐蚀。介质物料对高压设备也会产生影响，高压设备腐蚀的电化学因素，在尿素生产过程中，会加大腐蚀。对此，在腐蚀管理过程中，应当选择合适的材料，降低腐蚀率，腐蚀率降低后，企业能耗随之减小。对此，在尿素生产过程中，受到各种影响可能停产，高压物料封塔处理过程中，高压封塔期间氧含量降低，其他材料降低的情况下，一般只能维持24h，24h未能投入新的物料，需要进行排放处理。Safure材料处于低氧环境下具有良好的抗腐蚀能力，在尿素生产中，应当选择此类材料，增加抢修时间，减少停产频次，降低企业损失。

3.7 解吸水解系统节能操作

在二氧化碳汽提法生产过程中，解吸塔给料泵将氨水槽中的水分加压后（其中含有氨气及尿素、二氧化碳，工艺冷凝液），通过换热器，将液体送至第一解吸塔，通过解吸塔处理功能及氨水槽对液位进行调节。温度控制在117℃，自塔顶开始向下传递热度，调节阀调节回流液体过程中，第一块塔板温度保持在115℃，需降低第一解吸塔含水量，保证回流液的含量。在第一解吸塔中，水解塔及解吸塔将液体冷凝，将氨气及二氧化碳提出。流出第一解吸塔后，液体中存在少量的氨气及尿素，第一解吸塔液位调节过程中，通过调节阀进行调整。第一解吸塔液位调节阀在运行过程中，第一解吸塔液体使用水解泵加压，通过水解换热器后进入水解塔，在操作过程中，水解塔压力保持在1.96MPa，在操作过程中，温度保持在215℃，停留时间保持在40min，使用高压蒸汽加热，随后对蒸汽流量进行调节，使蒸汽流量进入水解塔底部。水解塔内的液体经过水解换热后，液位调节阀排放至第二解吸塔，在第二解吸塔底部通低压蒸汽，使第二解吸塔温度保持沸点，进一步对水解液进行分解。

3.8 常压吸收塔节能操作

减少0.4MPa吸收塔下液压力，避免常压吸收塔上段发生带液问题，常压吸收塔中二氧化碳质量自15%下降到8%，观察是否发生管路堵塞问题。根据系统发生负荷的状态，对吸收塔软水加入量进行调整，提升吸收塔的工作效率，经过尾气吸收后，氨气含量降低，有利于降低尿素损耗，每吨尿素少损耗2kg。

3.9 尾气吸收系统节能改造

在系统改造前，我国常用的低压放空气系统，在常压状态下，吸收塔上部填料使用0.4MPa吸收塔吸收液体，为增加循环量，进入常压状态后，经吸收塔水循环冷却器再次送至常压吸收塔，在第二段的填料上部完成循环吸收。常压吸收塔工作中，存在溢流口，循环吸收的液体自溢流口进入氨水槽。尾气吸收系统存在的典型问题是吸收塔中氨量高，容易在进入吸收塔后，发生闪蒸情况，导致常压状态下的吸收塔气相带液。一般情况下，常压吸收塔液体中的氨量高，低压放空气含有大量的二氧化碳，常压吸收塔下液结晶温度处于较高的水平，温度一般在55℃，在生产过程中可能发生结晶堵塞。在系统改造过程中，对常规循环吸收调整为常压吸收，降低循环吸收液体浓度，保证整体吸收效果。常压吸收塔自倒U形管管路进行控制，调整为液管上安装调节阀，避免液位波动产生气体进入氨水槽，也能减轻环境污染。通过旧设备改造方法，有利于改善常压吸收，使软水作为吸收液，降低尾气氨气含量，避免发生放空损耗。

4 结束语

二氧化碳汽提法发展过程中，操作工艺较为简单，工艺流程短，已经受到较多尿素厂的青睐，伴随市场环境改善，节能减排受到政府重视，尿素厂在生产过程中，应当关注节能减排工作，注意电能、蒸汽、水能源的消耗量。在CO2汽提法尿素工艺中，冷却设备的目的是换热降温，物料工艺上对水温具有较高的要求，对此，对循环水温度提出较高的要求，导致冷却设备内部发生结垢，对换热效率产生影响，甚至对系统稳定运行产生影响。在实际运行过程中，应当根据具体情况，在换热后对物料进行更换或者将热量回收，达到节能降耗的目的。