尿素中压分解器温度下降原因分析及处理

杨 涛，夏礼鹏，尹安阳，任天赐

(海洋石油富岛有限公司，海南 东方 572600)

1 概 述

海洋石油富岛有限公司化肥一部尿素装置采用斯纳姆氨汽提工艺，设计产能1 765 t/d。其中，中压分解器(E102A/B)是中压分解回收系统的重要设备，中压分解器温度(TIC41021)厂控指标为153～160 ℃，实际生产中一般控制在158 ℃以上。正常生产中，用于E102A/B加热的中压过热蒸汽无需使用，仅用增压蒸汽和蒸汽冷凝液即可满足其温度控制要求，但自2021年11月开始，TIC41021开始逐渐下降，即使中压分解器温度调节阀(TV41021)开至限位位置，TIC41021也仅能维持在153 ℃左右[中压分解器温度及中压过热蒸汽调节阀(HIC41011)开度(月均值)统计如表1]，勉强达标；中压系统甲铵分解率下降，导致负荷后移，低压系统压力上涨，蒸发系统和水解系统蒸汽消耗增加。

表1 中压分解器温度及蒸汽调节阀开度统计

2 中压分解器系统工艺流程简介

中压分解器(E102A/B)是1台降膜式蒸发器，由于加热介质的不同，分为上/下两部分——上部E102A壳侧由增压蒸汽(0.52 MPa、158 ℃)供热，下部E102B壳侧由氨汽提塔来的蒸汽冷凝液(2.17 MPa、219 ℃)和中压过热蒸汽(2.35 MPa、300 ℃)供热。正常生产中，氨汽提塔底部出来的含尿素43.7%(质量分数，下同)、NH324.19%、CO26.78%、H2O 25.33%的尿液经减压后进入中压分解器(E102A/B)，在这里将减压闪蒸出来的NH3和CO2分离出来，液体经填料下到中压分解器管侧，尿液中的甲铵受热分解成NH3和CO2，并由高压甲铵分离器(V101)来的气体汽提出去，使进入底部储槽(L102)的尿液提浓至62.69%。E102A/B加热蒸汽及冷凝液系统工艺流程如图1。

图1 E102A/B加热蒸汽及冷凝液系统流程简图

3 中压分解器温度下降原因排查与分析

3.1 压力调节阀(PV41021B)开度大

若尿素高压系统物料氨碳比控制过高，会致高压系统压力控制高、压力调节阀(PV41021B)开度过大，高压甲铵分离器气相管线至中压分离器储槽气量增加，导致中压分解器负荷增加而温度下降。

查询DCS历史数据，统计高压系统压力在2021年8—10月和2022年1月间每隔5 d的PV41021示数和阀位平均值，结果显示在此期间高压系统控制比较稳定——氨碳比控制在3.25左右，高压系统压力控制在13.6～14.4 MPa，PV41021B开度稳定在60%左右，均在控制指标范围内，表明高压系统压力控制适当，对中压分解器温度(TIC41021)影响较小，不存在因高压系统压力高、调节阀开度大致中压分解器负荷过高、蒸汽量无法满足生产所需而TIC41021下降的问题。

3.2 汽提塔壳侧蒸汽压力低而出液温度低

若汽提塔底部温度控制低而致汽提塔出口尿液浓度低，甲铵分解率下降，负荷后移至中压分解器，会致中压分解器负荷过高而温度下降。2014年尿素装置大修时更换了汽提塔，汽提塔换热面积由730 m2增至770 m2，壳侧加热用中压过热蒸汽压力由2.25 MPa降至1.90 MPa左右即可满足生产所需。

查询DCS历史数据，统计2021年6月—2022年1月间汽提塔壳侧蒸汽压力及对应的汽提塔底部温度(出液温度)，显示汽提塔壳侧蒸汽压力>1.90 MPa、汽提塔底部温度稳定(均在207 ℃以上)，均在控制指标范围内(汽提塔底部温度厂控指标为203～208 ℃)，不存在因汽提塔底部温度低造成尿液浓度低致中压分解器负荷过高而TIC41021下降的问题。

3.3 中压分解器储槽液位控制不当

中压分解器储槽液位控制过高或过低，均会导致中压分解器温度示数偏低、蒸汽调节阀在自控状态下开度增大，但两者又有本质的区别：中压分解器温度因液位控制过低而显示低的原因是，中压分解器储槽液位低于测温点探头，所测温度为低于液相温度的气相温度，而实际上液相温度并不低，不会导致负荷后移至低压系统，但会导致中压系统窜气至低压系统，引起低压系统压力过高而致分解效率下降。

原设计尿素装置中压分解器储槽主控显示控制液位计(LIC41014)为电容式液位计，经多年使用并更新后仍不能满足工艺需求，主要存在液位显示波动大、显示不准确、主控与现场液位不对应等问题，后在中压分解器储槽原有现场液位计预留接口处新增稳定性更高的差压式液位计，测量精度得以提高，并通过工艺参数变化、现场视镜及液位计视频监视来控制其液位，取得了不错的效果，能满足生产需求。因此，不存在中压分解器储槽液位控制不当而致TIC41021下降的问题。

3.4 调节阀开度主控显示与现场不对应

若中压分解器温度调节阀(TV41021)、中压过热蒸汽调节阀(HV41011)阀位主控显示与现场不对应，调节阀开度不到位，会导致系统蒸汽用量与负荷不匹配，蒸汽用量无法满足系统需求而中压分解器温度下降。

经工艺人员与仪表人员检查确认，并观察TV41021、HV41011实际阀位，与主控DCS显示进行对照，发现TV41021、HV41011现场阀位与主控显示基本对应，不存在因蒸汽调节阀开度不到位、蒸汽用量与负荷不匹配而致TIC41021下降的问题。

3.5 中压分解器升气管堵塞

中压分解器设计内装换热管780根，为保证每根换热管均有液膜均匀流下，在换热管上插入1根升气管，其外径与换热管外径相同，每个套管侧面在距上管板50 mm处开有4个φ4.5 mm的小孔，沿水平切线方向分布；系统生产中，液体在上管板上形成液层，通过小孔沿切线方向流入套管，沿换热管内壁呈液膜流下。若因原料和系统中有杂质或结垢，易导致升气管小孔堵塞，造成换热管内液膜偏流而换热效果下降。

2022年2月利用尿素装置停车消缺机会，联系机修人员打开中压分解器顶部封头，检查发现中压分解器升气管干净无堵塞，确认中压分解器升气管满足生产所需。

3.6 中压分解器(E102A)疏水器故障

中压分解器上部(E102A)增压蒸汽冷凝液管线上设有上、下两路疏水器[中压分解器下部(E102B)主要由蒸汽冷凝液供热，无需设置疏水器]，蒸汽疏水阀的工作状态直接影响中压分解器的换热效果，若疏水器出现故障，会导致换热效果下降，蒸汽消耗增加。排查发现，自2021年11月开始，随着中压分解器温度(TIC41021)逐渐下降，中压分解器温度调节阀(TV41021)全开、中压蒸汽调节阀(HIC41011)开至限位位置，系统外送蒸汽冷凝液量由20 t/h降至18 t/h左右，由此判断中压分解器疏水器可能存在疏水不畅。

主控与现场人员配合，现场人员将中压分解器(E102A)疏水器副线打开一定开度，主控人员观察1 d中TIC41021的变化情况，发现在此期间TIC41021上涨至156 ℃以上，符合工艺要求，系统外送冷凝液量也由18 t/h涨至19 t/h，增加1 t/h，由此确认E102A疏水器的确存在疏水不畅，造成E102A壳侧冷凝液积存无法及时排出而影响其换热效果。故E102A疏水器故障应是TIC41021下降的主要原因之一。

3.7 中压分解器列管结垢

每次尿素装置检修对中压分解器列管进行检查时，均会发现列管结垢严重。据以往中压分解器的检修记录及生产系统数据记录，当中压分解器结垢较为严重时，其蒸汽耗量均会上升、TIC41021均会下降。

2022年2月利用尿素装置停车消缺机会，联系机修人员拆除中压分解器底部封头，检查发现列管结垢较为严重，经化验分析，垢物主要成分为α-Fe2O3。α-Fe2O3来源有二：一是原料液氨带入的铁系氨合成催化剂粉末，二是设备腐蚀产生的腐蚀产物。而据实际生产经验，设备腐蚀及腐蚀产物沉积是中压分解器换热列管结垢的主要原因，设备腐蚀后；大部分Cr、Ni元素进入尿素成品中，极少数停留在中压分解器列管垢层中；大部分Fe则由于与维持钝化的溶解氧发生反应生成难溶的α-Fe2O3，沉积或附着在换热管表面而形成结垢。

尽管每次尿素装置大修都会对中压分解器列管进行低压(最大1 400 kgf/cm2)软管水射流清洗，但清洗效果难以维持到下个检修周期。本次中压分解器温度(TIC41021)下降期间，距离上次尿素装置大修已近1 a，中压分解器列管结垢应已达一定厚度，其换热效果降低，造成蒸汽消耗与冷凝液量增加。故中压分解器列管结垢应是TIC41021下降的主要原因之二。

4 处理/调控措施

4.1 处理措施

4.1.1 中压分解器疏水器故障处理

中压分解器上部(E102A)增压蒸汽冷凝液管线上设有上、下两路疏水器，采用机械式大排水量的杠杆浮球式疏水阀，对应的工作压力为0.6 MPa；E102A所用加热蒸汽的压力等级为0.52 MPa，在换热列管未出现泄漏的情况下，不存在蒸汽压力超过疏水阀最高工作压力而使疏水阀打不开的情况；由于尿素装置所用蒸汽管线均为碳钢管线，不可避免地存有腐蚀，脱落的铁锈通过加热蒸汽冷凝液管线时堵塞疏水器过滤网或配管、阀嘴，使其排放口变小而疏水不畅。

联系机修人员拆开E102A增压蒸汽冷凝液管线上、下两路疏水器进行检查，发现上、下两路疏水器过滤网和阀嘴处均存有铁锈而使排放口变小，进行铁锈清理的同时对疏水器密封面进行了维护并更新了垫片。

4.1.2 中压分解器列管结垢处理

2022年2月利用尿素装置停车机会，待机修人员拆开中压分解器后，由外委单位对中压分解器列管进行水射流清洗作业，由之前的低压(最大1 400 kgf/cm2)软管水射流清洗改为高压(2 400 kgf/cm2)硬枪机械水射流清洗，取得了较好的效果。针对中压分解器列管易结垢的问题，建议今后每次尿素装置停车大修期间均应对中压分解器列管进行高压水射流清洗。

4.1.3 处理效果

上述处理措施实施后，2022年2月11日尿素装置重启，正常运行后，随机抽取一个时间段的中压分解器相关运行数据(日均值)，见表2。可以看到，中压分解器温度(TIC41021)恢复正常，保持在设定值158 ℃以上，中压分解器温度调节阀(TV41021)阀位维持在85%左右、中压过热蒸汽调节阀(HIC41011)全关，蒸汽冷凝液外送量(FI41021)正常，表明中压分解器换热效果恢复正常。

表2 处理后中压分解器相关运行数据

4.2 调控措施

① 定期对中压分解器疏水器进行在线清理(借助疏水器前后阀组及副线实现)；② 适当考虑适时将部分腐蚀严重的蒸汽及冷凝液管材质由碳钢更换为不锈钢；③ 严格控制尿素高压系统加氧量在上限——0.25%～0.38%(体积分数)；④ 严格控制系统各温度(点)在指标范围内，严禁超温；⑤ 系统开停车过程中，控制好增压蒸汽管网压力和中压分解器储槽液位，严禁蒸汽超压、超温。

5 结束语

中压分解器是氨汽提法尿素装置中压分解回收系统的重要设备，需精心操作、良好维护，其良好运行是尿素装置优质运行的基础之一。通过对影响中压分解器温度下降的原因进行分析与排查，最终确定系中压分解器上部(E102A)疏水器故障与中压分解器列管结垢所致，采取相应的处理/调控措施后，问题得以解决，既保证了尿素装置的安全稳定运行，又达到了节能降耗的目的。