大型尿素裝置工藝方案淺析

吳炳君

（山西潞安煤基合成油有限公司，山西屯留 046100）

近幾年建設(shè)的尿素項(xiàng)目規(guī)模都在年產(chǎn)520kt以上，工藝方案的選擇各有不同。有的追求工藝設(shè)備先進(jìn)、能耗最低；有的追求投資低，主張技術(shù)、設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。

近年年產(chǎn)520kt以上尿素項(xiàng)目在建、擬建項(xiàng)目及工藝方案粗略統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 近年520kt／a以上尿素項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)

下面就新建尿素項(xiàng)目單元裝置工藝方案的選擇進(jìn)行對(duì)比分析，供大家交流學(xué)習(xí)，個(gè)人觀點(diǎn)不足處希望同行指正，共同進(jìn)步。個(gè)別項(xiàng)目資料來(lái)源于報(bào)道、可研，可能與最終工程建設(shè)方案有出入，希望了解項(xiàng)目的同行修改補(bǔ)充。

1 高壓圈方案選擇

現(xiàn)在在建年產(chǎn)520kt以上規(guī)模的尿素裝置，高壓圈工藝選擇基本限定在二氧化碳汽提工藝（國(guó)內(nèi)改進(jìn)型、斯塔米卡邦2 000型）、斯納姆氨汽提工藝兩種。水溶液循環(huán)法僅在年產(chǎn)400kt以下尿素裝置中有應(yīng)用。

1.1 兩種工藝的特點(diǎn)

（1）二氧化碳汽提工藝流程短，沒(méi)有中壓系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單。

（2）氨汽提工藝因多了中壓系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)緩沖空間大，操作比較平穩(wěn)，但工藝流程長(zhǎng)，操作相對(duì)繁瑣。

（3）二者噸尿素液氨消耗都比較低，設(shè)計(jì)接近理論值。

（4）卡邦開(kāi)發(fā)的池式冷凝器流程和池式反應(yīng)器流程，因池式冷凝器或反應(yīng)器緩沖效果好，操作非常平穩(wěn)，主框架也由70m降至30m左右，氨汽提工藝與之相比就沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)了。

從表1也可以看出，選用氨汽提工藝的僅年產(chǎn)520kt尿素裝置有三家，年產(chǎn)800kt的裝置都為二氧化碳汽提法。因此可以看出目前在建尿素項(xiàng)目，二氧化碳汽提工藝占了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

1.2 二氧化碳汽提工藝介紹

1.2.1 國(guó)內(nèi)改進(jìn)型二氧化碳汽提工藝

國(guó)內(nèi)改進(jìn)型二氧化碳汽提工藝以中國(guó)五環(huán)工程有限公司為代表，設(shè)計(jì)中對(duì)原引進(jìn)大化肥裝置進(jìn)行了優(yōu)化，更有利于操作。改進(jìn)型二氧化碳汽提工藝首先大范圍應(yīng)用在年產(chǎn)300kt尿素裝置上，逐步發(fā)展到年產(chǎn)520kt以及800kt裝置。年產(chǎn)520kt在建尿素裝置工藝方案以國(guó)內(nèi)改進(jìn)型為主。

1.2.1.1 消耗（表2）

表2 國(guó)內(nèi)改進(jìn)型二氧化碳汽提工藝尿素裝置物料消耗表

1.2.1.2 裝置特點(diǎn)

（1）設(shè)計(jì)中取消了高壓甲銨噴射器抽吸合成液管線。為控制抽吸高洗器液體量，高洗器下液管設(shè)計(jì)有液位計(jì)。

（2）低壓開(kāi)車(chē)方案設(shè)計(jì)。僅在合成塔出液管處設(shè)計(jì)升溫蒸汽管線，沒(méi)有加空氣管線，取消了合成塔放空管；氨泵出口和二氧化碳入汽提塔管線進(jìn)口處均設(shè)計(jì)50mm帶限流孔板的開(kāi)車(chē)副線。

（3）高壓調(diào)溫水回水直接進(jìn)冷卻器冷卻，沒(méi)有循環(huán)加熱器換熱段。

（4）沒(méi)有低壓甲銨冷凝器液位槽頂?shù)牡蛪合礈於?。常壓吸收塔為二段吸收帶?qiáng)制循環(huán)，減少放空尾氣中氨含量。

（5）低壓吸收塔下段用碳銨液吸收，上段用冷凝液吸收，減少放空尾氣中氨含量。

1.2.1.3 建議

為使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，建議高壓甲銨噴射器進(jìn)口（國(guó)內(nèi)航天十一所也有使用業(yè)績(jī)），主要液位調(diào)節(jié)閥和開(kāi)關(guān)閥進(jìn)口，316Lmod的管道、閥門(mén)進(jìn)口。

1.2.1.4 結(jié)論

改進(jìn)型二氧化碳汽提工藝操作簡(jiǎn)便，調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)互相影響小，裝置氨耗接近理論值，噸尿素在570～575kg。高壓圈設(shè)備（高壓甲銨噴射器除外）均已國(guó)產(chǎn)化。國(guó)內(nèi)改進(jìn)型二氧化碳汽提工藝沒(méi)有昂貴的專(zhuān)利費(fèi)用和專(zhuān)利設(shè)備，為裝置建設(shè)節(jié)約了資金。

1.2.2 卡邦池式反應(yīng)器流程（圖1）

在建項(xiàng)目只有中海油華鶴30·52尿素項(xiàng)目采用荷蘭斯塔米卡邦池式反應(yīng)器流程。尿素裝置2012年6月土建開(kāi)始，預(yù)計(jì)2014年投產(chǎn)運(yùn)行。池式流程的物料消耗見(jiàn)表3。

表3 卡邦池式反應(yīng)器流程噸產(chǎn)品物料消耗表（不包括大顆粒）

1.2.2.1 裝置特點(diǎn)

（1）高壓圈三臺(tái)高壓設(shè)備（池式反應(yīng)器、二氧化碳汽提塔、球型高壓洗滌器）為專(zhuān)利設(shè)備。高壓洗滌器只有一個(gè)球型洗滌段，取消了冷凝段和調(diào)溫水系統(tǒng)，取消了高壓甲銨噴射器。

（2）低壓吸收塔在主裝置位置最高處，基座35m；而改進(jìn)型二氧化碳主裝置高80m。

（3）高壓設(shè)備和高壓管道及閥門(mén)使用Safurex材料；池式反應(yīng)器和汽提塔采用雷達(dá)液位計(jì)；合成塔出液采用N／C分析儀。以上全部為進(jìn)口專(zhuān)利產(chǎn)品。

（4）可進(jìn)行低壓開(kāi)車(chē)，氨和二氧化碳同步投入；升溫速率可以提高，因Safurex材料有與碳鋼相同的膨脹系數(shù)。

（5）專(zhuān)利商說(shuō)因高壓圈全部使用Safurex材料，可進(jìn)行無(wú)氧操作，可以取消脫氫系統(tǒng)。已建和在建項(xiàng)目業(yè)主從安全角度考慮，一般要求按入汽提塔二氧化碳的0.1%～0.3%設(shè)計(jì)加氧。

（6）因高壓圈全部使用Safurex材料，裝置最低可在40%負(fù)荷下操作，汽提塔等設(shè)備的腐蝕在可接受的范圍內(nèi)。

1.2.2.2 池式反應(yīng)器流程和國(guó)內(nèi)改進(jìn)型流程高壓設(shè)備規(guī)格、布置對(duì)比（表4）

表4 520kt／a池式反應(yīng)器流程和國(guó)內(nèi)改進(jìn)型流程高壓設(shè)備規(guī)格、布置對(duì)比表

1.2.2.3 結(jié)論

工藝包專(zhuān)利費(fèi)、專(zhuān)利設(shè)備費(fèi)高。因高壓設(shè)備減少，流程簡(jiǎn)化，操作更加簡(jiǎn)單。池式反應(yīng)器分冷凝段和反應(yīng)段，容量大，對(duì)氨碳比變化不敏感，操作更加平穩(wěn)。加空氣量減少，惰性氣體少，二氧化碳轉(zhuǎn)化率增加，減輕了后續(xù)處理系統(tǒng)負(fù)荷。

1.2.3 卡邦池式冷凝器流程（圖2）

現(xiàn)國(guó)內(nèi)在建年產(chǎn)800kt尿素項(xiàng)目，采用卡邦池式冷凝器流程的較多?，F(xiàn)卡邦池式冷凝器流程高壓圈設(shè)計(jì)也全部采用Safurex材料。

因?yàn)樯a(chǎn)規(guī)模提高后，池式反應(yīng)器的設(shè)備體積和重量都較大，受運(yùn)輸條件限制，Stamicarbon的工藝概念設(shè)計(jì)為，當(dāng)裝置生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到2 300t／d以上時(shí)，仍保留垂直安裝的尿素合成塔，設(shè)計(jì)池式冷凝器；當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模低于2 300t／d時(shí)，則用一臺(tái)池式反應(yīng)器替代池式冷凝器和尿素合成塔。

卡邦池式冷凝器流程相當(dāng)于將國(guó)內(nèi)改進(jìn)型流程的立式高壓冷凝器改為臥式池式冷凝器。主裝置高度由改進(jìn)型的80m降至60m以內(nèi)，其他工藝流程沒(méi)有大的變化，優(yōu)勢(shì)來(lái)自于池式冷凝器和Safurex新材料。

池式冷凝器流程優(yōu)點(diǎn)同池式反應(yīng)器基本相當(dāng)。因仍是四臺(tái)高壓設(shè)備，流程比池式反應(yīng)器流程復(fù)雜。

池式冷凝器的特殊優(yōu)點(diǎn)是緩沖空間大，有60%的尿素在此生成，相應(yīng)年產(chǎn)800kt合成塔的容積比年產(chǎn)520kt國(guó)內(nèi)改進(jìn)型的還小，操作比國(guó)內(nèi)改進(jìn)型流程簡(jiǎn)單、平穩(wěn)。池式冷凝器流程操作彈性為50%～110%。二者的比較見(jiàn)表5。

圖1 卡邦池式反應(yīng)器流程

圖2 卡邦池式冷凝器流程

表5 800kt／a池冷流程和國(guó)內(nèi)改進(jìn)型流程高壓設(shè)備規(guī)格、設(shè)備布置對(duì)比表

2 解吸水解方案選擇

尿素系統(tǒng)含氨工藝液處理系統(tǒng)主要由解吸和水解兩部分構(gòu)成，工藝?yán)淠核陌焙投趸纪ㄟ^(guò)加熱和解吸（汽提）而回收，而其中的尿素則水解后再以氨和二氧化碳的形式加以回收。

下面就水解、解吸方案進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 深度水解方案

為了使解吸廢液達(dá)標(biāo)回收利用并滿足環(huán)保的要求，目前國(guó)內(nèi)大化肥裝置均采用尿素深度水解工藝，主要有兩種流程：一種是斯納姆深度水解工藝，另一種是斯塔米卡邦深度水解工藝。

（1）斯那姆解吸水解工藝特點(diǎn)

水解塔采用臥式結(jié)構(gòu)，用隔板分隔成相對(duì)獨(dú)立的空間，水解液從一端進(jìn)入，另一端排出，蒸汽分別加入到各個(gè)空間，各個(gè)空間的蒸汽匯集后再進(jìn)入解吸上塔下部。

水解塔設(shè)計(jì)參數(shù)為，壓力不大于3.5MPa，塔底溫度220～245℃，一般采用3.8MPa中壓蒸汽加熱。

（2）斯塔米卡邦深度水解工藝特點(diǎn)

水解塔為立式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有數(shù)層篩板，水解液從頂部加入，底部通入中壓蒸汽，頂部氣相進(jìn)入解吸上塔下部。

水解塔設(shè)計(jì)參數(shù)為，壓力不大于2.0MPa，塔底溫度195～205℃，一般采用2.5MPa中壓蒸汽加熱。

兩種深度水解方案都能將解吸液中尿素處理到10×10－6以下，但斯納姆工藝采用高一等級(jí)的中壓蒸汽，水解塔操作相對(duì)也繁瑣，因此，國(guó)內(nèi)采用類(lèi)似斯塔米卡邦深度水解工藝方案的廠家較多。

2.2 解吸塔型式的選擇

斯納姆深度水解工藝和斯塔米卡邦深度水解工藝中解吸方案基本相同，兩解吸塔采用上下組合結(jié)構(gòu)，中間有升氣管連通，另有上下塔連通管，只是解吸壓力稍有不同。

解吸塔型式分規(guī)整填料型和塔板型。最先應(yīng)用在解吸塔上的主要是塔板型，包括浮閥型、篩板型、高效塔板等。近年因規(guī)整填料的興起和較好的運(yùn)行業(yè)績(jī)，解吸塔開(kāi)始改用規(guī)整填料型式，有的只有上塔為規(guī)整填料（多為后改造），新裝置上下解吸塔都為規(guī)整填料。

浮閥塔和篩板塔結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，若工藝液濃度高和量超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷，液泛嚴(yán)重。規(guī)整填料用在解吸塔，操作彈性小，不太適合深度水解的操作工況，負(fù)荷稍微超過(guò)設(shè)計(jì)值，廢液超標(biāo)嚴(yán)重。規(guī)整填料主要缺點(diǎn)是安裝、檢修困難，規(guī)整填料結(jié)垢堵塞不易處理。

因此，綜合考慮采用篩板等板式塔優(yōu)于規(guī)整填料型，近年采用高效傳質(zhì)塔板效果很好，例如河北工大的立體傳質(zhì)塔板，在提高處理量、處理濃度時(shí)，阻力小，廢液指標(biāo)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，使用廠家逐漸增多。

2.3 回流冷凝器冷卻方式

回流冷凝器冷卻方式一般有三種：循環(huán)冷卻水直接冷卻，循環(huán)水半封閉強(qiáng)制冷卻，全封閉軟水強(qiáng)制冷卻。

（1）循環(huán)冷卻水直接冷卻

南方冬季水溫高，循環(huán)回水一般在30℃以上，可以采用循環(huán)冷卻水直接冷卻方式，用循環(huán)水上水調(diào)節(jié)閥控制冷卻溫度。處理的工藝液濃度高時(shí)，適當(dāng)提一下回流冷凝器溫度，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶影響換熱的情況。

（2）循環(huán)水半封閉強(qiáng)制冷卻

北方冬季循環(huán)水上水溫度在20℃以下，遠(yuǎn)低于回流液結(jié)晶溫度，在冷卻過(guò)程中極易造成回流液結(jié)晶掛在列管壁上，影響換熱效果，使解吸系統(tǒng)超壓。在處理過(guò)程中不能過(guò)度關(guān)小循環(huán)水上水閥，因?yàn)樗魉俾须s質(zhì)淤泥就會(huì)沉積堵塞循環(huán)水側(cè)列管，以及產(chǎn)生氣阻等。因此設(shè)計(jì)循環(huán)水半封閉強(qiáng)制冷卻方式，見(jiàn)圖3。

圖3 循環(huán)水半封閉強(qiáng)制冷卻流程

（3）全封閉軟水強(qiáng)制冷卻

利用封閉軟水對(duì)回流冷進(jìn)行冷卻，用泵密閉循環(huán)，再通過(guò)循環(huán)水冷卻器對(duì)軟水進(jìn)行冷卻。此種方式與高低壓調(diào)溫水相同，雖然投資略有增加，但保證了解吸系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，冷凝效果最佳，利于生產(chǎn)和檢修。見(jiàn)圖4。

圖4 全封閉軟水強(qiáng)制冷卻流程

考慮北方冬季循環(huán)水溫度較低，應(yīng)采用循環(huán)水半封閉強(qiáng)制冷卻、全封閉軟水強(qiáng)制冷卻兩種方式。雖然會(huì)增加電量和初期裝置投資，但從穩(wěn)定生產(chǎn)、廢液達(dá)標(biāo)方面考慮，必須按此方案設(shè)計(jì)。

3 造粒方案選擇

目前，尿素造粒技術(shù)普遍采用造粒塔造粒和造粒機(jī)造粒兩種工藝。

3.1 塔式造粒

因只有尿液泵、熔融泵和造粒噴頭是轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，利于長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。不足之處為，產(chǎn)品粒度小、水分含量略高、縮二脲高，不利長(zhǎng)期儲(chǔ)存，產(chǎn)品用途也受到制約。

造粒塔尾氣排放量大，單位體積帶塵量是大顆粒尿素的4～10倍。

3.2 造粒機(jī)造粒

有挪威海德魯技術(shù)、日本東洋技術(shù)、國(guó)內(nèi)達(dá)立科技術(shù)等。海德魯大顆粒成粒技術(shù)生產(chǎn)的顆粒圓滑、致密，整體質(zhì)量?jī)?yōu)。國(guó)內(nèi)應(yīng)用此技術(shù)的大顆粒裝置最多。

以海德魯大顆粒技術(shù)為例，大顆粒裝置的特點(diǎn)如下。

（1）大顆粒裝置運(yùn)轉(zhuǎn)周期短，每一個(gè)月需清床層一次。

（2）動(dòng)設(shè)備多，并且都是單系列（泵除外），連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率不高。

（3）風(fēng)機(jī)耗電量大，電耗比小顆粒高很多。

（4）專(zhuān)利設(shè)備造粒機(jī)下箱體、噴頭需進(jìn)口。

（5）每噸尿素產(chǎn)品價(jià)格需比造粒塔造粒的產(chǎn)品高50元，生產(chǎn)成本才能與小顆粒相當(dāng)。

年產(chǎn)520kt尿素造粒塔造粒、大顆粒造粒技術(shù)尾氣污染物排放量比較見(jiàn)表6。

表6 造粒技術(shù)對(duì)比

現(xiàn)執(zhí)行的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB16297－1996）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：顆粒物（外插法計(jì)算）排放濃度120mg／m3。如果不經(jīng)過(guò)處理，造粒塔尾氣很難達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 結(jié) 論

化肥工業(yè) “十二五”發(fā)展規(guī)劃中要求：到2015年，尿素占氮肥的比重達(dá)到70%左右，磷銨占磷肥的比重達(dá)到70%左右，無(wú)氯鉀肥滿足國(guó)內(nèi)需求，單質(zhì)肥復(fù)合化率、大顆粒尿素比重逐步提高。

大顆粒尿素?zé)o論從環(huán)境保護(hù)還是政策方面，都是小顆粒尿素?zé)o法相比的。大顆粒農(nóng)用市場(chǎng)也正在不斷發(fā)展壯大，農(nóng)業(yè)用戶對(duì)大顆粒的肥效、儲(chǔ)存等優(yōu)勢(shì)認(rèn)知后，也會(huì)更加信賴(lài)大顆粒尿素。

如果小顆粒尿素還要生存，首先在環(huán)保方面要過(guò)關(guān)，現(xiàn)在不少塔式造粒的工廠開(kāi)始對(duì)造粒塔尾氣進(jìn)行洗滌，據(jù)資料介紹可以使造粒塔尾氣尿素含量由100～300mg／m3降至30mg／m3，一年多就可收回成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所介紹的大化肥裝置部分工藝方案，概括了在建尿素項(xiàng)目的基本工藝方案。各個(gè)公司根據(jù)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和目的的不同，選擇了不同的工藝方案，最終會(huì)在投資收益率和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力上表現(xiàn)出來(lái)。工藝方案的介紹觀點(diǎn)不一定準(zhǔn)確，僅供同行選擇工藝方案時(shí)參考，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，少走彎路。