脫氫裝置在尿素生產中的應用

賀小偉，許 浩

(江蘇華昌化工股份有限公司 江蘇張家港 215634)

0 前言

江蘇華昌化工股份有限公司150 kt/a CO2汽提法尿素生產裝置建成投產后，通過對系統(tǒng)的逐步完善以及優(yōu)化操作，目前生產能力已經超過210 kt/a，且各項消耗指標均在低限。該裝置在設計建設期間，在原料CO2進入高壓系統(tǒng)前增設了脫氫裝置。通過2年多的運行，脫氫裝置脫氫效果較好，既為尿素系統(tǒng)的安全生產提供了保證，同時也降低了尿素氨耗，為企業(yè)帶來了顯著的經濟效益。

1 尿素生產的安全性

來自合成氨裝置的原料CO2經CO2壓縮機一段和二段壓縮后進入脫硫系統(tǒng)進行再次脫硫，脫硫后的CO2純度約為98%(體積分數(shù)，下同)，還含有體積分數(shù)約2%的CO，H2，CH4，N2等，其中H2的含量最高(分析數(shù)據(jù)顯示體積分數(shù)約為1%)。為了防止尿素生產設備、管道等發(fā)生腐蝕，在原料CO2中加入了體積分數(shù)約0.8%的O2，當NH3與CO2在尿素生產過程中全部反應后，排出的惰性氣體主要含有H2和O2。H2為可燃性氣體，當遇到O2以后，達到其爆炸極限就會發(fā)生爆炸，這給尿素生產帶來了極大的安全隱患。防止CO2汽提法尿素生產裝置惰性氣體爆炸的方法有2種：①在高壓洗滌器中，部分冷凝吸收NH3和CO2，使惰性氣體被NH3和CO2稀釋為非爆炸性氣體，尾氣中大量的NH3和CO2降壓至0.8 MPa后送吸收塔洗滌回收，在剩余的尾氣中加入蒸汽再次進行稀釋后通過吸收塔氣相管排放，以確保尿素系統(tǒng)的安全運行。此方法使部分NH3和CO2損失，且消耗大量的蒸汽，所以生產消耗偏高。②增設脫氫裝置，使CO2中的H2在進入高壓系統(tǒng)前被脫除，確保惰性氣體中不含有可爆氣體H2，即從根本上解決爆炸問題。

江蘇華昌化工股份有限公司CO2脫氫裝置設在CO2壓縮機五段出口，其工藝流程如圖1所示。脫氫原理是原料CO2中的可燃性組分在脫氫催化劑的作用下，于160 ℃左右與O2發(fā)生燃燒反應，脫氫后的CO2中殘余的H2體積分數(shù)<50×10-6。因CO2中的H2等與O2反應是放熱反應，使CO2溫度上升，故出脫氫反應器的CO2需經高壓CO2冷卻器冷卻后再送入CO2汽提塔。脫氫反應器運行工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 CO2脫氫裝置工藝流程

表1 脫氫反應器運行工藝參數(shù)

H2體積分數(shù)/(×10-6)溫度/℃入口出口入口出口358534160．2171．7379535165．3176．5326530164．8174．2345433165．2174．8302830163．2172．5289431160．7171．0312530161．0171．3371034160．5171．5398736160．7172．3420638162．3175．2

脫氫裝置投運后，CO2中的H2被脫除，為尿素系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行提供了安全保障，并為尿素系統(tǒng)的優(yōu)化操作、節(jié)能降耗奠定了堅實的基礎。

2 優(yōu)化操作，降低消耗

2.1 提高CO2純度

根據(jù)大冢英二測得的CO2純度與CO2轉化率的關系，當CO2純度提高1%，CO2轉化率可提高0.6%左右。尿素系統(tǒng)脫氫裝置投運后，進入CO2汽提塔的原料CO2純度提高，CO2轉化率明顯上升。目前，入汽提塔的原料CO2純度一般控制在96%左右，在系統(tǒng)操作壓力、氨碳比、水碳比無較大波動的情況下，CO2轉化率一般在62%左右，這是尿素系統(tǒng)氨耗較低的原因之一。

2.2 優(yōu)化高壓洗滌器的操作

在CO2汽提法尿素生產工藝中，合成氣相中的NH3和CO2主要通過高壓洗滌器進行洗滌回收。在沒有脫氫裝置的工藝中，一般控制高壓洗滌器出液溫度在160～165 ℃，同時控制高壓洗滌器球頭溫度在135 ℃以上，目的是在高壓洗滌器內只吸收一定量的CO2和NH3，其余的在吸收塔內完成，以防止出口氣體進入爆炸范圍。通過相圖計算，高壓洗滌器出液溫度保持在160 ℃以上，氣相中NH3和CO2體積分數(shù)在50%以上，可以避免進入爆炸區(qū)；當高壓洗滌器出液溫度低于155 ℃時，高壓洗滌器內吸收量增多，可能形成可爆氣體，而控制高壓洗滌器出液溫度的主要手段就是控制高調水的進口溫度及進出口溫差。在系統(tǒng)壓力13.5～14.5 MPa、氨碳比和水碳比保持正常指標、生產負荷無大幅波動的情況下，一般控制高調水進口溫度在128～132 ℃，出口溫度在136～142℃，保證高調水進出口溫差在8～10 ℃，從而保證高壓洗滌器出液溫度在160～165 ℃。當原料氣中的氫被脫除后，系統(tǒng)的氫含量極少(主要是隨液氨帶入系統(tǒng)及脫氫后的殘余)，大大縮小了爆炸范圍，在確保系統(tǒng)安全的前提下，就可以對高壓洗滌器進行優(yōu)化操作，即通過降低高調水進口溫度來降低高壓洗滌器的出液溫度，增強高壓洗滌器的吸收效果。但考慮到高壓洗滌器在吸收NH3和CO2后，濃甲銨液中的NH3和CO2質量分數(shù)都可升高至38%～40%，從相圖上查得該濃度甲銨液的熔點為80～90 ℃，為防止因過度冷凝吸收而導致甲銨結晶堵塞設備，故將高調水進口和出口溫度分別控制在115 ℃左右和125 ℃左右，高壓洗滌器的出液溫度在155 ℃左右，大幅提高了高壓洗滌器的吸收效果，高壓洗滌器氣相放空調節(jié)閥HC- 202開度只有15%左右，噸尿素氨耗基本穩(wěn)定在570 kg左右。

3 運行效果分析

原料CO2脫氫裝置投用后，使合成尾氣中的可爆性氣體含量大幅降低，提高了尿素系統(tǒng)的安全性；同時通過優(yōu)化操作，提高了高壓洗滌器NH3和CO2的冷凝效果，使放空尾氣中NH3含量相應減小，既降低了生產成本、增加了經濟效益，又保護了環(huán)境，減輕了因氨的外排所造成的污染。優(yōu)化操作后，高壓洗滌器的放空量減少20%以上，生產1 t尿素可降低氨耗5 kg，依此計算，年可節(jié)約液氨1 050 t左右，液氨價格按3 500元/t計，則年增加效益367.5萬元左右。