CO2汽提法尿素高壓系統三個核心調節(jié)閥失靈對系統的影響分析

侯立業(yè)

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154110)

中海石油華鶴煤化有限公司(以下簡稱“華鶴煤化”)是一家氮肥生產企業(yè)，尿素生產工藝采用荷蘭斯塔米卡邦2000+工藝。尿素高壓系統采用池式反應器工藝代替了池式冷凝器和合成塔，即高壓系統由3個設備組成(池式反應器、汽提塔、高壓洗滌器)，其中，高壓洗滌器采用直通液氨冷凝來取代高溫調節(jié)水換熱冷凝。池式反應器由池式冷凝器和尿素合成塔組成，含有U形管束的容器區(qū)間相當于一個池式冷凝器，在管束中產生低壓蒸汽，圍繞管束外的氣體部分冷凝，并有一定量的甲銨脫水生產尿素。池式反應器由10塊導流板構成，分割成10個室，在最后一個室通過液位調節(jié)閥來控制液位。CO2氣體由二氧化碳汽提塔底部進入汽提塔列管中，尿液及甲銨液通過池式反應器液位調節(jié)閥控制進入到汽提塔列管頂部，在列管中氣液相逆流接觸。列管外部由2.3MPa蒸汽提供熱量，列管受熱后，液相中氨分壓降低，最終汽提出氣相NH3。氣相的NH3和CO2進入到池式反應器分布器中，尿液及甲銨液流入到汽提塔底部，汽提塔的液位由液位調節(jié)閥控制。高壓洗滌器利用高壓甲銨泵提供的甲銨液實現NH3和CO2的冷凝，部分冷凝熱被提供給洗滌器底部的液氨所吸收，高壓洗滌器頂部放空由壓力調節(jié)閥來控制，從而保證高壓系統壓力穩(wěn)定。本套裝置中高壓系統較其他系統的明顯優(yōu)勢如下：①工藝簡便、所用設備最少、工藝步驟最少、連續(xù)開工率最高；②合成反應多余的氨在高壓圈被大部分回收；③氨泵及甲銨泵流量小、耗能低；④整個工藝以重力為推動力，合成部分的設備布局合理，無須能量驅動，未轉化的NH3和CO2進行內部循環(huán)；⑤采用了耐腐蝕性更好的雙相不銹鋼材料，高壓系統可以達到無氧操作等。高壓系統工藝見圖1。

圖1 高壓系統工藝

1 高壓系統3個調節(jié)閥介紹

華鶴煤化自2015年投產以來，高壓系統總體運行穩(wěn)定。在采用池式反應器代替池式冷凝器和合成塔后，無論在裝置能耗和操作彈性上都優(yōu)于其他工藝。但在不同時期也發(fā)生許多生產的問題，高壓系統3個調節(jié)閥(高壓洗滌器放空調節(jié)閥、池式反應器下液調節(jié)閥、汽提塔下液調節(jié)閥)均采用斯塔米卡邦進口調節(jié)閥，該調節(jié)閥操作靈敏度高，材質由防腐蝕性強的316L尿素級不銹鋼以及Safurex(雙相不銹鋼)組成，但在近期發(fā)生了不同程度的故障失靈，給尿素各個系統帶來不同的影響。

2 高壓系統3個調節(jié)閥失靈的影響分析

2.1 高壓洗滌器放空調節(jié)閥失靈對系統的影響

高壓系統采用有氧操作的二氧化碳汽提法，在二氧化碳壓縮機一段入口處加入一定量的空氣，目的是為了脫除氣體中的氫，在工藝操作上必須確保在脫氫后氣體中氫含量處于較低數值(小于10mg/m3)，保證高壓洗滌器放空尾氣氫含量不在其爆炸區(qū)間。在2018年6月，該調節(jié)閥由于定位器故障，調節(jié)閥自行從OP值100%關到5%，對于高壓系統的影響表現在高壓系統壓力不穩(wěn)定，集中表現在壓力偏高，影響系統負荷。

表1 不同高壓系統壓力下池式反應器尿液數據(均值)

N/C和ηCO2計算方法如下：

ηCO2=轉化成尿素的CO2/CO2總質量，即ηCO2=(mUr/MUr)/[(mUr/MUr)+(mCO2/MCO2)]；

mCO2=試樣中的CO2(質量%)，MCO2=CO2的摩爾質量(kg/kmol)，mNH3=試樣中的NH3(質量%)，MNH3=NH3的摩爾質量(kg/kmol)，mUr=試樣中的Ur(w%)，MUr=尿素的摩爾質量(kg/kmol)[4]。將表1中相關數據代入上述公式得出N/C及ηCO2。

2.2 池式反應器液位調節(jié)閥失靈對系統的影響

(1)2019年8月，池式反應器液位調節(jié)閥發(fā)生故障全關，最終導致高壓系統壓力高聯鎖封塔停車，造成一定的經濟損失。在正常滿負荷100%運行下，該液位調節(jié)閥開度保持在47%～51%，尿液總流量控制在248.5t/h左右，調節(jié)閥在自動控下突然關閉，會導致池式反應器的液位快速上升，液相迅速占滿整個池式反應器的有效空間，并從池式反應器氣相管線進入到高壓洗滌器中，最終導致高壓系統壓力高聯鎖跳車，聯鎖壓力為15.5MPa，同時高壓系統的3個安全閥全部起跳，起跳壓力分別為15.9MPa、16.1MPa、16.4MPa。在池式反應器的液位快速上升期間，汽提塔液位迅速下降，汽提塔耗汽量迅速下降，由62t/h左右下降到5t/h，由于高壓蒸汽量的退出需要一定的時間進行調整，汽提塔底部就會發(fā)生嚴重超溫，達180℃甚至更高，這樣會造成設備的腐蝕；尿素高壓蒸汽管網壓力迅速上升，處理不及時會造成高壓蒸汽飽和器和抽汽管網安全閥起跳、二氧化碳壓縮機波動；同時低壓系統壓力快速下降，而低壓調溫水溫度下降較快，低壓甲銨液容易結晶，造成高壓甲銨泵入口流量低，泵體發(fā)生汽化甚至會因為入口流量低而發(fā)生跳車。蒸發(fā)系統因為沒有尿液的供應發(fā)生尿液斷料，造粒單元停車，蒸發(fā)系統打循環(huán)。當液體滿液到高壓洗滌器中時，洗滌器中的工況發(fā)生了改變，由NH3和CO2的冷凝吸收過程變成合成反應液的冷卻，高壓洗滌器的出液溫度必然下降，當高壓洗滌器也滿液和帶液發(fā)生時，低壓吸收系統因高濃度的合成反應液進入改變了低壓系統的組分和工藝參數，極有可能造成低壓吸收系統設備和管道發(fā)生結晶堵塞。解吸水解系統會因為大量高濃度的尿液而無法正常進行工藝液的分離分解，外送水電導嚴重超標，嚴重會造成環(huán)保事故。

(2)液位計失真，無法顯示正常數值，操作人員無法根據DCS反饋來進行調節(jié)。操作人員若沒有及時調整，嚴重時會發(fā)生池式反應器滿液和空液兩種現象，如上所述，滿液發(fā)生的系統波動可導致封塔。若液位空，汽提塔氣相會發(fā)生CO2走“短路”，高壓系統的壓力會上升，同時池式反應器換熱段副產低壓蒸汽量減少，高壓系統的各個溫度點會出現大幅度的波動，整個高壓系統的氨碳比和水碳比會嚴重失調[1]。

2.3 汽提塔液位調節(jié)閥失靈對系統的影響分析

(1)液位調節(jié)閥關小或者全關。液位調節(jié)閥由于故障關小或者全關會導致汽提塔液位偏高，當液位高于汽提塔的分布管時，CO2氣體在列管內分布不均勻，使出液溫度上升，汽提效率明顯下降。滿負荷下不同汽提塔液體對應的相關參數見表1。

通過表2分析得出，由于調節(jié)閥關小或者全關，必然導致加速設備的腐蝕程度，隨著滿液時間的延長，腐蝕度會更大。同時，汽提塔的汽提效率下降，二氧化碳的轉化率明顯下降，這樣會伴隨著低壓系統、常壓系統的超壓，蒸發(fā)系統因為尿液的濃度下降，尿液中的氨增多，蒸發(fā)的負壓不易維持，蒸發(fā)一段和二段所需的加熱蒸汽量會變大，在進入到造粒系統中的尿液水分偏高，影響了造粒機的出料，嚴重可導致造粒系統停車。用來輸送熔融尿液的機泵會發(fā)生不同程度汽化，對泵體蝸殼、機封及管道造成不同程度的損傷。同時，汽提塔殼側加熱蒸汽量會顯著變大，影響整個蒸汽管網的平衡穩(wěn)定，造成裝置噸尿素耗蒸汽超標，可達1.25t(蒸汽參數為壓力2.05MPa，溫度220℃，廠控指標為低于1.15t)。

表2 滿負荷下不同汽提塔液體對應的相關參數

(2)液位調節(jié)閥開大或者全開。液位調節(jié)閥由于故障開大或者全開會導致汽提塔液位偏低，液位偏低的極限是CO2“串氣”到后系統，CO2走短路到后系統會使低壓系統的壓力快速上升，安全閥會起跳，若控制不當，會導致封塔，與此同時，池式反應器中的原料CO2減少，會打破原有的化學平衡，使平衡轉化率嚴重下降，高壓系統中的N/C會因為缺少CO2發(fā)生嚴重失調，池式反應器的溫度、產氣量、壓力都會受到不同程度的影響。此時汽提塔的加熱蒸汽會發(fā)生大幅度波動，由于汽提塔為降膜式結構，液體會沿著汽提管的3個分布器小孔自上而下均勻地與上升的CO2逆向接觸，降低氨分壓，促使甲銨的分解，甲銨的分解需要吸收大量的熱，由于CO2大部分去后系統，甲銨分解率降低，導致加熱蒸汽大量減少，容易造成蒸汽管網的大幅度波動[3]。

3 解決措施

通過分析高壓系統的調節(jié)閥故障給系統帶來的不利影響，生產操作中必須做出正確及時的判斷，盡可能降低系統波動和封塔停車。當發(fā)生高壓洗滌器放空調節(jié)閥失靈時，建議反復開關氣相放空調節(jié)閥，查看是否為調節(jié)閥卡澀；利用高壓沖洗水泵進行調節(jié)閥的沖洗，若調節(jié)閥為結晶卡澀，該方法特別有效；檢查調節(jié)閥的執(zhí)行機構是否失靈，若因為執(zhí)行機構等儀表元件原因，可以用千斤頂等輔助工具強制打開調節(jié)閥進行泄壓；正常生產中應避免長時間的小開度閥位，否則會造成管線、閥門結晶。若池式反應器液位調節(jié)閥發(fā)生故障，首先要利用調節(jié)閥的反饋值進行綜合判斷，處理的要點是液位異常時及時降低系統的負荷，避免系統壓力超壓，同時控制氨碳比、水碳比、蒸汽系統等參數在正常操作指標范圍。相對其他兩個調節(jié)閥發(fā)生故障帶來的影響，汽提塔的液位調節(jié)閥故障在操控上比較容易控制，只需密切注意工藝參數變化，同時結合操作經驗，便能正常維持系統運行。