尿素高壓洗滌器氣相帶液原因分析及預(yù)防

謝 安, 高 箭

(四川美青化工有限公司， 四川射洪 629200)

四川美青化工有限公司20萬t/a合成氨聯(lián)產(chǎn)30萬t/a尿素裝置于2009年7月建成投產(chǎn)。尿素裝置采用的是荷蘭斯塔米卡邦CO2汽提法技術(shù)，投產(chǎn)后運行正常。

1 高壓洗滌器氣相帶液

2020年4月8日裝置大修投產(chǎn)后，5月13日出現(xiàn)高壓洗滌器氣相帶液現(xiàn)象。之后，呈頻繁趨勢6月25日發(fā)展到每班多次(見表1)。

表1 高壓洗滌器氣相帶液情況統(tǒng)計 次

由表1可知：從5月13日早班開始高壓洗滌器氣相出現(xiàn)帶液現(xiàn)象。6月25日后，尿素系統(tǒng)不得不減負荷運行。

當出現(xiàn)高壓洗滌器氣相帶液現(xiàn)象時，表現(xiàn)如下：

(1) 高壓圈壓力(PI2201)正常，高壓系統(tǒng)各溫度點正常，高調(diào)水系統(tǒng)運行正常，甲銨泵、液氨泵轉(zhuǎn)速未做調(diào)整，高壓甲銨噴射器開度調(diào)節(jié)閥(HC2203)未做調(diào)整。在此情況下，高壓洗滌器出氣溫度(TI2213)及低壓吸收塔進氣溫度(TI2225)突然急速下降。

(2) 低壓吸收塔運行不正常，低壓吸收塔壓力(PI2203)上升，低壓吸收塔液位(LI2205)猛升后突降，波動幅度較大。

(3) 一旦出現(xiàn)高壓洗滌器帶液現(xiàn)象，及時降低甲銨泵轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)運行恢復(fù)。

(4) 隨著帶液次數(shù)的增加，甲銨泵轉(zhuǎn)速恢復(fù)不到原開度[1-2]。

2 對尿素生產(chǎn)影響

2.1 環(huán)保

由于解吸水解溫度和壓力控制相對穩(wěn)定，從抽檢的數(shù)據(jù)統(tǒng)計看，幾乎對外排廢水無影響。

高壓洗滌器氣相帶液發(fā)生后，部分甲銨液被高壓洗滌器出氣帶入低壓吸收塔，使得進入高壓洗滌器填料層和列管內(nèi)的甲銨液減少，對尿素合成塔出氣冷凝吸收不足，高壓洗滌器出氣中NH3與CO2的含量相應(yīng)增加。雙重疊加會導(dǎo)致低壓吸收塔氨水濃度增加以及吸收變差，排入放空筒的NH3和CO2含量增加，造成環(huán)保壓力。抽檢的放空筒外排廢氣數(shù)據(jù)見表2。

表2 放空筒排放數(shù)據(jù)

由表2可知：當高壓洗滌器氣相帶液發(fā)生后，放空筒外NH3排放量明顯上升，是正常生產(chǎn)時的3～5倍。

2.2 尿素消耗

在高壓系統(tǒng)，由于部分甲銨液被高壓洗滌器出氣帶入低壓吸收塔，在高壓洗滌器內(nèi)吸收變差，進入高壓甲銨冷凝器和合成塔參與反應(yīng)的甲銨液量同樣也會減少，導(dǎo)致尿素產(chǎn)量減少，相應(yīng)的電耗和氨耗增加(見表3)。未參與高壓系統(tǒng)反應(yīng)的甲銨液中，絕大部分被冷凝回收到氨水槽，極少部分通過放空筒排放[3]。

表3 噸尿素耗氨統(tǒng)計表

2020年5—7月，高壓洗滌器氣相帶液發(fā)生時，尿素產(chǎn)量為9.3萬t，以2019年平均噸尿耗氨(567 kg)為基數(shù)，多耗氨5 kg，按液氨價格為2 200元/t計算，僅氨耗損失就多達102.3萬元。

3 原因分析

3.1 高壓洗滌器物料流向及設(shè)備結(jié)構(gòu)

來自尿素合成塔的尾氣，從合成尾氣進口進入器內(nèi)上部防爆空間，由合成尾氣出口離開上部，沿器外U型管道，從器底部合成尾氣入口進入管式換熱器底部。從高壓甲銨泵送來的甲銨液由器頂部的進口經(jīng)分布器及填料層進入器內(nèi)的中心管，向下流進循環(huán)漏斗口，沿中心循環(huán)管往下流至液封槽內(nèi)，之后溢流到器底。合成尾氣入器后經(jīng)氣體分布器分散至甲銨液中，并流經(jīng)環(huán)封小孔，充分混合后進入冷卻管中。高壓洗滌器設(shè)備簡圖見圖1。

圖1 高壓洗滌器設(shè)備簡圖

在冷卻管內(nèi)，部分CO2與NH3被冷凝吸收，其反應(yīng)熱被殼側(cè)的高調(diào)水帶走；氣液混合液從冷卻管上端進到中部鼓泡段，未被吸收的氣體分離出來，進入中心管外的夾套管；最后，經(jīng)填料層從器頂不凝氣出口流出，送至低壓吸收塔。

吸收CO2與NH3后的濃甲銨液從甲銨液出口流出，由高壓甲銨噴射器抽吸至高壓甲銨冷凝器參與反應(yīng)。部分濃甲銨液流入循環(huán)漏斗，與中心管流下的甲銨液匯合，沿中心循環(huán)管返回器底。

3.2 產(chǎn)生因素

高壓洗滌器的作用就是通過甲銨泵送來的甲銨液洗滌尿素合成塔尾氣中的NH3和CO2，只有在特殊工況下才會發(fā)生帶液現(xiàn)象。帶液原因主要有： 高壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率下降，過多的NH3和CO2進入高壓洗滌器； 高調(diào)水系統(tǒng)工作不正常，高壓洗滌器冷凝效果不佳； 低壓蒸汽控制不合理； 甲銨泵轉(zhuǎn)速過高； 高壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)閥(HC2202)開度過大，造成出高壓洗滌器氣體流速增加； 高壓甲銨噴射器故障，導(dǎo)致抽吸能力不足； 液體分布器堵塞、填料堵塞、中心降液管液封槽移位故障。

3.3 甲銨泵倒泵次數(shù)較多

由于尿素裝置汽提塔中Co60放射源活性降低，汽提塔液位顯示失真(原計劃2020年大修更換射源液位計，受疫情影響，更換時間推后)。在實際生產(chǎn)過程中，操作人員考慮汽提塔液位顯示不準會影響循環(huán)系統(tǒng)的操作，在原有基礎(chǔ)上關(guān)小了LC2202的角閥，導(dǎo)致汽提塔出料不暢，實際液位偏高，最終CO2隨著汽提液進入循環(huán)系統(tǒng)，造成循環(huán)系統(tǒng)氨碳比失調(diào)，嚴重影響甲銨泵的打量。甲銨泵倒泵頻繁，造成甲銨泵組合閥閥罩與閥座間密封圈損壞。4月26日—5月3日，甲銨泵出現(xiàn)多次倒泵現(xiàn)象(見表4)。

表4 甲銨泵倒泵次數(shù)統(tǒng)計表 次

通過不斷調(diào)整因工藝條件變化導(dǎo)致高壓洗滌器氣相帶液的因素，并予以排除，綜合判斷本次高壓洗滌器帶液是由于設(shè)備出現(xiàn)故障造成的。由于前期甲銨泵多次倒泵，組合閥閥罩與閥座間密封圈碎片隨甲銨液進入高壓洗滌器，堵塞了液體分布器或填料，導(dǎo)致甲銨液下液不暢，形成的積液漫過夾套管后，隨氣相被帶到了低壓吸收塔。

4 高壓洗滌器帶病運行下的操作控制

由于設(shè)備發(fā)生問題時正值農(nóng)業(yè)旺季，尿素供不應(yīng)求，不具備停車條件。同時，高壓洗滌器液體分布器或填料堵塞不是很嚴重，在系統(tǒng)氨水能夠平衡的情況下[4]，通過以下改進操作以維持生產(chǎn)：

(1) 控制好系統(tǒng)氨碳比，穩(wěn)定轉(zhuǎn)化率。因甲銨泵轉(zhuǎn)速加不上去，適當提高液氨泵轉(zhuǎn)速。

(2) 適當降低低壓蒸汽壓力，減少進入高壓洗滌器的NH3和CO2。

(3) 適當降低高調(diào)水溫度，增加高壓洗滌器的冷凝，減少放空尾氣。

(4) 只要高壓圈壓力可控，盡量不調(diào)整甲銨泵轉(zhuǎn)速，通過加水量控制循環(huán)系統(tǒng)液位。

(5) HC2202保持合適開度。

(6) 通過提高高壓汽包壓力和降低解吸負荷來調(diào)整甲銨液濃度。

從6月27日起，尿素系統(tǒng)除了消耗較高以外，負荷和產(chǎn)量基本恢復(fù)正常。

7月24日，受雷電影響，外電網(wǎng)斷電，公司所有裝置緊急停車。利用這次機會，對尿素裝置進行排放、清洗，并拆檢高壓洗滌器。檢修時發(fā)現(xiàn)甲銨泵組合閥密封圈填料碎片嚴重堵塞液體分布器，導(dǎo)致甲銨液下液不暢。經(jīng)檢修后的高壓洗滌器于7月26日開車運行至今，未再出現(xiàn)氣相帶液現(xiàn)象。

5 改進措施

甲銨泵組合閥密封圈填料采用四氟材料，可耐高溫和腐蝕，但運行中的磨損難以避免。為了從源頭上防止損壞的密封圈填料碎片進入高壓系統(tǒng)，在甲銨泵出口管線上增加管道過濾器；每次倒泵時清洗過濾器。公司已與西安亞星泵閥制造公司訂制專用過濾器，計劃大修期完成改造，以徹底解決甲銨泵組合閥密封圈碎片對高壓洗滌器的影響。

6 結(jié)語

尿素高壓洗滌器氣相帶液后，尿素的消耗會明顯增加，放空筒尾氣排放超標，嚴重時會導(dǎo)致環(huán)保事故的發(fā)生。尿素高壓洗滌器氣相帶液的原因復(fù)雜，應(yīng)具體分析并采取相應(yīng)措施，才能確保尿素裝置穩(wěn)定運行。