淺議水溶液全循環尿素裝置系統壓差與節能擴產

辛向陽,尚秀蘭,張曉旭,穆雯雯

(山東阿斯德化工有限公司,山東肥城 271600)

眾周所知,水溶液全循環法工藝尿素在我國尿素生產中占有重要地位,在其發展期間,眾多的小尿素廠經歷了單套尿素裝置由40～60 kt/a擴至80～100 kt/a,再擴至180～200 kt/a的過程。在這期間多數經歷了不斷學習摸索改造完善的過程。筆者所在的公司有兩套尿素裝置,原分別為40 kt/a、60 kt/a,在經歷了多次改造后已均能達到180 kt/a能力?，F結合我公司歷次改造及筆者到兄弟單位的參觀學習情況,就改造中系統壓差與節能擴產之間的關系進行簡單分析。

1 中壓分解循環系統

1.1 中壓分解系統

我公司40 kt/a裝置增產改造過程中先是加大了一分加,但在擴產后發現預蒸餾塔內塔盤易變形、吹翻,或泡罩沖刷腐蝕嚴重。后于2003年改造時將其更換為φ1 200 mm換熱面積330 m2的自汽提一分塔,才得以解決。(使用初期自汽提一分塔加熱器列管爆,以及現在自汽提一分塔的降膜分布器與加熱器之間的密封差仍在影響系統的經濟運行)。原60 kt/a裝置在擴產時,預蒸餾系統只是加大了一分加,由原來的 F134 m2加大為F200m2,對預蒸餾內塔盤上的泡罩及中心管均做了加大處理,泡罩由φ75 mm擴大至φ108 mm;中心管則由φ57 mm擴大至φ70 mm,個數、排列方式不變。改造后φ1 100 mm預蒸餾塔亦能滿足180 kt/a的需要。筆者改造前到河北東光和冀州銀海參觀學習。東光二期使用φ1800 mm、F671 m2的自汽提一分塔,產能達300 kt/a;冀州銀海二期則使用 φ1 400 mm、F555 m2的自汽提一分塔,產能200 kt/a;兩公司目前噸尿素蒸汽消耗均在1 100 kg以內,冀州銀海汽耗報導已達900 kg。而在使用預蒸餾的廠家中,筆者曾與萊西化肥廠交流,他們在加大預蒸餾塔及一分加后,未使用其他新技術,汽耗亦降到1250 kg以內,但產能增幅不大。寧波遠東在公開的資料中介紹其開發的DL型塔盤,目的亦是加大流通量,提高傳質傳熱效果及產能,降低各項消耗,特別是蒸汽消耗;因此,筆者認為中壓分解預蒸餾塔在擴產節能改造中,必須要考慮一分加熱器至預蒸餾塔氣相出口在正常生產負荷下是否有最小壓差(確保氣液有足夠的流通空間),一分加熱器加熱室蒸汽壓力在正常生產中是否在0.6～0.65 MPa之間(在合成塔出液CO2轉化率不變的情況下有滿足生產負荷的換熱面積);并確保一段分解達到預期效果(合成塔出液CO2轉化率的高低對預蒸餾塔影響大,本文在均未考慮其影響的前提下分析對比)。

1.2 中壓循環回收系統

水溶液全循環工藝裝置的一大特點就是循環工序的高框架布置。工藝物料需要依靠重力流動的相關設備之間要有足夠的位差;設備布置的標高及配管必須合理,以確保物料的正常流動;但在小尿素擴產節能改造中,有很多兄弟單位和我們一樣,對此沒有引起足夠的重視。

中壓吸收塔是尿素生產的關鍵設備之一。我公司初次擴產改造均是對一吸塔進行加長鼓泡段及加大鼓泡分布器的改造,并相應增加了一臺一吸冷卻器,加大了循環水泵,將一吸塔氣相管線、氣液混合物管線及部分循環水管線由φ159 mm放大到 φ219 mm。在 40 kt/a擴至 100 kt/a和60 kt/a擴至100 kt/a的過程中,效果確實明顯。但擴至180 kt/a后,一吸塔則表現出操作困難,經常超溫,明顯感到一吸塔內壓力高,頂回流氨和氨水加不進去。為此,我們先后加粗了回流氨和氨水管線,雖然都起到了一些作用,但均未徹底扭轉被動的局面。2007年借合成塔檢塔大修之機,對原40 kt/a裝置的φ1 000 mm一吸塔塔盤、鼓泡器進行改造,將塔盤上的泡罩由原來的φ75 mm加大為 φ108 mm,各中心管由原來的φ50 mm加大為 φ70 mm,鼓泡器的分布孔為φ10 mm,孔的總數確保其截面積之和達到φ219 mm管截面積的2倍以上。檢修完畢后開車,取得較好的效果。班產尿素由原來的150 t左右提至180 t左右,并且操作較原先穩定,但一吸塔3點溫度偏高,在85℃左右。我們分析可能為鼓泡器分布孔徑偏大(φ10 mm),故在60 kt/a裝置的增產節能改造中,未再加大鼓泡器分布器孔徑,只增加孔數;60 kt/a裝置的一吸塔3點溫度均在55℃左右。2008年公司與寧波遠東合作又對兩套系統進行節能改造。此次改造未對一吸塔進行改動。但是一吸冷卻器、熱能利用段的加大進一步穩定了一吸塔的操作。2010年3月通過對河北東光、冀州銀海、山東華魯恒升、明水大化的參觀學習,結合兄弟單位的運行經驗及我公司實際情況,我們制定了以降低中低壓系統壓差,提高分解效率,降低汽耗,穩定生產工藝的技改思路。準備在中壓系統實施以下改造。

(1)加粗一吸塔氣相管線,由原來的φ219 mm加粗為φ325 mm。

(2)加粗一分塔氣相至熱能利用段、一吸冷卻器、一吸塔的氣液混合物管線到φ325 mm。

(3)加粗氨冷A至惰洗器,到氨冷B,再到氨冷C至惰洗器的氣相管線,及氨冷器氣相和液氨緩沖槽的氣相平衡管線。

(4)加粗預分離器氣相出口至一吸冷卻器氣相管線,并去掉閥門。原60 kt/a裝置的預分離器標高抬高2 m。

(5)新上一臺400 m3/h循環水泵,更換掉原來的100m3/h循環水泵,并將原部分φ159mm管線加粗為φ219 mm。

具體實施過程中,因時間及其他原因,(2)、(3)、(4)項未徹底實施。原40 kt/a裝置中使用31 m3的合成塔,經過改造后班產尿素達到200 t以上,最高班產達到211.8 t,各項指標更加穩定,操作彈性加大;但在此負荷下,系統壓差雖有降低卻未達到既定目標,導致單套尿素蒸汽消耗仍在1 230 kg/t左右(含水解)。對我公司原60 kt/a裝置,則主要進行了(1)項改造,(2)、(3)項僅做了少量改造,使用31 m3合成塔,班產尿素亦能達到190 t以上,蒸汽消耗在1 150 kg左右,兩套尿素單獨生產時噸尿耗氨均控制在575 kg以內。結合2010年的改造,我們認為水溶液全循環工藝節能擴產改造后,仍完全有能力將蒸汽消耗降至1 100 kg/t以下,但前提是所有改造應盡量以不增加系統的壓差為目標。冀州銀海噸尿蒸汽消耗降至900 kg,筆者對該裝置參觀學習時,第一印象就是感覺設備少,現場簡練,與很多擴產后的單位不同,一吸冷卻器就用了一臺(432.8 m2),循環水泵為600 m3/h,氨冷器共兩臺(單臺580 m2),筆者參觀當天注意到當時二甲泵、氨水泵出口壓力均為1.8 MPa而中壓控制在1.7 MPa,設備的增大與數量的減少,使系統壓差降至最低,這應是該裝置汽耗低的原因之一。

2 低壓系統

截止到2003年,我公司對低壓部分只是加大了二分加熱器,在兩套尿素裝置的二分塔氣相至二循一冷之間加了二循預冷器。由于尿素產能增加,二循一冷氣相帶液,二循二冷氨水中CO2含量增加一直困擾生產。在2008年與寧波遠東合作時,將原40 kt/a裝置中備用的預蒸餾塔、一分加熱器改為二分塔、二分加熱器;60 kt/a裝置中的二分塔精餾段由原φ800 mm加大為φ1 000 mm,并對一冷氣相管線加高加粗,低壓系統才趨于穩定,但是二循一冷器氣相仍不時帶液。2010年我們改造低壓系統的思路也是降低壓差,穩定生產,具體制定以下措施:

(1)二循預冷和二循一冷由串聯改為并聯;

(2)加大二循一冷、二循二冷氣相分離空間。

截止到目前只實施(2)項改造,改造完成后,原40 kt/a裝置中的低壓系統亦基本滿足了180 kt/a的要求。但是二分塔氣相至二循二冷氣相出口的壓差仍達0.2 MPa(現二分塔氣相出口壓力在0.4 MPa左右,低壓控制指標為0.2 MPa),體現到操作中,則是生產負荷增加,二分加熱室內的壓力就明顯上升,制約了系統進一步節能降耗。

3 蒸發系統

由于直接關系到成品質量,一直是改造的重點。但在擴產節能改造過程中由于一直本著修舊利廢、節約代用的原則,對系統的壓差認識不足,也走了不少的彎路。兩套裝置的二段蒸發冷卻系統,由原來的一個50 m2氨冷到加到一個80 m2水冷,到再一個94 m2水冷。中間冷也由原來的一個9m2到再加一個11m2冷卻器,再到改為一個36 m2的中間冷(均是舊設備改造利用)。二段蒸發分離器也由加熱分離器一體改為分體,加熱器出口至分離器切線進料,進料口上方未加擋液板,仍沿用老旋流除沫器,一、二段蒸發蒸汽噴射器改為水抽噴射器。每次改造完后在開車初期均能看到有所好轉,但均未徹底解決問題。2003年將原40 kt/a裝置改為三段蒸發,新上降膜閃蒸加熱器、分離器、閃蒸冷凝器,由于設備質量及安裝等原因,加熱器多次爆管,閃蒸真空一直未達標。2007年大修之際,將兩套裝置一表冷至一段蒸發水抽噴射器、中間冷至二段蒸發水抽噴射器的管線由原來的φ76 mm改為φ108 mm,開車后效果比較明顯,二段蒸發分離器內真空能達到-0.085 MPa以上。但連續運行1個月后,二段分離器的真空就開始下降,其上部及氣相管間結滿縮合物,需停車長時間熱洗浸泡處理。隨著環保要求的嚴格,熱洗后的水因無法回收處理,排放又成了難題。2008年,在與寧波遠東合作的方案中,新購兩臺220 m2的二表冷,將原來兩套裝置中二段蒸發各三個水冷器全部去掉,分別將最大的一個老水冷改為中間冷,去掉原36 m2中間冷。原60 kt/a裝置二段蒸發分離器切線進料口上方增加擋液板;原旋流除沫板及以上部分全部去掉;原40 kt/a裝置則新上一臺二段蒸發分離器,氣相出口管線均由φ377 mm改為φ530 mm,各新上40 m2一段蒸發加熱器一臺,170 m2的熱能利用段一臺。原40 kt/a去掉降膜閃蒸加熱分離器,新上閃蒸分離器和加熱器;原60 kt/a裝置則加大閃蒸分離器并增加了閃蒸加熱器和閃蒸冷卻器。徹底解決了蒸發系統存在的問題。管線的優化確保了尿素的優級品率。河北東光二期300 kt/a尿素一表冷350 m2,二表冷350 m2,且一二段蒸發分離器氣相至一二表冷管線均為φ630 mm;而冀州銀海200 kt/a尿素一表冷284 m2,二表冷350 m2,一二段蒸發分離器與一二表冷管線也均為φ630 mm,設備的放大,氣相管線的放大,均有效降低了噴射器至分離器系統的壓差,使噴射器發揮出最大的潛能。而我們在改造過程中也有一個細節,原40 kt/a擴產節能改造時,因考慮如何確保產品質量,將二段噴射器A也一并加大,并相應加粗了連接管線,但開車后發現二段蒸發蒸汽噴射器A根本不用開,僅水抽二段就能滿足系統需要。

4 結 語

結合兄弟單位好的經驗及我們所走的彎路,筆者深切體會到水溶液全循環工藝節能擴產改造中系統壓差的重要性;很多時候大的投資已經進去,卻因為設備安裝不到位,管線配置不合理,特別是氣相管線偏細,導致產能擴大后系統壓差增大,操作困難,消耗上升,成品質量不穩定,致使改造效果不明顯。如何有效計算、論證,對工藝物料需要依靠重力流動的相關設備之間應確保最小的壓差,以發揮出設備的最大潛能,應當是參與技改人員考慮的要點。