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）

近幾年建設的尿素項目規模都在年產520kt以上，工藝方案的選擇各有不同。有的追求工藝設備先進、能耗最低；有的追求投資低，主張技術、設備國產化。

近年年產520kt以上尿素項目在建、擬建項目及工藝方案粗略統計如表1。

表1 近年520kt／a以上尿素項目統計

下面就新建尿素項目單元裝置工藝方案的選擇進行對比分析，供大家交流學習，個人觀點不足處希望同行指正，共同進步。個別項目資料來源于報道、可研，可能與最終工程建設方案有出入，希望了解項目的同行修改補充。

1 高壓圈方案選擇

現在在建年產520kt以上規模的尿素裝置，高壓圈工藝選擇基本限定在二氧化碳汽提工藝（國內改進型、斯塔米卡邦2 000型）、斯納姆氨汽提工藝兩種。水溶液循環法僅在年產400kt以下尿素裝置中有應用。

1.1 兩種工藝的特點

（1）二氧化碳汽提工藝流程短，沒有中壓系統，操作簡單。

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

（3）二者噸尿素液氨消耗都比較低，設計接近理論值。

（4）卡邦開發的池式冷凝器流程和池式反應器流程，因池式冷凝器或反應器緩沖效果好，操作非常平穩，主框架也由70m降至30m左右，氨汽提工藝與之相比就沒有什么優勢了。

從表1也可以看出，選用氨汽提工藝的僅年產520kt尿素裝置有三家，年產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目，二氧化碳汽提工藝占了絕對優勢。

1.2 二氧化碳汽提工藝介紹

1.2.1 國內改進型二氧化碳汽提工藝

國內改進型二氧化碳汽提工藝以中國五環工程有限公司為代表，設計中對原引進大化肥裝置進行了優化，更有利于操作。改進型二氧化碳汽提工藝首先大范圍應用在年產300kt尿素裝置上，逐步發展到年產520kt以及800kt裝置。年產520kt在建尿素裝置工藝方案以國內改進型為主。

1.2.1.1 消耗（表2）

表2 國內改進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

（1）設計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，高洗器下液管設計有液位計。

（2）低壓開車方案設計。僅在合成塔出液管處設計升溫蒸汽管線，沒有加空氣管線，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口處均設計50mm帶限流孔板的開車副線。

（3）高壓調溫水回水直接進冷卻器冷卻，沒有循環加熱器換熱段。

（4）沒有低壓甲銨冷凝器液位槽頂的低壓洗滌段。常壓吸收塔為二段吸收帶強制循環，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

為使系統安全穩定運行，建議高壓甲銨噴射器進口（國內航天十一所也有使用業績），主要液位調節閥和開關閥進口，316Lmod的管道、閥門進口。

1.2.1.4 結論

改進型二氧化碳汽提工藝操作簡便，調節參數時互相影響小，裝置氨耗接近理論值，噸尿素在570～575kg。高壓圈設備（高壓甲銨噴射器除外）均已國產化。國內改進型二氧化碳汽提工藝沒有昂貴的專利費用和專利設備，為裝置建設節約了資金。

1.2.2 卡邦池式反應器流程（圖1）

在建項目只有中海油華鶴30·52尿素項目采用荷蘭斯塔米卡邦池式反應器流程。尿素裝置2012年6月土建開始，預計2014年投產運行。池式流程的物料消耗見表3。

表3 卡邦池式反應器流程噸產品物料消耗表（不包括大顆粒）

1.2.2.1 裝置特點

（1）高壓圈三臺高壓設備（池式反應器、二氧化碳汽提塔、球型高壓洗滌器）為專利設備。高壓洗滌器只有一個球型洗滌段，取消了冷凝段和調溫水系統，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；而改進型二氧化碳主裝置高80m。

（3）高壓設備和高壓管道及閥門使用Safurex材料；池式反應器和汽提塔采用雷達液位計；合成塔出液采用N／C分析儀。以上全部為進口專利產品。

（4）可進行低壓開車，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。

（5）專利商說因高壓圈全部使用Safurex材料，可進行無氧操作，可以取消脫氫系統。已建和在建項目業主從安全角度考慮，一般要求按入汽提塔二氧化碳的0.1%～0.3%設計加氧。

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

1.2.2.2 池式反應器流程和國內改進型流程高壓設備規格、布置對比（表4）

表4 520kt／a池式反應器流程和國內改進型流程高壓設備規格、布置對比表

1.2.2.3 結論

工藝包專利費、專利設備費高。因高壓設備減少，流程簡化，操作更加簡單。池式反應器分冷凝段和反應段，容量大，對氨碳比變化不敏感，操作更加平穩。加空氣量減少，惰性氣體少，二氧化碳轉化率增加，減輕了后續處理系統負荷。

1.2.3 卡邦池式冷凝器流程（圖2）

現國內在建年產800kt尿素項目，采用卡邦池式冷凝器流程的較多。現卡邦池式冷凝器流程高壓圈設計也全部采用Safurex材料。

因為生產規模提高后，池式反應器的設備體積和重量都較大，受運輸條件限制，Stamicarbon的工藝概念設計為，當裝置生產規模達到2 300t／d以上時，仍保留垂直安裝的尿素合成塔，設計池式冷凝器；當生產規模低于2 300t／d時，則用一臺池式反應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于將國內改進型流程的立式高壓冷凝器改為臥式池式冷凝器。主裝置高度由改進型的80m降至60m以內，其他工藝流程沒有大的變化，優勢來自于池式冷凝器和Safurex新材料。

池式冷凝器流程優點同池式反應器基本相當。因仍是四臺高壓設備，流程比池式反應器流程復雜。

池式冷凝器的特殊優點是緩沖空間大，有60%的尿素在此生成，相應年產800kt合成塔的容積比年產520kt國內改進型的還小，操作比國內改進型流程簡單、平穩。池式冷凝器流程操作彈性為50%～110%。二者的比較見表5。

圖1 卡邦池式反應器流程

圖2 卡邦池式冷凝器流程

表5 800kt／a池冷流程和國內改進型流程高壓設備規格、設備布置對比表

2 解吸水解方案選擇

尿素系統含氨工藝液處理系統主要由解吸和水解兩部分構成，工藝冷凝液所含的氨和二氧化碳通過加熱和解吸（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、解吸方案進行對比分析。

2.1 深度水解方案

為了使解吸廢液達標回收利用并滿足環保的要求，目前國內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

水解塔采用臥式結構，用隔板分隔成相對獨立的空間，水解液從一端進入，另一端排出，蒸汽分別加入到各個空間，各個空間的蒸汽匯集后再進入解吸上塔下部。

水解塔設計參數為，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

水解塔為立式結構，內部有數層篩板，水解液從頂部加入，底部通入中壓蒸汽，頂部氣相進入解吸上塔下部。

水解塔設計參數為，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的中壓蒸汽，水解塔操作相對也繁瑣，因此，國內采用類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構，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。

解吸塔型式分規整填料型和塔板型。最先應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。近年因規整填料的興起和較好的運行業績，解吸塔開始改用規整填料型式，有的只有上塔為規整填料（多為后改造），新裝置上下解吸塔都為規整填料。

浮閥塔和篩板塔結構相對簡單，若工藝液濃度高和量超過設計負荷，液泛嚴重。規整填料用在解吸塔，操作彈性小，不太適合深度水解的操作工況，負荷稍微超過設計值，廢液超標嚴重。規整填料主要缺點是安裝、檢修困難，規整填料結垢堵塞不易處理。

因此，綜合考慮采用篩板等板式塔優于規整填料型，近年采用高效傳質塔板效果很好，例如河北工大的立體傳質塔板，在提高處理量、處理濃度時，阻力小，廢液指標均在設計范圍內，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：循環冷卻水直接冷卻，循環水半封閉強制冷卻，全封閉軟水強制冷卻。

（1）循環冷卻水直接冷卻

南方冬季水溫高，循環回水一般在30℃以上，可以采用循環冷卻水直接冷卻方式，用循環水上水調節閥控制冷卻溫度。處理的工藝液濃度高時，適當提一下回流冷凝器溫度，不會產生結晶影響換熱的情況。

（2）循環水半封閉強制冷卻

北方冬季循環水上水溫度在20℃以下，遠低于回流液結晶溫度，在冷卻過程中極易造成回流液結晶掛在列管壁上，影響換熱效果，使解吸系統超壓。在處理過程中不能過度關小循環水上水閥，因為水流速慢水中雜質淤泥就會沉積堵塞循環水側列管，以及產生氣阻等。因此設計循環水半封閉強制冷卻方式，見圖3。

圖3 循環水半封閉強制冷卻流程

（3）全封閉軟水強制冷卻

利用封閉軟水對回流冷進行冷卻，用泵密閉循環，再通過循環水冷卻器對軟水進行冷卻。此種方式與高低壓調溫水相同，雖然投資略有增加，但保證了解吸系統的穩定運行，冷凝效果最佳，利于生產和檢修。見圖4。

圖4 全封閉軟水強制冷卻流程

考慮北方冬季循環水溫度較低，應采用循環水半封閉強制冷卻、全封閉軟水強制冷卻兩種方式。雖然會增加電量和初期裝置投資，但從穩定生產、廢液達標方面考慮，必須按此方案設計。

3 造粒方案選擇

目前，尿素造粒技術普遍采用造粒塔造粒和造粒機造粒兩種工藝。

3.1 塔式造粒

因只有尿液泵、熔融泵和造粒噴頭是轉動設備，利于長周期穩定運行。不足之處為，產品粒度小、水分含量略高、縮二脲高，不利長期儲存，產品用途也受到制約。

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 造粒機造粒

有挪威海德魯技術、日本東洋技術、國內達立科技術等。海德魯大顆粒成粒技術生產的顆粒圓滑、致密，整體質量優。國內應用此技術的大顆粒裝置最多。

以海德魯大顆粒技術為例，大顆粒裝置的特點如下。

（1）大顆粒裝置運轉周期短，每一個月需清床層一次。

（2）動設備多，并且都是單系列（泵除外），連續運轉率不高。

（3）風機耗電量大，電耗比小顆粒高很多。

（4）專利設備造粒機下箱體、噴頭需進口。

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

年產520kt尿素造粒塔造粒、大顆粒造粒技術尾氣污染物排放量比較見表6。

表6 造粒技術對比

現執行的環境保護標準《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297－1996）二級標準規定：顆粒物（外插法計算）排放濃度120mg／m3。如果不經過處理，造粒塔尾氣很難達到環保排放標準。

3.3 結 論

化肥工業 “十二五”發展規劃中要求：到2015年，尿素占氮肥的比重達到70%左右，磷銨占磷肥的比重達到70%左右，無氯鉀肥滿足國內需求，單質肥復合化率、大顆粒尿素比重逐步提高。

大顆粒尿素無論從環境保護還是政策方面，都是小顆粒尿素無法相比的。大顆粒農用市場也正在不斷發展壯大，農業用戶對大顆粒的肥效、儲存等優勢認知后，也會更加信賴大顆粒尿素。

如果小顆粒尿素還要生存，首先在環保方面要過關，現在不少塔式造粒的工廠開始對造粒塔尾氣進行洗滌，據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 語

本文所介紹的大化肥裝置部分工藝方案，概括了在建尿素項目的基本工藝方案。各個公司根據經濟實力和目的的不同，選擇了不同的工藝方案，最終會在投資收益率和產品競爭力上表現出來。工藝方案的介紹觀點不一定準確，僅供同行選擇工藝方案時參考，根據實際情況進行選擇，少走彎路。