利用尿素合成塔改造水解塔技術研究

劉國羽 劉帥鵬

(河南能源集團安化公司尿素廠 河南安陽455133)

0 前言

20世紀90年代，我國建成了一大批年產40～110 kt水溶液全循環法尿素裝置，原設計中工藝冷凝液經解吸塔處理后排放，解吸殘液設計排放指標為含氨質量分數0.07%、含尿素質量分數1.15%，隨著環保要求的提高，現已無法達到國家排放標準的要求。尿素深度水解技術是將尿素生產中排放的工藝冷凝液中的尿素分解成氨和二氧化碳，再通過解吸將氨和二氧化碳從工藝冷凝液中分離出來，回收至尿素生產系統，使排放廢液中的氨氮含量低于環保指標。但尿素深度水解裝置投資較高，年產300 kt中型尿素裝置的深度水解裝置投資約為580萬元；而目前國內規定尿素合成塔使用年限不得超過20年，將強制報廢后的尿素合成塔進行改造，降壓作為水解塔使用，可降低尿素深度水解裝置的投資。

1 水解塔和退役的尿素合成塔分析對比

河南能源集團安化公司(以下簡稱安化公司)新增的水解裝置采用低壓水解工藝，處理能力為20 m3/h氨水，水解、解吸采用一體塔設計，水解蒸汽壓力等級為1.3 MPa，水解塔操作壓力為 1.1 MPa。

Φ1 500 mm×35 133 mm水解塔操作參數：材質為316L，塔盤數40層，塔底和塔頂的操作溫度分別為185～190 ℃和140～145 ℃，介質為氨、二氧化碳、尿素和水。

安化公司退役的Φ1 384 mm×30 022 mm尿素合成塔于2011年12月停止使用，服役時間為18年3個月。其設計參數：層板包扎式，襯里材質00Cr17Ni14Mo2，筒體壁厚108 mm，襯里壁厚6 mm，操作壓力20.0 MPa，操作溫度 190 ℃，介質為氨、二氧化碳、尿素和氨基甲酸銨。

通過分析對比，退役的尿素合成塔與水解塔的工藝操作條件、襯里材質及設備尺寸大小相近，工藝操作條件符合水解塔的要求。操作壓力由20.0 MPa 降為1.1 MPa，相當于降壓使用。

2 存在的風險分析

2.1 尿素合成塔改造后使用安全

退役的尿素合成塔改造采用1.1 MPa的低壓水解裝置，對設計壓力21.6 MPa的尿素合成塔而言相當于降壓使用，也為強度復核計算合格的可能性提供了保障，有資質的設計部門出據的設備構件強度計算合格證書是壓力容器符合質檢規范的前提，在設備構件強度計算合格情況下可以滿足安全運行。

與尿素合成塔使用環境相比，水解塔內的工藝條件要溫和很多，沒有氫氣這種活躍且爆炸極限范圍很寬的危險氣體，由于不需要防腐空氣，無氧的環境徹底消除了爆炸危險隱患。

尿素合成塔受活塞式運轉設備的送料影響，在基本滿液操作情況下存在脈沖現象，因此屬于交變應力工作環境，塔體材料易出現疲勞性受損。改作水解塔之后，消除了脈沖現象，為設備的壽命延長和安全運行提供了保障。

改造需要在退役的尿素合成塔多層包扎式殼體上開少量孔，這是GB 150—1998技術規范允許的，具備現場開孔施工資質的單位可以進行。

2.2 改造后達到設計效果

該20 m3/h水解塔在設計開始時考慮的余量較大，根據實際運行情況，在處理量達到25～28 m3/h時，處理后的廢液仍可達標排放。改造后水解塔的塔盤數量最初設計為40層，由于其塔徑減小了100 mm，高度降低了5 111 mm，修改設計將塔板間距減小(經計算完全可以)，塔板層數增加至43層，同時增加塔板上吸收泡罩的數量，以提高塔的吸收能力，滿足運行要求。

3 開孔方案

退役的尿素合成塔需開孔4處(圖1)：距塔底部1 150 mm處開DN125 mm孔，作為水解加熱蒸汽入口；距塔底部1 750 mm處開DN25 mm孔，作為液位指示接管口；距塔頂部2 817 mm處開DN80 mm孔，作為氨水入塔口；距塔頂部1 117 mm處開DN50 mm孔，作為冷流入塔口。

4 運行效果及效益分析

安化公司的尿素深度水解裝置于2012年10月29日成功投運，其水解塔壓力提升至0.8～0.9 MPa，水解塔底部溫度為180 ℃、中部溫度為175 ℃、頂部溫度為140 ℃，水解塔運行溫度低于設計溫度5 ℃。目前，入水解塔工藝冷凝液中氨質量分數在4%～5%，解吸廢液氨質量分數平均在30×10-6以下。

圖1 尿素合成塔開孔示意

改造后運行至今，該尿素深度水解裝置運行平穩，徹底解決了原解吸系統操作彈性小、系統波動大、多次造成廢液排放嚴重超標等問題。改造后，一冷補液穩定，吸收塔組分明顯穩定，同時有利于一甲泵的穩定運行。Φ1 500 mm水解塔投資100萬元左右，利用退役的尿素合成塔開孔改造成本20萬元，可節省設備投資費用80萬元左右，經濟效益明顯。

5 結語

我國有近200套小型尿素生產裝置，其中已有100多套進行了“四改六”技術改造，70多套進行了“六改十”技術改造，有2/3以上的小型尿素裝置產能已達中型尿素裝置規模，部分裝置甚至已達到或超過了大型裝置規模。隨著企業的發展及環保形勢的要求，解吸系統向水解系統優化為必然之路，利用企業退役的尿素合成塔改造成水解塔可以降低投資，減輕了企業的負擔，還能達到節能降耗的效果。