400t/d尿素裝置技改總結

陸瑞平

(云南紅河錦東化工有限責任公司云南紅河652302)

400t/d尿素裝置技改總結

陸瑞平

(云南紅河錦東化工有限責任公司云南紅河652302)

1 改造前尿素裝置存在的問題

云南紅河錦東化工有限責任公司(以下簡稱錦東公司)現年生產合成氨90kt、尿素130kt、甲醇10kt及食品級二氧化碳等產品。尿素裝置原設計能力為60kt，經擴能改造后，日產尿素平均在310t左右，最高日產已達350t;但當日產量達350t尿素時，合成塔CO2轉化率由65%下降至62%，預蒸餾塔傳質、傳熱效果不佳，加熱器溫度提不起來，中壓分解壓力高達2.0MPa，一吸塔超負荷運行，蒸發過料不暢，產品質量很難保障，噸尿素氨耗均在590kg以上、蒸汽消耗在1.48t以上，產量也很難再提高。隨著合成氨裝置的擴能改造，有一部分合成氨需轉化為尿素。鑒于尿素裝置存在問題，不能消化合成氨裝置多產的氨，經多方考察后，委托寧波遠東化工科技有限公司在此裝置的基礎上，實施全方位技術改造，使尿素日產能達400t以上。

2 技術改造方案的實施

2.1 合成部分

錦東公司原有裝置設1臺尿素合成塔，容積為23m3，當日產尿素達350t時，CO2轉化率由65%下降至62%，中壓系統很難操作，消耗也高。尿素合成塔的生產強度以10～12t/(m3·d)為最佳，但隨著產量的提高，CO2轉化率隨之下降。影響CO2轉化率下降的原因:①尿素合成塔設計的生產強度在10t/(m3·d)時，尿素合成塔底部流速較快、塔頂流速較慢，隨著生產強度的提高，塔徑比又大，使返混現象加重，且傳統塔盤在返混區的布置又不合理，更難以解決返混問題;②尿素合成塔底部通入CO2氣體，體積大，塔頂生成尿素的密度加大，塔底的尿素密度為675kg/m3，而塔頂密度高達1100kg/m3，相差近1倍，重的物料往下沉，與尿素流向相反，大大加劇了返混;③尿液在尿素合成塔內流動，因塔壁阻力大，越靠近塔壁流速越慢，越在中心位置流速越快，此塔壁效應與前2項原因疊加會產生物料軸向的、從中心向塔壁流動的環流現象，使部分物料在塔內循環而損失有效容積，因而轉化率下降。

在尿素合成塔中，從下往上分為甲銨區和尿素生成區。甲銨區屬于快速反應區，僅占塔高的1/5左右，一般采用旋流板利用塔底進料及CO2氣體的作用使物料旋轉，促進其充分混合均勻;尿素生成區要求物料不返混，呈活塞狀流動，該區是影響轉化率的關鍵，原設計的多孔板塔板從結構及間距均不能解決返混的問題。此次改造錦東公司采用了寧波遠東化工科技有限公司的球帽型塔盤。該塔盤設計獨特，開孔孔徑從中心往邊緣逐漸加大，補償了流體往塔壁方向阻力加大的不利因素，抑制了環流現象，增加了有效空間。在塔盤的布置上，根據不同的塔型，采用不同的布置方案，提高了CO2轉化率。在操作上，針對不同的塔型和塔體，根據不同的停留時間，通過摸索，制定出了適合該塔的最佳操作工藝條件，對尿素合成塔的溫度進行控制，確保尿素合成塔有較高的CO2轉化率。

2.2 中壓分解吸收

2.2.1 增加1臺Φ1400mm預分離器

在尿素合成塔的出口增設1臺Φ1400mm預分離器，其目的是使50%以上的氨分離出來，減輕了預蒸餾塔和一分加熱器的負荷，從而降低了蒸汽消耗(噸尿素節約蒸汽約80kg)。但有些裝置增設該設備后出現液泛現象，大量尿素從預分離器被帶到一吸塔，給一吸塔操作帶來很大困難，致使預分離器氣相出口閥不能開大或者根本不能開啟，起不到該設備應有的作用。經調整設備布置和位差，并改進設備內部結構，充分發揮了預分離器的分離效果。

2.2.2 預蒸餾塔由泡罩塔板改為高效DL塔板

預蒸餾塔原設計為Φ1100mm泡罩塔，當生產負荷達日產尿素350t時，由于氣體流速加快，泡罩塔的缺點明顯表現出來，即一甲液中的尿素質量分數高達5%左右，一吸塔不易操作，且一分液中NH3質量分數高達10%～12%、CO2質量分數達3%～5%，甲銨分解及總氨蒸出效果不佳，給二段分解加重了負擔。而泡罩塔在負荷較低的情況下，操作比較平穩;在高負荷時，由于氣速高易造成液沫夾帶(即液泛現象)，泡罩塔的穩定性較差，分解效果不好。鑒于上述情況，為了提高裝置的生產能力，決定將泡罩塔改為高效DL塔板塔。高效DL塔板是錦東公司根據尿素擴建改造的需要、自行研制開發的專利產品，具有通氣量大、吸收分解效果好等特點，在尿素生產中得到了廣泛應用。其氣體分解原理為分3次對液體進行分解:第1次分解是液體從中心管的小孔處下來與上升的氣體進行接觸，形成一種氣膜，從而完成第1次分解;第2次分解是上升氣體中夾帶的一部分液體上升至泡罩的頂部，然后折回被破碎，完成第2次分解;第3次分解是氣體從罩帽中水平噴出，與塔板上液體進行氣液接觸，傳質、傳熱后完成第3次分解。該塔板經很多企業使用后證明:Φ1000mm預蒸餾塔可通過日產350～400t尿素的物料量，Φ1100mm預蒸餾塔可通過日產400～450t尿素的物料量，Φ1200mm預蒸餾塔可通過日產550～600t尿素的物料量，Φ1400mm預蒸餾塔可通過日產700～800t尿素的物料量。

2.2.3 一吸塔改造

因塔徑偏小，裝置原Φ1100mm一吸塔線速度太高，不能適應生產的需要，容易造成汽液上竄和一吸塔液位波動，必須對塔的下部進行變徑。將鼓泡段由Φ1100mm變徑為Φ1400mm，進口管管徑和下液管口也要作適當變動，并增加鼓泡段分布器，塔內增加4層DL-1型塔板，確保一吸塔能夠滿足生產的需要。

2.2.4 改變脫鹽水流程

改變脫鹽水流程，使所有脫鹽水的流量首先進入第1外冷器，然后進入第2外冷器，并將1臺板式脫鹽水冷卻器和1臺列管式脫鹽水冷卻器分別與2臺外冷器配套使用。由于出預蒸餾塔氣體和二甲液混合產生的甲銨熱和溶解熱，基本上分3處移走:①一段蒸發器的熱利用段;②一吸外冷器;③鼓泡段和回流氨;正常生產時，熱量分配比例為2∶6∶2。從上述熱平衡分配看，重點在一吸外冷器，而且在尿素裝置開車初期，蒸發系統未開車或蒸發系統短停時，其熱負荷需全部后移，主要由一吸外冷器承擔，因此，一吸外冷器除了要承擔正常生產的熱負荷外，還得有適應非正常生產時負荷的波動和生產的加載能力。為了充分發揮一吸外冷器的作用、最大可能降低進入第1外冷器水溫(不得低于70℃);控制第2外冷器的水溫用于調節進一吸塔氣液混合物的溫度。操作方法為循環水采用大流量、小溫差，以便更穩定地控制一吸塔底部溫度。換熱器的冷卻水可采用二循一冷冷卻后的水循環使用，以節約循環水用量;降低進入一吸外冷器的水溫，調節入一吸塔氣液混合物的溫度，換熱后的熱水再送往外工段。如外工段不需要熱水，則可進行系統內閉路循環，確保進一吸塔氣液混合物的溫度，從而控制好一吸塔的出氣溫度和一甲液的溫度。

2.2.5 增加1臺熱水循環水泵

增加1臺200m3/h的熱水循環水泵，使一吸塔系統的脫鹽水實現閉路循環使用;外工段需要熱水時，既可外送，也可本系統內循環，使一吸塔操作比較穩定。

2.2.6 加大中壓系統中的部分管道和增加二甲液預熱器

加大中壓系統中的部分管道，降低中壓系統內的阻力。中壓分解壓力在1.7MPa時，甲銨分解率應＞89%，總氨蒸出率應＞90%，即一段分解塔出口尿液中NH3和CO2質量分數分別為7.5%和3.0%。據理論計算，當分解溫度在同一個相等的值時，中壓分解壓力每上升0.1MPa，分解效率將下降5%，一、二段分解蒸汽消耗將上升50～70kg。技改前，中壓分解壓力在2.00MPa;技改后，下降至1.75MPa，蒸汽消耗大幅下降。

增加二甲液預熱器，充分回收系統內的熱量，用于加熱尿液，從而降低蒸汽消耗。

2.3 低壓分解、吸收

(1)原有1臺Φ800mm/Φ600mm二分塔，加熱器面積只有56m2，不能滿足日產400t的生產需要。此次技改將二段分解加熱器面積擴大至84m2;分離段加長1m，并裝填填料，填料層高度為2000mm，填料上面采用槽盤式分布器與翅式分布器相結合形式，滿足了生產的需要。

(2)原有1臺220m2二循一冷，隨產量的提高，二循一冷的能力明顯不夠。此次技改將系統內退役下來的設備通過改造后設置在二循一冷之前，以降低進入二循一冷氣液混合物的溫度，作為二循一冷預冷器使用，使用效果很好。

(3)原有1臺50m2二循二冷，將原退役下來的換熱面積為56m2的二分加熱器經過改造后加裝在二循二冷器之前，作為二循二冷預冷器，使用效果很好。

2.4 閃蒸與蒸發

(1)加大熱能回收段，解決一段分解系統壓力偏高的問題，并充分回收系統內的熱量;將一段蒸發加熱器更換為F=30m2，以滿足日產400t的需要。

(2)裝置原有的閃蒸分離器偏小，為了確保產品質量，充分回收熱量，增加閃蒸分離器、閃蒸加熱器及閃蒸熱能回收段、閃蒸冷凝器，并適當調整各設備之間的位差，充分利用回收系統內熱量，用于加熱尿液，達到節約蒸汽的目的。

(3)二段蒸發分離器改造為分體式結構，解決分離效果不好的問題，二段蒸發加熱器換熱管材質由316L改為TA2，延長其使用壽命。

(4)加大蒸發系統的部分管道，滿足日產400t尿素的需要。

3 效益分析

此次尿素裝置技改投資(包括設備、閥門、管道、儀表、土建、安裝等)共計350萬元。改造工作于2006年9月開始，10月上旬一次開車成功，經過了幾個月的運行，改造效益比較明顯。改造前，日產尿素一般為310t左右，噸尿素氨耗在590kg以上、汽耗1.48t以上;改造后，最高日產尿素430t，一般維持在410～420t，噸尿素氨耗585kg、汽耗1.10t。按增產尿素100t/d、尿素利潤200元/d、年生產天數330d計，則年增產尿素效益約660萬元;噸尿素氨耗下降5kg、汽耗下降380kg，按年生產130kt尿素、液氨2000元/t、蒸汽70元/t計，年節省費用475萬元。技改后，年增加效益為1135萬元，不到半年即可收回全部投資，經濟效益顯著。

2014-04-04)