CO2汽提與氨汽提尿素生產工藝的比較

張 龍 蔡京榮

CO2汽提與氨汽提尿素生產工藝的比較

張 龍 蔡京榮

(山西陽煤豐喜泉稷能源有限公司山西運城043200)

國內尿素生產工藝主要是在引進CO2汽提和氨汽提工藝的基礎上，經多年消化和吸收，并根據實際情況加以適當改進，形成了目前以這2種工藝為主的格局。筆者根據在山西陽煤豐喜肥業(集團)有限公司臨猗分公司四分廠和山西陽煤豐喜泉稷能源有限公司尿素裝置建設、運行中總結出的經驗，對這2種生產工藝進行客觀分析和比較，以期能為新建大中型尿素裝置選擇工藝路線、可靠性、運行經濟性等方面提供參考。

1 工藝特點分析

CO2汽提工藝主要由CO2壓縮、合成系統、低壓循環系統、蒸發系統、解吸水解系統、造粒系統等工序組成，具有以下特點：①合成回路中氨過剩量低，合成塔氨碳比為2.95～3.10，操作壓力較低；② 用CO2作為汽提劑，汽提效率較高，汽提后的溶液只需一次減壓至低壓分解系統，工藝流程簡短；③合成系統壓力低，減少了原料氣輸送能耗，汽提效率高，低壓系統返回合成回路的循環甲銨液量少，減少了循環甲銨液的輸送功，故整體工藝動力消耗較低；④原料CO2氣進行脫氫處理，具有較高的工藝安全性。

氨汽提工藝主要由CO2壓縮、尿素合成、氨氣汽提、中壓分解與循環回收、低壓分解與循環回收、蒸發造粒等工序組成。相對于CO2汽提法，由于增加了中壓循環系統，工藝流程較長，因此工藝設備較多。

2 工藝比較

2.1 合成工藝

操作溫度、操作壓力、氨碳比、水碳比等因素在不同程度上影響著CO2轉化率。CO2轉化率隨氨碳比的上升而上升，隨水碳比的上升而下降。

氨汽提工藝中的氨碳比和操作溫度均比CO2汽提工藝高，因而有較高的CO2轉化率；但正是由于氨汽提工藝有較高的氨碳比，使其操作溫度和壓力都較CO2汽提工藝要高，因此，氨汽提塔不得不使用特殊材質，并且需要增加中壓分解和回收工段，使得工藝流程復雜，設備數量較多，給操作管理帶來諸多不便，易造成事故和停車。目前，國內CO2汽提工藝正努力通過提高氨碳比以提高CO2轉化率，而氨汽提工藝則著重延長物料在合成塔中的反應時間以提高轉化率。2種尿素生產工藝比較見表1。

表1 2種尿素生產工藝比較

2.2 工藝布置

CO2汽提工藝由于高壓圈等壓操作，物料依靠重力流動，高壓框架高達50 m，優點是占地面積小；而氨汽提工藝則只需采用平面布置，優點是檢修和操作方便，缺點是占地面積相對較大。

2.3 設備和材料腐蝕

CO2汽提工藝最可能產生腐蝕的是高壓圈設備和水解塔，而氨汽提工藝除以上設備外，中壓分解系統的設備也易發生腐蝕。CO2汽提工藝的尿素合成塔使用壽命一般在19～25年，CO2汽提塔使用壽命一般在17～21年，而氨汽提工藝的汽提塔使用壽命在15年左右。

3 工藝運行

3.1 工藝穩定性

這2種尿素生產工藝經過多年的吸收、消化和發展，目前都趨于成熟，具有較高的穩定性。長周期穩定運行、裝置運轉率、年產量、消耗等指標主要取決于煤、水、電等能源的優勢和管理水平。

3.2 加氧量

CO2汽提工藝規定加入系統的氧量達到0.60%(體積分數，下同)能保證尿素裝置的正常操作；盡管氨汽提工藝的加氧量只有0.35%～0.45%，但根據生產實踐來看，氨汽提塔的腐蝕情況較嚴重，需在塔底增加1臺空氣壓縮機，以彌補加氧量低帶來的不足。

3.3 工藝安全性

CO2汽提工藝設置了CO2脫氫工序，尾氣中不再含氫，從根本上消除了可能產生爆炸的危險；而氨汽提工藝的中、低壓尾氣的組分處于爆炸區間，存在爆炸隱患。

3.4 操作彈性

CO2汽提工藝操作彈性較低，系統需在60%以上負荷條件下運行，但開車及穩定工藝的時間短；氨汽提工藝的操作彈性較大，系統可在40%負荷條件下運行，裝置開車平穩，但需要較長的時間，工藝操作回路多，在氣溫較高的生產工況下，中壓系統操作不穩定，易引起停車。

3.5 開車條件

氨汽提法投料前對高壓系統的溫度和壓力有較高的要求(160 ℃，9.0 MPa)；CO2汽提法只需在常壓條件下升溫至130 ℃即可投料開車，相對比較容易操作。

3.6 消耗指標

在系統正常運轉的條件下，CO2汽提和氨汽提工藝的噸尿素氨耗、冷卻水消耗和蒸汽消耗相差不大。由于CO2汽提工藝的循環量小，合成操作壓力稍低，噸尿素電耗比氨汽提工藝稍低。

3.7 高壓氨泵對工況的影響

早期的CO2汽提法在裝置界區內未設置氨儲罐，液氨直接由合成氨單元引至尿素界區高壓氨泵進口，由于工藝波動時的緩沖能力差，因而氨泵的異常波動對整體工況影響較大；目前的CO2汽提法經過改良，大多增設了氨儲罐及緩沖槽，以減輕氨泵異常帶來的影響。相對而言，氨汽提法由于設有中壓系統、氨儲罐，氨泵異常對整體工況影響較小，也易于在線倒氨泵，因而整體上比CO2汽提工藝容易操作。

3.8 縮二脲含量的控制

縮二脲是在尿素生產過程的各個工序均會生成的一種副產物，其含量控制的好壞直接決定著產品的優級品率和經濟效益。在正常情況下，上述2種尿素生產工藝均可將產品中縮二脲含量控制在指標范圍內，但在工況波動的情況下，2種工藝對縮二脲含量的控制各有側重點。

CO2汽提法主要通過以下措施來控制縮二脲含量：①在不降低汽提效率的前提下，盡量降低汽提塔出口的尿液溫度；②嚴格控制氨碳比在3.1～3.2；③盡量控制汽提塔在液位低限運行；④盡量維持蒸發加熱器在溫度低限運行；⑤控制生產負荷在70%以上。

氨汽提法主要通過以下措施來控制縮二脲含量：①提高氨碳比；②維持一、二段蒸發加熱溫度在低限操作；③降低各工序儲罐液位；④及時處理尿液貯槽液位；⑤定期熱洗蒸發系統設備內積存的縮二脲。

4 結語

綜上所述，2種尿素生產技術雖各有優劣，但都是目前先進的生產工藝。從投資方面相比，CO2汽提工藝由于設備臺數少，比氨汽提工藝略有節省；而氨汽提工藝則采用平面布置，便于檢修和操作，且具有較高的合成轉化率。新建裝置可根據實際情況，結合2種工藝的優缺點選擇合適的工藝路線。

2016- 02- 18)