52萬t尿素裝置工藝方案比較和選擇

梁建新

（國家電投集團新疆能源化工有限責任公司，新疆 烏魯木齊830010）

1 尿素關鍵技術

目前尿素技術市場中常用的是水溶液全循環法，經過十多年的運用，其工藝技術得以改善。為選擇科學、合理的尿素生產工藝，將上述幾種方法特點、經濟效益等對比，為生產工藝技術的選擇提供參考。根據國內當前資源情況分析，天然氣的供應量少，且輕、渣油水的價格一直持續上漲，在氣頭尿素裝置中，天然氣生產成本則高達80%[1]。所以在能源價格上漲的大局情況下煤頭尿素優勢也會不斷提升，在煤礦資源區域需可以發展以煤作為原料的氮肥生產裝置。且需要考慮產品多元化的問題及可持續發展的情況，在設立氮肥時還需要建設甲醇的裝置，這不管是對于效益還是成本來說，均有利于均衡發展，且讓企業有一定的抗風險能力。

1.1 氨氣提工藝與斯那姆工藝[2]

這一工藝的核心做法為利用過多的氨，以此作為自氣提劑的一種全循環氣提過程。合成回路可以突出其特點：操作時設置15.0～15.5MPa 的壓力，在塔入口處將反應溫度控制在186～189℃。這樣的操作條件可達65%～67%的CO2轉化率。在塔內，多層孔板可防止返流混合，在良好條件下生成尿素。

因為過量的氨氣提作用，當液體入塔后，分解了多數未被轉化的甲銨，因此可達到高達85%的路尿素產率。而剩下的物資（游離氨、甲銨）可在相應的條件被分解、回收。

從頂端而出的CO2、NH3，與中壓甲銨混合，通過冷凝作用返回至合成塔。冷凝器利用的是通過冷凝而產生的低壓蒸汽，這樣就可以供給下游處的蒸發、分解所利用。

同時，該方法還具有一系列的熱回收措施，大大節約了水和蒸汽。例如，合成塔中的液氨可以通過低壓預熱分解，預汽化器可以通過中壓分解氣加熱，直到給水經過水解處理，回收的低壓蒸汽可以用于第二階段蒸發。在40%負荷中運行其操作具有一定彈性。

CO2氣提法為專利法，也是工業化開始用的較早的技術，在各范圍內均有廣泛使用，生產能力比較足。其特點在于：在CO2—NH3—H2O 系統共沸點溫度上運用高壓圈，對于轉化率不過度追求，而在考慮CO2與NH3的兩者轉化率，對各方因素加以綜合分析，用最低成本得到最良的氨碳比。氣提劑用CO2，效果理想，不會產生太多的氨，在中壓分解回收時無需操作，流程有了相應的減少，讓設備投資更少。由于增加了環境污染處理系統，即廢水深度解吸系統，可讓廢水中氨、尿素的含量減少至5ppm，回收后作為鍋爐給水之用。

1.2 CO2 氣提工藝與斯塔米卡邦工藝[3]

第一種：60%的CO2轉化率在池式冷凝器完成，其他的則在圓筒型合成塔里完成，框架高度只需要33m 即可，比原來使用的78m 下降了非常多。且容積也大大縮小。

第二種：尿素合成全在池式冷凝器中完成，這就是池式冷凝反應器，傳統的尿素合成塔取消了，這讓其框架布置得到了降低。

當前CO2氣提法通過上面所說的優化效果理想，表現如下：保持低氨碳比、高分解率、低分解壓力，確保了系統的可靠、安全，減少了設備的磨損，運行周期得以增加，讓氨耗、蒸汽的耗量下降。與ACES 法相同1t 尿素消耗指標和氨氣提法是一樣的。且污染情況也得到了改善，啟動的時間大大減少，只需要1d 的時間即可達到了滿負荷的運行情況。減少框架高度，安裝、操作、檢修等都非常方便，節約了投資。

同時，有著極高的回收率。實際操作中高壓甲銨冷凝器的壓力較高，所以期間凝點溫度有明顯變化，使反應冷凝熱得到高效運行。反應熱部分用在副產0.5MPa 低壓蒸汽，另外的用在加熱氣提塔出的尿液。中壓分解氣冷凝熱主要是在尿液濃縮中運用，并且消除尿液中的污染。因為廢氣使用吸收塔之后凈化放空，NH3含量不高，這時工藝冷凝液水解之后可以利用鍋爐這一設備進行處理。造粒機的頂端安裝除塵系統，可以降低氣體的含塵量，使其低于20 mg/Nm3。

汽提塔結構比較特殊，上方是板式塔，下方是降膜式換熱器。一方面針對尿素水解、縮二脲形成進行抑制，另一方面可以使用二氧化碳汽提法分離沒有轉化的甲基銨、過量氨，達到降低蒸汽消耗的目的。

合成塔、高壓氨基甲酸銨冷凝器、高壓洗滌器在設置期間，需要使用高層框架，造價也不低。

2 技術方案的遴選[4]

以上的工藝，其能耗是比較類似的，理論值也接近。從熱利用及對三廢的處理方面比較，二氧化碳氣提法的投資不高但能耗高，而ACES 法的使用率卻不高。當前，二氧化碳氣提法是全球最早投入的一種設備，運行經驗好，裝置數量也較多，與其他的工藝比較，二氧化碳氣提法工藝氨碳低、靈活、中壓段也較少，防腐空間量大。

但由國內廠家多年運行情況分析，關鍵設備的使用年限決定著設備的使用年限，設備池小負載60%即可完成。同時，優化其工藝與設備，特別是這些年選擇的2000+TM 工藝，這一工藝可以解決高框架的問題，減少投入成本，提升設備的競爭力。且創新性的技術可節省更多的費用。

氨氣提工藝，其操作性靈活，框架布局低，這是全球發展最快的工業尿素的一項技術。二十世紀八十年代中，有的國家引入幾座大、中型尿素的裝置，通過多年的實踐，具有中壓段負荷大、氣提淺、運行不暢等特點。高壓氨泵及長流程，導致整個系統運行復雜。汽提塔采用鈦管，人們對其耐腐蝕性有疑問。有些機組啟動時出現“紅色尿素”現象。高壓鈦設備加工制造成本高，維護不方便。近年來，雖然氨汽提塔管已改為鋯雙金屬材料，使其耐腐蝕性有所提高，但價格昂貴，投資大于二氧化碳氣提塔。

為了減少投資，縮短投資回收期，我們采用了傳統的二氧化碳的氣提工藝。經過30 多年的消化吸收，該技術和設備已具備國產化的基本條件。改進后的CO2氣提技術的主要特點是：合成塔運行壓力低、功耗低；無中壓分解段汽提塔深度氣提；高框布置和潮流布置設備。ENT（新CO2汽提工藝的低機架布置）；高壓設備采用316lug 和25-22-2。材料；投資少，建設周期也比較短。

3 結語

裝置可以最大限度利用生產中所自我排出的熱量，可最大限度運用反應熱，運用二氧化碳的氣提法，通過高低壓蒸汽的飽和器、低壓蒸汽袋等，可以一步一步的用不同等級熱能，低壓0.28MPa蒸汽的副產物送凈化除氧器綜合利用。另外，幾乎所有未反應的氨和二氧化碳都是通過高壓回收和低壓循環回收的，這使得原氨和二氧化碳的消耗量接近理論值。

在尿素裝置內，三廢治理包括了廢氣、廢水。0.4MPa 吸收塔頂部放空氣含氨量約為2.77kg/h，幾乎達到了國家的排放標準。而工藝廢水通過進一步的吸收分解處理后，氨含量＜5ppm（Wt）、尿素含量，在正常生產穩定時，可以用作用鍋爐給水，在非正常情況處理可以進入到溫水處理站，采取二次利用后可達排放的標準。