CO2汽提法尿素高壓系統(tǒng)三個核心調(diào)節(jié)閥失靈對系統(tǒng)的影響分析

侯立業(yè)

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154110)

中海石油華鶴煤化有限公司(以下簡稱“華鶴煤化”)是一家氮肥生產(chǎn)企業(yè)，尿素生產(chǎn)工藝采用荷蘭斯塔米卡邦2000+工藝。尿素高壓系統(tǒng)采用池式反應(yīng)器工藝代替了池式冷凝器和合成塔，即高壓系統(tǒng)由3個設(shè)備組成(池式反應(yīng)器、汽提塔、高壓洗滌器)，其中，高壓洗滌器采用直通液氨冷凝來取代高溫調(diào)節(jié)水換熱冷凝。池式反應(yīng)器由池式冷凝器和尿素合成塔組成，含有U形管束的容器區(qū)間相當(dāng)于一個池式冷凝器，在管束中產(chǎn)生低壓蒸汽，圍繞管束外的氣體部分冷凝，并有一定量的甲銨脫水生產(chǎn)尿素。池式反應(yīng)器由10塊導(dǎo)流板構(gòu)成，分割成10個室，在最后一個室通過液位調(diào)節(jié)閥來控制液位。CO2氣體由二氧化碳汽提塔底部進入汽提塔列管中，尿液及甲銨液通過池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥控制進入到汽提塔列管頂部，在列管中氣液相逆流接觸。列管外部由2.3MPa蒸汽提供熱量，列管受熱后，液相中氨分壓降低，最終汽提出氣相NH3。氣相的NH3和CO2進入到池式反應(yīng)器分布器中，尿液及甲銨液流入到汽提塔底部，汽提塔的液位由液位調(diào)節(jié)閥控制。高壓洗滌器利用高壓甲銨泵提供的甲銨液實現(xiàn)NH3和CO2的冷凝，部分冷凝熱被提供給洗滌器底部的液氨所吸收，高壓洗滌器頂部放空由壓力調(diào)節(jié)閥來控制，從而保證高壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。本套裝置中高壓系統(tǒng)較其他系統(tǒng)的明顯優(yōu)勢如下：①工藝簡便、所用設(shè)備最少、工藝步驟最少、連續(xù)開工率最高；②合成反應(yīng)多余的氨在高壓圈被大部分回收；③氨泵及甲銨泵流量小、耗能低；④整個工藝以重力為推動力，合成部分的設(shè)備布局合理，無須能量驅(qū)動，未轉(zhuǎn)化的NH3和CO2進行內(nèi)部循環(huán)；⑤采用了耐腐蝕性更好的雙相不銹鋼材料，高壓系統(tǒng)可以達到無氧操作等。高壓系統(tǒng)工藝見圖1。

圖1 高壓系統(tǒng)工藝

1 高壓系統(tǒng)3個調(diào)節(jié)閥介紹

華鶴煤化自2015年投產(chǎn)以來，高壓系統(tǒng)總體運行穩(wěn)定。在采用池式反應(yīng)器代替池式冷凝器和合成塔后，無論在裝置能耗和操作彈性上都優(yōu)于其他工藝。但在不同時期也發(fā)生許多生產(chǎn)的問題，高壓系統(tǒng)3個調(diào)節(jié)閥(高壓洗滌器放空調(diào)節(jié)閥、池式反應(yīng)器下液調(diào)節(jié)閥、汽提塔下液調(diào)節(jié)閥)均采用斯塔米卡邦進口調(diào)節(jié)閥，該調(diào)節(jié)閥操作靈敏度高，材質(zhì)由防腐蝕性強的316L尿素級不銹鋼以及Safurex(雙相不銹鋼)組成，但在近期發(fā)生了不同程度的故障失靈，給尿素各個系統(tǒng)帶來不同的影響。

2 高壓系統(tǒng)3個調(diào)節(jié)閥失靈的影響分析

2.1 高壓洗滌器放空調(diào)節(jié)閥失靈對系統(tǒng)的影響

高壓系統(tǒng)采用有氧操作的二氧化碳汽提法，在二氧化碳壓縮機一段入口處加入一定量的空氣，目的是為了脫除氣體中的氫，在工藝操作上必須確保在脫氫后氣體中氫含量處于較低數(shù)值(小于10mg/m3)，保證高壓洗滌器放空尾氣氫含量不在其爆炸區(qū)間。在2018年6月，該調(diào)節(jié)閥由于定位器故障，調(diào)節(jié)閥自行從OP值100%關(guān)到5%，對于高壓系統(tǒng)的影響表現(xiàn)在高壓系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，集中表現(xiàn)在壓力偏高，影響系統(tǒng)負荷。

表1 不同高壓系統(tǒng)壓力下池式反應(yīng)器尿液數(shù)據(jù)(均值)

N/C和ηCO2計算方法如下：

ηCO2=轉(zhuǎn)化成尿素的CO2/CO2總質(zhì)量，即ηCO2=(mUr/MUr)/[(mUr/MUr)+(mCO2/MCO2)]；

mCO2=試樣中的CO2(質(zhì)量%)，MCO2=CO2的摩爾質(zhì)量(kg/kmol)，mNH3=試樣中的NH3(質(zhì)量%)，MNH3=NH3的摩爾質(zhì)量(kg/kmol)，mUr=試樣中的Ur(w%)，MUr=尿素的摩爾質(zhì)量(kg/kmol)[4]。將表1中相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式得出N/C及ηCO2。

2.2 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥失靈對系統(tǒng)的影響

(1)2019年8月，池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障全關(guān)，最終導(dǎo)致高壓系統(tǒng)壓力高聯(lián)鎖封塔停車，造成一定的經(jīng)濟損失。在正常滿負荷100%運行下，該液位調(diào)節(jié)閥開度保持在47%～51%，尿液總流量控制在248.5t/h左右，調(diào)節(jié)閥在自動控下突然關(guān)閉，會導(dǎo)致池式反應(yīng)器的液位快速上升，液相迅速占滿整個池式反應(yīng)器的有效空間，并從池式反應(yīng)器氣相管線進入到高壓洗滌器中，最終導(dǎo)致高壓系統(tǒng)壓力高聯(lián)鎖跳車，聯(lián)鎖壓力為15.5MPa，同時高壓系統(tǒng)的3個安全閥全部起跳，起跳壓力分別為15.9MPa、16.1MPa、16.4MPa。在池式反應(yīng)器的液位快速上升期間，汽提塔液位迅速下降，汽提塔耗汽量迅速下降，由62t/h左右下降到5t/h，由于高壓蒸汽量的退出需要一定的時間進行調(diào)整，汽提塔底部就會發(fā)生嚴(yán)重超溫，達180℃甚至更高，這樣會造成設(shè)備的腐蝕；尿素高壓蒸汽管網(wǎng)壓力迅速上升，處理不及時會造成高壓蒸汽飽和器和抽汽管網(wǎng)安全閥起跳、二氧化碳壓縮機波動；同時低壓系統(tǒng)壓力快速下降，而低壓調(diào)溫水溫度下降較快，低壓甲銨液容易結(jié)晶，造成高壓甲銨泵入口流量低，泵體發(fā)生汽化甚至?xí)驗槿肟诹髁康投l(fā)生跳車。蒸發(fā)系統(tǒng)因為沒有尿液的供應(yīng)發(fā)生尿液斷料，造粒單元停車，蒸發(fā)系統(tǒng)打循環(huán)。當(dāng)液體滿液到高壓洗滌器中時，洗滌器中的工況發(fā)生了改變，由NH3和CO2的冷凝吸收過程變成合成反應(yīng)液的冷卻，高壓洗滌器的出液溫度必然下降，當(dāng)高壓洗滌器也滿液和帶液發(fā)生時，低壓吸收系統(tǒng)因高濃度的合成反應(yīng)液進入改變了低壓系統(tǒng)的組分和工藝參數(shù)，極有可能造成低壓吸收系統(tǒng)設(shè)備和管道發(fā)生結(jié)晶堵塞。解吸水解系統(tǒng)會因為大量高濃度的尿液而無法正常進行工藝液的分離分解，外送水電導(dǎo)嚴(yán)重超標(biāo)，嚴(yán)重會造成環(huán)保事故。

(2)液位計失真，無法顯示正常數(shù)值，操作人員無法根據(jù)DCS反饋來進行調(diào)節(jié)。操作人員若沒有及時調(diào)整，嚴(yán)重時會發(fā)生池式反應(yīng)器滿液和空液兩種現(xiàn)象，如上所述，滿液發(fā)生的系統(tǒng)波動可導(dǎo)致封塔。若液位空，汽提塔氣相會發(fā)生CO2走“短路”，高壓系統(tǒng)的壓力會上升，同時池式反應(yīng)器換熱段副產(chǎn)低壓蒸汽量減少，高壓系統(tǒng)的各個溫度點會出現(xiàn)大幅度的波動，整個高壓系統(tǒng)的氨碳比和水碳比會嚴(yán)重失調(diào)[1]。

2.3 汽提塔液位調(diào)節(jié)閥失靈對系統(tǒng)的影響分析

(1)液位調(diào)節(jié)閥關(guān)小或者全關(guān)。液位調(diào)節(jié)閥由于故障關(guān)小或者全關(guān)會導(dǎo)致汽提塔液位偏高，當(dāng)液位高于汽提塔的分布管時，CO2氣體在列管內(nèi)分布不均勻，使出液溫度上升，汽提效率明顯下降。滿負荷下不同汽提塔液體對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)見表1。

通過表2分析得出，由于調(diào)節(jié)閥關(guān)小或者全關(guān)，必然導(dǎo)致加速設(shè)備的腐蝕程度，隨著滿液時間的延長，腐蝕度會更大。同時，汽提塔的汽提效率下降，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率明顯下降，這樣會伴隨著低壓系統(tǒng)、常壓系統(tǒng)的超壓，蒸發(fā)系統(tǒng)因為尿液的濃度下降，尿液中的氨增多，蒸發(fā)的負壓不易維持，蒸發(fā)一段和二段所需的加熱蒸汽量會變大，在進入到造粒系統(tǒng)中的尿液水分偏高，影響了造粒機的出料，嚴(yán)重可導(dǎo)致造粒系統(tǒng)停車。用來輸送熔融尿液的機泵會發(fā)生不同程度汽化，對泵體蝸殼、機封及管道造成不同程度的損傷。同時，汽提塔殼側(cè)加熱蒸汽量會顯著變大，影響整個蒸汽管網(wǎng)的平衡穩(wěn)定，造成裝置噸尿素耗蒸汽超標(biāo)，可達1.25t(蒸汽參數(shù)為壓力2.05MPa，溫度220℃，廠控指標(biāo)為低于1.15t)。

表2 滿負荷下不同汽提塔液體對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)

(2)液位調(diào)節(jié)閥開大或者全開。液位調(diào)節(jié)閥由于故障開大或者全開會導(dǎo)致汽提塔液位偏低，液位偏低的極限是CO2“串氣”到后系統(tǒng)，CO2走短路到后系統(tǒng)會使低壓系統(tǒng)的壓力快速上升，安全閥會起跳，若控制不當(dāng)，會導(dǎo)致封塔，與此同時，池式反應(yīng)器中的原料CO2減少，會打破原有的化學(xué)平衡，使平衡轉(zhuǎn)化率嚴(yán)重下降，高壓系統(tǒng)中的N/C會因為缺少CO2發(fā)生嚴(yán)重失調(diào)，池式反應(yīng)器的溫度、產(chǎn)氣量、壓力都會受到不同程度的影響。此時汽提塔的加熱蒸汽會發(fā)生大幅度波動，由于汽提塔為降膜式結(jié)構(gòu)，液體會沿著汽提管的3個分布器小孔自上而下均勻地與上升的CO2逆向接觸，降低氨分壓，促使甲銨的分解，甲銨的分解需要吸收大量的熱，由于CO2大部分去后系統(tǒng)，甲銨分解率降低，導(dǎo)致加熱蒸汽大量減少，容易造成蒸汽管網(wǎng)的大幅度波動[3]。

3 解決措施

通過分析高壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥故障給系統(tǒng)帶來的不利影響，生產(chǎn)操作中必須做出正確及時的判斷，盡可能降低系統(tǒng)波動和封塔停車。當(dāng)發(fā)生高壓洗滌器放空調(diào)節(jié)閥失靈時，建議反復(fù)開關(guān)氣相放空調(diào)節(jié)閥，查看是否為調(diào)節(jié)閥卡澀；利用高壓沖洗水泵進行調(diào)節(jié)閥的沖洗，若調(diào)節(jié)閥為結(jié)晶卡澀，該方法特別有效；檢查調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)是否失靈，若因為執(zhí)行機構(gòu)等儀表元件原因，可以用千斤頂?shù)容o助工具強制打開調(diào)節(jié)閥進行泄壓；正常生產(chǎn)中應(yīng)避免長時間的小開度閥位，否則會造成管線、閥門結(jié)晶。若池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障，首先要利用調(diào)節(jié)閥的反饋值進行綜合判斷，處理的要點是液位異常時及時降低系統(tǒng)的負荷，避免系統(tǒng)壓力超壓，同時控制氨碳比、水碳比、蒸汽系統(tǒng)等參數(shù)在正常操作指標(biāo)范圍。相對其他兩個調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障帶來的影響，汽提塔的液位調(diào)節(jié)閥故障在操控上比較容易控制，只需密切注意工藝參數(shù)變化，同時結(jié)合操作經(jīng)驗，便能正常維持系統(tǒng)運行。