增設小蒸發系統生產增值尿素的實踐及優勢分析

侯立業，于麗娜

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154110）

0引 言

利用現有尿素裝置生產增值尿素，通常需將不同種類的藥劑按照一定濃度、流量等并入蒸發系統中，經過蒸發后將一定濃度的混合尿液（尿液和藥劑）一并送至大顆粒尿素流化床造粒機中進行流化造粒（或送入尿素造粒塔進行造粒），最終產出增值尿素產品。利用（或依托）現有工藝流程生產增值尿素，工藝操作上簡單便捷，生產成本及設備投資較低，但也會帶來諸多不利影響，例如：加劇設備的腐蝕，成品顆粒中鎳含量偏高；蒸發造粒系統工藝參數不易控制，尤其是大顆粒洗滌系統溶液密度、洗滌器除沫網壓差偏高，易導致造粒機“死床”，間接增加造粒機的清洗頻次；解吸水解系統失調，集中表現為外送工藝冷凝液電導率偏高，其水質長時間不達標會增加污水處理系統等工段的運行成本及處理壓力，甚至會釀成環保事故，同時解吸水解系統加熱蒸汽消耗量增大，解吸壓力和水解壓力過高；生產增值尿素期間遇到尿素裝置整體減負荷或者停產增值尿素時產品質量難以把控，若藥劑中添加有多種色素添加劑，會產生大量的過渡產品（不合格產品），影響銷售的同時也造成一定的經濟損失。

中海石油華鶴煤化有限公司（簡稱華鶴煤化）300kt／a合成氨、520kt／a尿素裝置主要產品為大顆粒尿素，近年來為實現產品的多元化，滿足市場所需，提高企業的經濟效益與市場競爭力，自2018年開始生產一定量的增值尿素產品，增值尿素設計產能為1820t／d，2018—2019年累計生產205kt增值尿素。此后，對生產增值尿素期間的相關工藝參數以及分析化驗數據進行全面、科學地評估，得出的結論為：生產增值尿素所用的部分藥劑對尿素裝置的設備等產生了一定的腐蝕，尤其是尿素高壓系統設備——池式反應器低壓側隔板及汽提塔列管分布器，而這兩處發生嚴重腐蝕損壞后會迫使尿素裝置停車檢修，其經濟損失遠大于生產增值尿素所獲得的利潤。

為此，2020年華鶴煤化在生產增值尿素前，經全面考量與研究，提出增設小蒸發系統來生產增值尿素的設想，即重新設計（新增）1套小蒸發系統（具體施工裝配圖及設計參數委托相關設計單位完成），以便從根本上解決上述問題或不利因素，有效避免設備的腐蝕，利于蒸發造粒系統各項工藝指標的控制，使解吸水解系統能正常運行，在不影響原有蒸發系統生產的前提下提高生產增值尿素時的操作彈性。本技改項目完成后，增值尿素產能提高至1910t／d左右，最大的益處是完全解決了設備腐蝕的問題，利于尿素裝置的長期穩定運行。以下對有關情況作一介紹。

1 原增值尿素生產工藝流程簡介

華鶴煤化尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦2000+TM工藝（尿素裝置工藝流程簡圖見圖1），大顆粒尿素造粒系統采用荷蘭荷豐流化床造粒機技術。原增值尿素生產工藝流程為：所需的藥劑在配藥小罐中按照一定比例、溫度等要求進行混合配制，然后通過加藥小泵將配制好的藥劑經流量計計量后輸送到原蒸發系統一段與二段之間的U形管處，依靠二段蒸發系統的吸力將尿液和藥劑吸入二段蒸發加熱器列管中，尿液以升膜的方式流入二段蒸發分離器中，于此尿液及藥劑中的水、氨、二氧化碳、（部分）藥劑等以氣相的形式進入冷凝器中，冷凝后的液體進入氨水槽中，氨水槽中的液體再循環送入高／低壓系統等；經過二段蒸發后的尿液和藥劑混合液依靠重力流入尿液泵入口，由尿液泵將其送入流化床造粒機中進行造粒，再經篩分等工序最終產出增值尿素產品。

圖1 尿素裝置工藝流程框圖

2 原增值尿素生產中存在的問題

華鶴煤化的增值尿素種類主要有穩定性尿素、魚蛋白尿素、聚天門冬氨酸尿素、聚銨鋅（禾谷素）尿素、鋅腐酸增效尿素、殼寡糖尿素等，色素添加劑有果綠、檸檬黃、堅固艷藍、85%亮藍。上述增值尿素生產時對設備腐蝕性大，嚴重影響系統穩定運行的有鋅腐酸增效尿素、殼寡糖尿素生產所用藥劑以及色素添加劑；其中，鋅腐酸藥劑中腐殖酸含量200 g／L、H2SO4含量0.1%、pH5.5～7.5，不同種類色素添加劑成分見表1（數據來自于色素添加劑生產廠家）。

表1 不同種類色素添加劑成分數據%

上述具有一定腐蝕性的藥劑經蒸發冷凝后進入氨水槽，最終進入尿素裝置高壓系統、解吸水解系統等。由于尿素溶液呈弱堿性，色素中的硫酸根離子和氯離子在弱堿性環境中極易發生電化學腐蝕，破壞金屬表面上原有的氧化膜（保護膜）而使金屬加速腐蝕，且隨著氯離子和硫酸根離子濃度的增加，腐蝕速度加快，特別是會破壞尿素高壓系統采用雙相不銹鋼設備的表面，使高壓系統設備出口尿液及增值尿素成品中鎳含量超標——池式反應器出口尿液和增值尿素成品顆粒取樣分析結果（見表2）顯示其鎳含量均值超過0.2μg／g、鎳含量最高達0.41μg／g。

表2 生產增值尿素時不同時段樣品鎳含量 μg／g

解吸水解系統進料為氨水槽中的氨水，氨水中的對氨基苯磺酸鈉、未磺化方伯胺等進入解吸水解系統后無法利用其沸點不同而從解吸塔氣相分離帶出，同時水解塔也無法利用化學分解的方式對其予以回收，從而導致外送工藝冷凝液電導率高達20.0μS／cm （正常指標為5μS／cm 以下）。蒸發系統因具有一定黏性的殼寡糖和聚天門冬氨酸藥劑的加入，在一定程度上減弱了尿液的流動性，延長了尿液在蒸發系統內的停留時間，造成增值尿素成品縮二脲含量高達1.8%左右，不同時段增值尿素成品主要質量指標見表3。

表3 不同時段增值尿素成品主要質量指標%

同時，具有較大黏度的混合尿液進入造粒機噴頭時會加大噴頭內轉子的阻力，使噴頭的噴淋效果差，不均勻尿液噴灑造成多孔板上尿素顆粒結疤形成大塊而影響造粒的固體返料比，嚴重時會導致造粒機停車。

3 增設小蒸發系統的技改

鑒于華鶴煤化尿素裝置工藝流程的特點，生產增值尿素時不可避免地會影響到各個系統的穩定運行，包括高壓系統、低壓系統、解吸水解系統及造粒洗滌系統等，基于現有工藝流程，華鶴煤化提出增設小蒸發系統的技改思路（具體設計由相關設計院完成），以有效避免或大大緩解生產增值尿素時帶來的上述一系列問題。

3.1 小蒸發系統工藝流程簡介

小蒸發系統作為尿素裝置原有蒸發系統的“副線”，在生產不同種類的增值尿素時具有一定的先進性與靈活性。小蒸發系統及關聯系統工藝流程簡圖見圖2。

圖2 小蒸發系統及關聯系統工藝流程簡圖

小蒸發系統主要設備有一段蒸發加熱器、一段蒸發分離器、二段蒸發加熱器、二段蒸發分離器、尿液離心泵、一段蒸發氣相冷凝器、二段蒸發氣相冷凝器、小工藝冷凝液收集槽（即小氨水槽）、小尿液槽。小蒸發系統入口尿液來自大顆粒洗滌系統尿液地槽泵出口，藥劑在與地槽尿液混合后進入小蒸發系統，經小蒸發系統一段、二段提濃后由尿液泵輸送到原蒸發系統的二段蒸發出口處（即尿素熔融泵入口管線上），與原蒸發系統尿液混合后進入造粒單元進行造粒，最終產出增值尿素產品。小蒸發系統一段、二段氣相經冷凝器冷凝形成的液相進入小氨水槽中，這部分工藝冷凝液作為大顆粒洗滌系統的洗滌液，最終流入地槽中。在非正常工況下，經過小蒸發系統提濃后的藥劑混合尿液可以暫時存儲在小尿液槽中，小尿液槽中尿液靠位差流入地槽中打循環。

3.2 技改項目概況

本技改項目投資總額約550萬元，主體工藝設備均采用防腐性能較好的316L及304L材質；小蒸發系統所用循環冷卻水總量約160t／h，尿素裝置所需循環冷卻水總量約4852t／h，尿素裝置界區循環冷卻水設計總量為5500t／h，完全能保證整個系統的循環冷卻水用量需求；小蒸發系統所需蒸汽約3.3t／h，華鶴煤化尿素裝置蒸汽單耗（噸尿素產品耗蒸汽量）控制在1.2t以下，小蒸發系統所需蒸汽完全可由池式反應器副產蒸汽來提供，既可避免蒸汽放空造成的浪費又可降低系統蒸汽消耗。

本技改項目完成后，小蒸發系統正式投入增值尿素生產中，小蒸發系統總體運行穩定，但需操作人員精細操作，小蒸發系統進料量約9t／h，當進料組分發生變化時，系統真空度波動較大，需操作人員及時調整；同時，生產中一定要維持小蒸發系統二段蒸發分離器液位穩定，避免發生空液和滿液現象。小蒸發系統并入尿素裝置生產增值尿素，雖會增加一定的成本，但從長遠來看其利遠大于弊。

4 增設小蒸發系統的優越性分析

4.1 減少設備腐蝕

小蒸發系統應用前，在生產不同種類增值尿素時，尿素裝置高壓系統出液中鎳含量超出正常范圍，基本結論為增值藥劑加快了設備的腐蝕，高壓系統設備內襯氧化膜被破壞，尤其是池式反應器低壓側隔板及汽提塔列管分布器。高壓系統的3臺設備（池式反應器、汽提塔、高壓冷凝器）內襯氧化膜一旦被破壞，正常生產時是無法自我修復的，必須待停車后重新升溫鈍化后才能形成致密的氧化膜以實現防腐功能。

投用小蒸發系統后，小蒸發系統有獨立的蒸發冷凝液回收系統，混有藥劑的冷凝液不再被帶入高壓系統等，這樣就可完全避免硫酸根離子、氯離子對設備造成的腐蝕；尤其是氯離子，因其離子半徑小、穿透力強，且具有被金屬表面較強吸附的特點［1］，氯離子濃度越高，水溶液的導電性就越強，電解質的電阻就越低，氯離子就越容易到達金屬表面，加快腐蝕進程，而尿素裝置基本上多以304L、316L不銹鋼為主的材料就成了腐蝕的“重災區”。汽提塔加熱器、精餾塔加熱器、蒸發加熱器等列管可能會因為長期接觸腐蝕性介質流體而發生電化學腐蝕［2］，工藝介質會漏入蒸汽系統及蒸汽冷凝液系統，導致整個蒸汽管網被污染，系統被迫停車，其處理耗時費力。投用小蒸發系統后，小蒸發系統一段、二段氣相經冷凝器冷凝形成的液相進入小氨水槽中，之后送入大顆粒洗滌系統中，最終循環進入小蒸發系統入口與藥劑混合后進行蒸發提濃，如此有效地避免了增值尿素生產所用藥劑循環進入主工藝系統中而造成池式反應器、汽提塔、高壓洗滌器等的腐蝕。隨機抽取小蒸發系統投用前（2018年1月）、投用后（2020年2月）高壓系統池式反應器出液中鎳含量進行對比，具體見表4。

表4 小蒸發系統投用前后池式反應器出液鎳含量 μg／g

4.2 減少對蒸發系統及造粒系統的影響

小蒸發系統投用前，在原蒸發系統一段與二段之間U形管處加入藥劑，藥劑提濃在原二段蒸發系統中進行，間接加大了原二段蒸發系統的負荷，為保證尿液的濃度會加大蒸汽的加入量，尿液溫度需比正常生產偏高3℃才能保證尿液濃度達96%，尿液蒸發溫度的升高及停留時間的延長使得縮二脲生成量大大增加，影響成品的質量；與此同時，二段蒸發氣相負荷加大，極易造成氣相冷凝液過多而積存于氣相冷凝器內，造成系統真空度明顯下降，進入流化床造粒機中的尿液濃度達不到指標值96%，造粒機出料不佳，造粒機內會出現很多塊狀尿素，造成整個造粒系統的固體返料比失調，甚至會導致造粒機中“拉稀”而造成“死床”事故。

小蒸發系統投用后，藥劑與大顆粒洗滌系統來的尿液（濃度約52%）在小蒸發系統中單獨進行提濃，控制小蒸發系統一段溫度125℃、壓力-35kPa，二段溫度128℃、壓力-50kPa，即可滿足工藝指標要求。此外，生產黏度較大的殼寡糖尿素和鋅腐酸增效尿素時也不會影響產品質量，縱使這兩種藥劑造成小蒸發系統氣相管線黏結而影響真空度及冷凝器的冷凝效果時，現場可以通過“熱煮”、沖洗等方法對小蒸發系統單獨進行處理，處理時間較短——因原蒸發系統負荷可維持在約95%，短時間內小蒸發系統出液濃度不合格也不至于影響造粒工況。可見，小蒸發系統藥劑注入主生產系統及其氣相回收系統均形成了一個獨立的回路，最大程度地減少了與主生產系統的交匯性，從而在一定程度上減少了原蒸發系統和造粒系統的波動。

4.3 降低消耗并實現廢液零排放

原工藝流程中，生產增值尿素時藥劑部分蒸發冷凝后直接進入氨水槽中，而氨水槽氨水的主要用戶為解吸水解系統，使得滿負荷生產時解吸水解系統的負荷由42t／h漲至44t／h，解吸塔加熱蒸汽（0.40MPa低壓蒸汽）消耗及水解塔加熱蒸汽（2.05MPa高壓蒸汽）消耗明顯增加，間接增加了尿素裝置的能耗；最主要的問題是，生產增值尿素攜帶來的藥劑在水解塔中無法全部水解分離，導致解吸水解后的工藝冷凝液電導率超標——最高達53μS／cm。而投用小蒸發系統后，小蒸發系統氣相工藝冷凝液直接用作大顆粒洗滌系統的洗滌液，洗滌液進入大顆粒地槽中后再返回小蒸發系統中，形成一個獨立的工藝回路，藥劑不會進入解吸水解系統，解吸水解后的工藝冷凝液電導率只有3.4μS／cm。

以往生產增值尿素時，工藝冷凝液由于色差及組分方面的影響，不能進行有效地回收及排放，造成尿素裝置事故儲槽液位高，間接增加了環保風險。而小蒸發系統投用后，解吸水解后的合格工藝冷凝液外送量約38t／h，污水處理系統的壓力有效降低，且合格時工藝冷凝液可以直接送至水處理單元的陽離子交換器，最終制得精制脫鹽水，可在很大程度上降低原水消耗。

4.4 增值尿素停產時不會影響產品質量

生產增值尿素時會加入各種色素添加劑，原有工藝流程中，由于氨水槽、尿素槽中存有一定量帶顏色的工藝冷凝液和尿液，停產增值尿素時需有一段時間進行產品過渡，由此會加重包裝散庫的存儲壓力——過渡產品的顏色 “五花八門”，成品顆粒中會含有不同種類的成分，尿素產品只得低價售出，影響企業的經濟效益。而啟用小蒸發系統后，其具有隨時隔離的好處，增值尿素停產時不會影響大顆粒尿素產品的質量，且即使小氨水槽中的冷凝液沒有送入大顆粒洗滌系統中，也可利用單獨的系統將其不定期地送入鍋爐工段用于脫硝。

5 結束語

對于生產增值尿素而言，增設小蒸發系統單獨提濃添加藥劑后的大顆粒洗滌系統來尿素溶液，具有良好的操作彈性，提高了生產不同種類增值尿素的靈活性，大大縮短了生產各種增值尿素產品間的切換時間，大幅減少了過渡產品的產量，間接保證了企業效益的最大化。雖然增設小蒸發系統會增加一定的成本，但從長遠來看，投用小蒸發系統具有諸多優越性：總體上可節約尿素裝置的蒸汽消耗和減少水處理系統的運行成本及壓力，避免工業用水成本的增加，其經濟效益遠大于設備投資折舊費及運行成本；在產品質量的把控上具有一定的主動性；更為重要的是在設備防腐蝕方面成效顯著——有效保證高壓系統雙相不銹鋼設備不被侵蝕及普通不銹鋼換熱器列管等不被腐蝕，確保尿素裝置的長期穩定運行。