尿素一段蒸發冷凝器泄漏原因及系統調整措施淺析

谷 雨，李公偉，劉志鵬

(河南心連心化學工業集團股份有限公司，河南新鄉 453000)

新疆心連心能源化工有限公司尿素裝置采用節能型水溶液全循環尿素生產技術，水解解吸系統采用單塔低壓水解解吸技術，其特點是利用1.3 MPa蒸汽從汽提塔底部輸入向上與液相逆流接觸，在尿素水解過程中可以把碳銨液中的游離NH3、CO2和水解生成的NH3、CO2一起汽提出來[1]。水解解吸塔氣相直接進入二段分解塔精餾段，經填料段與一段分解塔來的液相接觸，傳質、傳熱后，NH3、CO2和水自塔頂出來進入低壓吸收系統，最終以甲銨液的形式返回尿素合成塔，部分碳銨液經水解泵送至一段甲銨泵作為密封水，循環后回到碳銨液槽[2]。

2020年9月初水解解吸系統負荷開始逐漸降低并且出氣帶液，無法達到最大負荷(60 m3/h)。9月15日全廠停車檢修，其間打開水解解吸塔進行例行檢查，發現水解解吸塔塔盤上有大量的白色膏狀物質，隨及取樣保存并對水解解吸塔內部進行了沖洗清理，但未對其相關聯設備進行檢查。

1 一段蒸發冷凝器泄漏的判斷

2020年9月28日尿素系統開車后發現解吸給料泵進口過濾器頻繁堵塞，水解解吸塔出氣閥閥位開度不斷增大。當尿素系統質量流量為2 200 t/d以上時，二段分解塔塔頂氣相開始出現帶液現象，二段甲銨液中尿素質量分數逐步上漲，最高達到20%(設計值為1.58%)。隨即將樣品送至專業分析機構進行分析，結果顯示白色膏狀物中鈣元素和銅元素含量較高(見表1)，于是判斷蒸發系統冷凝器泄漏的可能性較大。故對閃蒸冷凝器、一段蒸發冷凝器、中間蒸發冷凝器和二段蒸發冷凝器出液逐個進行取樣分析，分析后發現一段蒸發冷凝器出液中鈣元素和氯元素的含量較高，確定一段蒸發冷凝器發生泄漏，導致循環冷卻水泄漏進入工藝凝液系統。

表1 水解解吸塔中白色膏狀物能譜分析結果

2020年10月底尿素系統再次停車檢查，發現一段蒸發冷凝器有2根換熱管在管板焊縫處存在環狀開裂(見圖1)，懷疑是設備制造時應力未消除導致的。由于時間比較緊迫，未對設備進行深度檢查，只對該一段蒸發冷凝器進行簡單封堵試壓;開車后水解解吸系統運行趨于正常，但二段分解塔帶液現象仍然存在，懷疑二段分解塔填料或上部絲網被白色膏狀物堵塞，但考慮到經濟效益，未再次停車進行處理。

圖1 一段蒸發冷凝器換熱管環向開裂照片

2 一段蒸發冷凝器泄漏后對系統運行造成的影響

一段蒸發冷凝器換熱冷媒是循環冷卻水，換熱管泄漏后，由于一段蒸發冷凝器殼程壓力低，管程內的循環冷卻水(含鈣離子等)進入工藝冷凝液系統，進而對整個尿素系統造成影響。

2.1 對水解解吸系統的影響

含鈣離子的碳銨液經解吸給料泵送入水解解吸系統，與溶液中的CO2反應，形成碳酸鈣，碳酸鈣附著于水解解吸換熱器列管內壁和水解解吸塔塔盤。換熱管結垢影響換熱效果，塔盤結垢影響水解解吸塔氣液傳熱和傳質，導致壓降升高和出氣帶液。2020年10月底停車對一段蒸發冷凝器進行堵漏并清理塔盤后，水解解吸系統運行趨于平穩。

2.2 對二段分解塔的影響

水解解吸塔出氣夾帶部分塔盤上的固體附著物進入二段分解塔精餾段，又附著于二段分解塔的填料上，造成填料段(階梯環)及上部絲網流通量變小。負荷升高后形成嚴重的氣相夾帶，導致大量的尿素溶液自二段分解塔頂部進入二段分解吸收系統，使二段甲銨液尿素含量顯著升高。大量尿素進入二段分解吸收系統后，會引起吸收液(蒸發系統產生的工藝冷凝液)流量減少，吸收效果下降，同時反作用于水解解吸系統，形成惡性循環[3]。

2.3 對合成轉化率的影響

二段分解塔帶液導致部分尿素隨二段甲銨液進入一段分解吸收系統，再隨一段甲銨液返回尿素合成塔，使尿素合成水碳比升高，同時降低介質在合成塔中的停留時間。在尿素合成水碳比升高、介質停留時間縮短的雙重作用下，尿素合成轉化率下降，尿素系統蒸汽消耗升高[4]。

2.4 對一段甲銨泵的影響

一段甲銨泵填料函密封水采用碳銨液，在循環過程中碳酸鈣被帶入一段甲銨泵的填料函后，在密封水通道上結垢，造成密封水量不足，降低冷卻效果；同時，密封水量不足，無法充分循環帶走泄漏的介質，造成氨外溢；產生的碳酸鈣顆粒還會對填料函產生磨損。上述原因導致填料函的使用壽命降低，增加一段甲銨泵的檢修頻次，對系統的穩定運行造成威脅。

3 控制措施

一段蒸發冷凝器泄漏對尿素系統穩定運行造成嚴重影響。在查清原因后及時對一段蒸發冷凝器進行了檢修處理。但由于二段分解塔為特殊的填料塔，檢修較為困難，因此在具備檢修條件前，采取有效措施維持生產十分重要。

3.1 系統調整

3.1.1 水解解吸系統

水解解吸塔出氣直接進入二段分解塔精餾段，與從二段分解加熱器來的氣相物流合并進入填料精餾段。因此盡量減小解吸負荷，穩定水解解吸塔工況成為緩解二段分解塔帶液的重要手段。采取的措施有：(1)在保證必要真空度的條件下，減少尿素蒸發系統蒸汽噴射器的驅動蒸汽量，控制尿素蒸發系統蒸汽和凝液沖洗的頻次和流量，減少工藝冷凝液量；(2)排查與工藝冷凝液系統相連通的排放閥門，避免不必要的高濃度工藝介質、脫鹽水或蒸汽冷凝液竄入；(3)在保證工藝廢水排放指標的前提下，控制水解解吸塔的蒸汽加入量，減少塔頂氣相帶入二段分解塔的水量；(4)在吸收塔排放等特殊工況時，將部分高濃度碳銨液轉入事故槽，系統穩定后再緩慢轉入碳銨液槽處理。

通過以上措施的實施水解解吸系統的進料體積流量基本可以維持在58.5 m3/h，水解解吸系統的工況基本穩定，一定程度上緩解了二段分解塔帶液問題。

3.1.2 一段分解吸收系統

提高一段分解塔溫度至160 ℃，同時降低一段分解吸收系統壓力至1.64 MPa，提高一段分解塔的分解率，降低二段分解塔的負荷。

3.1.3 二段分解吸收系統

降低二段分解塔出液溫度，提高二段分解吸收系統壓力，降低二段分解塔負荷。蒸發系統根據真空度和溫度情況調整加熱蒸汽用量，穩定工藝。

3.2 不停車條件下實施技術改造

水解解吸出氣管線調節閥前有放空管，放空閥正常生產時處于關閉狀態，可在該處引管線，接至二段吸收預冷器進口管線,即二段吸收預冷器進口管線上的加CO2管線。在不停車條件下完成該項改造，使部分水解解吸塔氣相不經二段分解塔直接進入二段吸收預冷器(通過加CO2管線上原有的調節閥控制氣量)，減少進入二段分解塔精餾段氣量，緩解二段分解塔帶液。該改造管線投用后可使尿素系統質量流量提高至2 460 t/d。

3.3 系統工藝調節原則

(1)當二段分解塔出現帶液時，緩慢、小幅度地調整閥位，避免大幅度的調整造成不必要的波動。

(2)當二段分解塔出現帶液時，增加二段甲銨液分析頻次，當其尿素質量分數降低至6%以下時，逐步緩慢調節二段分解塔加熱段蒸汽量，提高二段分解塔溫度至正常，給系統足夠的反應時間。

4 一段蒸發冷凝器泄漏原因分析

2021年全系統停車檢修時，采用渦流探傷對一段蒸發冷凝器進行全面檢查，發現有500根換熱管存在缺陷，并且缺陷在管子的外部(見圖2)。

圖2 換熱管缺陷示意圖

經仔細查閱圖紙，并與設計方進行溝通，最終確認生產廠家將一段蒸發冷凝器換熱管的固定方式改為折流桿固定(見圖3)，以降低一段蒸發冷凝器殼側壓降。由于生產負荷長期較大，再加上加減負荷頻繁等因素，當氣體進入一段蒸發冷凝器殼側進口時，會造成換熱管不同程度的振動，導致換熱管與折流桿發生劇烈摩擦，最終出現減薄后泄漏。

圖3 換熱管固定方式與磨損示意圖

5 結語

綜上所述，蒸發系統蒸發冷凝器泄漏對尿素系統的影響很大，在正常生產期間要定期取樣分析蒸發系統各蒸發冷凝器冷凝液中金屬離子及氯離子的含量，在檢修期間應對各蒸發冷凝器進行試壓、試漏并采用先進的檢測手段對設備進行檢查，做到出現問題早發現、早控制。