4000t/d氨汽提尿素工藝設計優化

＊陳書成 陳考考

（北京華福工程有限公司 北京 102600）

引言

烏蘭煤炭集團有限責任公司年產135萬噸合成氨、240萬噸尿素項目一期工程為年產120萬噸（4000t/d）小顆粒尿素裝置，是迄今世界最大單系列尿素裝置，對促進我國尿素工業的發展和國內機械制造業的發展具有積極意義。

本裝置采用氨汽提工藝，它具有生產可靠、開工率高、原料和公用工程消耗低、操作簡單、設備和材料抗腐蝕性好等優點，已有相近規模的單系列裝置，此工藝成熟可靠。該工藝技術包括原料壓縮、尿素合成及未反應物的高壓分解和回收、未反應物的中、低壓分解和回收、尿液濃縮與造粒、工藝冷凝液處理等部分[1]，該技術生產出的尿素產品達到國標優等品標準。

經技術人員研究和分析，認為初步設計中某些方面的設計不盡合理，為此對尿素裝置做了優化，主要包括3方面：（1）中壓氨吸收器/中壓惰洗塔的設計優化；（2）蒸汽冷凝液系統的設計優化；（3）造粒塔規格尺寸的設計優化。

1.中壓氨吸收器/中壓惰洗塔的設計優化

(1)初步設計

從中壓氨回收塔（T-6205）頂部出來的氣氨與惰性氣體，進入降膜式中壓氨吸收器（E-6211），氣體中的部分氨被中壓氨吸收器（E-6211）管側的稀氨水溶液吸收，氣體中的氨含量降低。隨著氣體中的氨被吸收，產生的熱量會使氨水溶液的溫度升高，阻止氨的進一步吸收。為維持合適的吸收溫度，E-6211殼側需要冷卻水冷卻。

中壓惰洗塔（T-6203）與E-6211上部相連，采用浮閥塔板，通過加入純水將塔內惰性氣體中的氨進行最后的洗滌。為了保證放空安全，在中壓惰洗塔（T-6203）第一塊塔板之上通入惰性氮氣，出口放空管線通入低壓蒸汽，最后，惰性氣體進入第一排放分離器（V-6212）放空。流程簡圖見下圖1。

圖1 E-6211/T-6203的流程簡圖

初步設計中壓氨吸收器（E-6211）的熱負荷太小，應吸收絕大多數的氨，以保證中壓惰洗塔的正常操作，否則T-6203溫升太高，無法吸收氨。且由E-6211上升至T-6203的氨量過大，靠蒸汽冷凝液是無法清洗至設計指標的（尾氣中氨含量為18kg/h）。

初步設計E-6211為降膜式，由于進液較少，分布至換熱列管，單管負荷僅為7.45kg/h，很難全部潤濕列管內壁起到良好的吸收氨效果。

(2)優化后的設計

為使E-6211吸收足夠多的氨，則因吸收而產生的熱量會使氨水溶液的溫度升高，進而阻礙吸收過程的進行，為使E-6211管側維持合適的溫度，需加大殼側冷卻水的用量，經模擬計算，若E-6211吸收3307kg/h的氨，由E-6211頂部進入T-6203的氨由2381kg/h降至670kg/h，則冷卻水消耗需增大至404t/h，熱負荷由681kW增大至4230kW。

初步設計E-6211為降膜式，吸收氨的效果不好，根據國內的實踐經驗，將E-6211改為鼓泡吸收，以提高吸收氨的效果，同時降低進入T-6203上部清洗段的氨量，以達到精洗氨的目的。E-6211、T-6203的規格及工藝參數做了相應修改，如表1、表2所示。

表1 優化后E-6211的規格及工藝參數

表2 優化后T-6203的規格及工藝參數

優化后，絕大多數的氨由E-6211管側的稀氨水吸收，少量未被吸收的氨進入T-6203，塔頂2850kg/h的蒸汽冷凝液足以清洗氨至設計指標18kg/h，克服了初步設計少量氨由E-6211吸收、多數氨由T-6203吸收，由于吸收放熱使溶液溫度升高而不能徹底清洗放空氣中的氨。

2.蒸汽冷凝液系統的設計優化

初步設計中蒸汽冷凝液系統設計得不合理（流程簡圖見圖2），為了回收蒸汽冷凝液的熱量，同時節省冷卻水用量，對蒸汽冷凝液系統做了如下優化（優化后的流程簡圖見圖3）。

圖2 初步設計蒸汽冷凝液系統的流程簡圖

圖3 優化后蒸汽冷凝液系統的流程簡圖

(1)新增設備膨脹槽

初步設計中采用低壓蒸汽（0.34MPa(g)、147℃）作為熔融尿素泵進口和出口去造粒塔管線夾套的加熱蒸汽，鑒于其他裝置經驗，147℃的加熱蒸汽會促進縮二脲的生成反應，而上塔管線又較長，將導致產品中縮二脲的含量超標。

為降低縮二脲的生成反應，需降低夾套管線的蒸汽溫度，借鑒其他裝置經驗，新增一臺膨脹槽，本裝置中59231kg/h（0.34MPa(g)、147℃）的蒸汽冷凝液能閃蒸出625kg/h的低壓蒸汽（0.28MPa(g)、141℃），此品質的低壓蒸汽作為熔融尿素管線夾套的加熱蒸汽，能降低縮二脲的生成反應，同時為裝置副產了625kg/h的低壓蒸汽，回收了蒸汽冷凝液的部分熱量。

(2)利用蒸汽冷凝液加熱碳銨液以回收其熱量

初步設計用蒸汽冷凝液冷卻器（E-6223）將120℃、69.48t/h的蒸汽冷凝液冷卻至50℃送出界區，消耗649t/h的冷卻水，此設計不僅沒有回收蒸汽冷凝液的余熱，還消耗了大量冷卻水，是不合理的。

為了回收蒸汽冷凝液的熱量并消除不必要的冷卻水的消耗，我方對E-6223及流程進行了優化，將E-6223由單臺換熱器改為4臺串聯，從V-6227底部出來的141℃、58606kg/h的冷凝液依次進入E-6223D、E-6223C、E-6223B、E-6223A殼側，并從E-6223B和E-6223C間抽出11865kg/h的冷凝液作為工藝系統的沖洗水。從中壓碳銨液泵P-6203A/B來的41℃的碳銨液依次經過E-6223A、E-6223B、E-6223C、E-6223D，回收蒸汽冷凝液的熱量后溫度升至118℃，之后進入真空預濃縮器（E-6204）加熱并濃縮換熱器管側的尿素溶液。

對E-6223及蒸汽冷凝液系統流程優化后，不僅回收了蒸汽冷凝液的熱量，節省了649t/h的冷卻水消耗，還提高了碳銨液的溫度，提升了真空預濃縮器回收熱量的效果。

3.尿素造粒塔規格尺寸的設計優化

(1)塔式造粒簡介

本裝置采用塔式造粒，尿素熔融物通過造粒噴頭從幾十米高空噴灑下來，在降落過程中與從塔底進入的冷空氣流逆向接觸，彼此產生傳熱傳質作用，熔融尿素液滴經過降溫、凝固、冷卻三個階段，從初始熔融液態變成近于常溫的粒狀固體。造粒工藝流程僅有熔融物的噴灑、熔融物造粒和粒狀尿素收集三部分組成，在造粒塔底部得到的粒狀尿素經刮料機收集送至膠帶輸送機再運至包裝儲運工序。塔式造粒的特點是工藝簡單、易于操作管理。我國建造的尿素造粒塔大都采用自然通風造粒塔。

本裝置尿素產品執行國家標準中農業用、小顆粒、優等品的標準，粒度在0.85～2.8mm的顆?！?3wt%，采用自然通風造粒塔。

(2)造粒塔規格尺寸的設計優化

初步設計造粒塔尺寸為內徑28m、有效高度80m（造粒噴頭底部至刮料機頂部的距離），底部進風口百葉窗的自由通風面積為220m2，頂部出風口百葉窗的自由通風面積為400m2，頂部出風口直徑為18m。我方認為內徑為28m不合理，將內徑改為30m，頂部出風口直徑改為20m較合理，理由如下：

①在采用旋轉噴頭時，考慮到生產負荷的波動、大氣條件的變化以及避免粘塔的要求，通常按表3選擇塔徑[2]，如下表3所示。

表3 造粒塔內徑與生產能力的關系

由于本尿素裝置生產能力為4000t/d，初步設計中造粒塔內徑為28m較小，我國鄂爾多斯化肥廠3500t/d的自然通風造粒塔內徑為29m，烏蘭項目設計為4000t/d裝置能力，造粒部分一般都要考慮一定富余量，起碼10%的余量，即為4400t/d，因此我方將內徑改為30m。

②初步設計造粒塔內徑為28m，頂部出風口直徑為18m，則頂部氣體流通的環隙面積為361m2，而頂部中心出風口面積只有254m2，無法滿足頂部出風口通風面積的要求。將內徑改為30m、頂部出風口直徑改為20m后，則頂部氣體流通的環隙面積為392.5m2，塔頂中心出風口面積也還只有314m2，基本滿足頂部出風口通風面積的要求。

③內徑為28m的造粒塔塔內單位截面積的顆粒尿素量為270.8kg/（h·m2），此值偏大，負荷加重，不利于尿素的冷卻結晶。造粒塔內徑為30m時，能減少尿素通過塔內的單位截面積的顆粒量，負荷減輕，有利于尿素的冷卻結晶。

鑒于以上原因，我方將造粒塔內徑由28m改為30m，頂部出風口直徑由18m改為20m。

4.結論

針對初步設計中不盡合理的方面，我方對尿素裝置進行了優化，主要包括4方面：（1）中壓氨吸收器/中壓惰洗塔（E-6211/T-6203）：優化后，大部分氨由E-6211管側的稀氨水吸收，少量未被吸收的氨進入T-6203，塔頂蒸汽冷凝液足以清洗氨至設計指標，克服了初步設計E-6211熱負荷的不足，仍有較大量的氨由T-6203吸收，由于吸收放熱使溶液溫度升高而不能徹底清洗放空氣中的氨。（2）蒸汽冷凝液系統：為回收蒸汽冷凝液的熱量，新增一臺膨脹槽，其閃蒸出的低壓蒸汽供造粒塔熔融尿素管線夾套保溫用；用蒸汽冷凝液加熱碳銨液，不僅回收了其熱量，節省了649t/h的冷卻水消耗，還提高了碳銨液的溫度，提升了真空預濃縮器回收熱量的效果。（3）造粒塔規格尺寸：將造粒塔內徑由28m改為30m，頂部出風口直徑由18m改為20m。

以上對中壓系統的設計優化不僅回收了氨，而且使尾氣放空系統氨含量達到了排放標準，減少了對環境的污染；對蒸汽冷凝液系統的設計優化不僅回收利用了蒸汽冷凝液的熱量，副產了625kg/h的低壓蒸汽供造粒塔熔融尿素管線夾套保溫用，而且用蒸汽冷凝液加熱碳銨液，節省了649t/h的冷卻水消耗，還提高了碳銨液的溫度，提升了真空預濃縮器回收熱量的效果；對造粒塔內徑的優化，使塔內造粒負荷趨于正常，有利于熔融尿素的冷卻結晶。