淺議水溶液全循環(huán)尿素裝置系統(tǒng)壓差與節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)

辛向陽,尚秀蘭,張曉旭,穆雯雯

(山東阿斯德化工有限公司,山東肥城 271600)

眾周所知,水溶液全循環(huán)法工藝尿素在我國尿素生產(chǎn)中占有重要地位,在其發(fā)展期間,眾多的小尿素廠經(jīng)歷了單套尿素裝置由40～60 kt/a擴(kuò)至80～100 kt/a,再擴(kuò)至180～200 kt/a的過程。在這期間多數(shù)經(jīng)歷了不斷學(xué)習(xí)摸索改造完善的過程。筆者所在的公司有兩套尿素裝置,原分別為40 kt/a、60 kt/a,在經(jīng)歷了多次改造后已均能達(dá)到180 kt/a能力。現(xiàn)結(jié)合我公司歷次改造及筆者到兄弟單位的參觀學(xué)習(xí)情況,就改造中系統(tǒng)壓差與節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行簡單分析。

1 中壓分解循環(huán)系統(tǒng)

1.1 中壓分解系統(tǒng)

我公司40 kt/a裝置增產(chǎn)改造過程中先是加大了一分加,但在擴(kuò)產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)預(yù)蒸餾塔內(nèi)塔盤易變形、吹翻,或泡罩沖刷腐蝕嚴(yán)重。后于2003年改造時將其更換為φ1 200 mm換熱面積330 m2的自汽提一分塔,才得以解決。(使用初期自汽提一分塔加熱器列管爆,以及現(xiàn)在自汽提一分塔的降膜分布器與加熱器之間的密封差仍在影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行)。原60 kt/a裝置在擴(kuò)產(chǎn)時,預(yù)蒸餾系統(tǒng)只是加大了一分加,由原來的 F134 m2加大為F200m2,對預(yù)蒸餾內(nèi)塔盤上的泡罩及中心管均做了加大處理,泡罩由φ75 mm擴(kuò)大至φ108 mm;中心管則由φ57 mm擴(kuò)大至φ70 mm,個數(shù)、排列方式不變。改造后φ1 100 mm預(yù)蒸餾塔亦能滿足180 kt/a的需要。筆者改造前到河北東光和冀州銀海參觀學(xué)習(xí)。東光二期使用φ1800 mm、F671 m2的自汽提一分塔,產(chǎn)能達(dá)300 kt/a;冀州銀海二期則使用 φ1 400 mm、F555 m2的自汽提一分塔,產(chǎn)能200 kt/a;兩公司目前噸尿素蒸汽消耗均在1 100 kg以內(nèi),冀州銀海汽耗報導(dǎo)已達(dá)900 kg。而在使用預(yù)蒸餾的廠家中,筆者曾與萊西化肥廠交流,他們在加大預(yù)蒸餾塔及一分加后,未使用其他新技術(shù),汽耗亦降到1250 kg以內(nèi),但產(chǎn)能增幅不大。寧波遠(yuǎn)東在公開的資料中介紹其開發(fā)的DL型塔盤,目的亦是加大流通量,提高傳質(zhì)傳熱效果及產(chǎn)能,降低各項消耗,特別是蒸汽消耗;因此,筆者認(rèn)為中壓分解預(yù)蒸餾塔在擴(kuò)產(chǎn)節(jié)能改造中,必須要考慮一分加熱器至預(yù)蒸餾塔氣相出口在正常生產(chǎn)負(fù)荷下是否有最小壓差(確保氣液有足夠的流通空間),一分加熱器加熱室蒸汽壓力在正常生產(chǎn)中是否在0.6～0.65 MPa之間(在合成塔出液CO2轉(zhuǎn)化率不變的情況下有滿足生產(chǎn)負(fù)荷的換熱面積);并確保一段分解達(dá)到預(yù)期效果(合成塔出液CO2轉(zhuǎn)化率的高低對預(yù)蒸餾塔影響大,本文在均未考慮其影響的前提下分析對比)。

1.2 中壓循環(huán)回收系統(tǒng)

水溶液全循環(huán)工藝裝置的一大特點就是循環(huán)工序的高框架布置。工藝物料需要依靠重力流動的相關(guān)設(shè)備之間要有足夠的位差;設(shè)備布置的標(biāo)高及配管必須合理,以確保物料的正常流動;但在小尿素擴(kuò)產(chǎn)節(jié)能改造中,有很多兄弟單位和我們一樣,對此沒有引起足夠的重視。

中壓吸收塔是尿素生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。我公司初次擴(kuò)產(chǎn)改造均是對一吸塔進(jìn)行加長鼓泡段及加大鼓泡分布器的改造,并相應(yīng)增加了一臺一吸冷卻器,加大了循環(huán)水泵,將一吸塔氣相管線、氣液混合物管線及部分循環(huán)水管線由φ159 mm放大到 φ219 mm。在 40 kt/a擴(kuò)至 100 kt/a和60 kt/a擴(kuò)至100 kt/a的過程中,效果確實明顯。但擴(kuò)至180 kt/a后,一吸塔則表現(xiàn)出操作困難,經(jīng)常超溫,明顯感到一吸塔內(nèi)壓力高,頂回流氨和氨水加不進(jìn)去。為此,我們先后加粗了回流氨和氨水管線,雖然都起到了一些作用,但均未徹底扭轉(zhuǎn)被動的局面。2007年借合成塔檢塔大修之機(jī),對原40 kt/a裝置的φ1 000 mm一吸塔塔盤、鼓泡器進(jìn)行改造,將塔盤上的泡罩由原來的φ75 mm加大為 φ108 mm,各中心管由原來的φ50 mm加大為 φ70 mm,鼓泡器的分布孔為φ10 mm,孔的總數(shù)確保其截面積之和達(dá)到φ219 mm管截面積的2倍以上。檢修完畢后開車,取得較好的效果。班產(chǎn)尿素由原來的150 t左右提至180 t左右,并且操作較原先穩(wěn)定,但一吸塔3點溫度偏高,在85℃左右。我們分析可能為鼓泡器分布孔徑偏大(φ10 mm),故在60 kt/a裝置的增產(chǎn)節(jié)能改造中,未再加大鼓泡器分布器孔徑,只增加孔數(shù);60 kt/a裝置的一吸塔3點溫度均在55℃左右。2008年公司與寧波遠(yuǎn)東合作又對兩套系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。此次改造未對一吸塔進(jìn)行改動。但是一吸冷卻器、熱能利用段的加大進(jìn)一步穩(wěn)定了一吸塔的操作。2010年3月通過對河北東光、冀州銀海、山東華魯恒升、明水大化的參觀學(xué)習(xí),結(jié)合兄弟單位的運(yùn)行經(jīng)驗及我公司實際情況,我們制定了以降低中低壓系統(tǒng)壓差,提高分解效率,降低汽耗,穩(wěn)定生產(chǎn)工藝的技改思路。準(zhǔn)備在中壓系統(tǒng)實施以下改造。

(1)加粗一吸塔氣相管線,由原來的φ219 mm加粗為φ325 mm。

(2)加粗一分塔氣相至熱能利用段、一吸冷卻器、一吸塔的氣液混合物管線到φ325 mm。

(3)加粗氨冷A至惰洗器,到氨冷B,再到氨冷C至惰洗器的氣相管線,及氨冷器氣相和液氨緩沖槽的氣相平衡管線。

(4)加粗預(yù)分離器氣相出口至一吸冷卻器氣相管線,并去掉閥門。原60 kt/a裝置的預(yù)分離器標(biāo)高抬高2 m。

(5)新上一臺400 m3/h循環(huán)水泵,更換掉原來的100m3/h循環(huán)水泵,并將原部分φ159mm管線加粗為φ219 mm。

具體實施過程中,因時間及其他原因,(2)、(3)、(4)項未徹底實施。原40 kt/a裝置中使用31 m3的合成塔,經(jīng)過改造后班產(chǎn)尿素達(dá)到200 t以上,最高班產(chǎn)達(dá)到211.8 t,各項指標(biāo)更加穩(wěn)定,操作彈性加大;但在此負(fù)荷下,系統(tǒng)壓差雖有降低卻未達(dá)到既定目標(biāo),導(dǎo)致單套尿素蒸汽消耗仍在1 230 kg/t左右(含水解)。對我公司原60 kt/a裝置,則主要進(jìn)行了(1)項改造,(2)、(3)項僅做了少量改造,使用31 m3合成塔,班產(chǎn)尿素亦能達(dá)到190 t以上,蒸汽消耗在1 150 kg左右,兩套尿素單獨生產(chǎn)時噸尿耗氨均控制在575 kg以內(nèi)。結(jié)合2010年的改造,我們認(rèn)為水溶液全循環(huán)工藝節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造后,仍完全有能力將蒸汽消耗降至1 100 kg/t以下,但前提是所有改造應(yīng)盡量以不增加系統(tǒng)的壓差為目標(biāo)。冀州銀海噸尿蒸汽消耗降至900 kg,筆者對該裝置參觀學(xué)習(xí)時,第一印象就是感覺設(shè)備少,現(xiàn)場簡練,與很多擴(kuò)產(chǎn)后的單位不同,一吸冷卻器就用了一臺(432.8 m2),循環(huán)水泵為600 m3/h,氨冷器共兩臺(單臺580 m2),筆者參觀當(dāng)天注意到當(dāng)時二甲泵、氨水泵出口壓力均為1.8 MPa而中壓控制在1.7 MPa,設(shè)備的增大與數(shù)量的減少,使系統(tǒng)壓差降至最低,這應(yīng)是該裝置汽耗低的原因之一。

2 低壓系統(tǒng)

截止到2003年,我公司對低壓部分只是加大了二分加熱器,在兩套尿素裝置的二分塔氣相至二循一冷之間加了二循預(yù)冷器。由于尿素產(chǎn)能增加,二循一冷氣相帶液,二循二冷氨水中CO2含量增加一直困擾生產(chǎn)。在2008年與寧波遠(yuǎn)東合作時,將原40 kt/a裝置中備用的預(yù)蒸餾塔、一分加熱器改為二分塔、二分加熱器;60 kt/a裝置中的二分塔精餾段由原φ800 mm加大為φ1 000 mm,并對一冷氣相管線加高加粗,低壓系統(tǒng)才趨于穩(wěn)定,但是二循一冷器氣相仍不時帶液。2010年我們改造低壓系統(tǒng)的思路也是降低壓差,穩(wěn)定生產(chǎn),具體制定以下措施:

(1)二循預(yù)冷和二循一冷由串聯(lián)改為并聯(lián);

(2)加大二循一冷、二循二冷氣相分離空間。

截止到目前只實施(2)項改造,改造完成后,原40 kt/a裝置中的低壓系統(tǒng)亦基本滿足了180 kt/a的要求。但是二分塔氣相至二循二冷氣相出口的壓差仍達(dá)0.2 MPa(現(xiàn)二分塔氣相出口壓力在0.4 MPa左右,低壓控制指標(biāo)為0.2 MPa),體現(xiàn)到操作中,則是生產(chǎn)負(fù)荷增加,二分加熱室內(nèi)的壓力就明顯上升,制約了系統(tǒng)進(jìn)一步節(jié)能降耗。

3 蒸發(fā)系統(tǒng)

由于直接關(guān)系到成品質(zhì)量,一直是改造的重點。但在擴(kuò)產(chǎn)節(jié)能改造過程中由于一直本著修舊利廢、節(jié)約代用的原則,對系統(tǒng)的壓差認(rèn)識不足,也走了不少的彎路。兩套裝置的二段蒸發(fā)冷卻系統(tǒng),由原來的一個50 m2氨冷到加到一個80 m2水冷,到再一個94 m2水冷。中間冷也由原來的一個9m2到再加一個11m2冷卻器,再到改為一個36 m2的中間冷(均是舊設(shè)備改造利用)。二段蒸發(fā)分離器也由加熱分離器一體改為分體,加熱器出口至分離器切線進(jìn)料,進(jìn)料口上方未加擋液板,仍沿用老旋流除沫器,一、二段蒸發(fā)蒸汽噴射器改為水抽噴射器。每次改造完后在開車初期均能看到有所好轉(zhuǎn),但均未徹底解決問題。2003年將原40 kt/a裝置改為三段蒸發(fā),新上降膜閃蒸加熱器、分離器、閃蒸冷凝器,由于設(shè)備質(zhì)量及安裝等原因,加熱器多次爆管,閃蒸真空一直未達(dá)標(biāo)。2007年大修之際,將兩套裝置一表冷至一段蒸發(fā)水抽噴射器、中間冷至二段蒸發(fā)水抽噴射器的管線由原來的φ76 mm改為φ108 mm,開車后效果比較明顯,二段蒸發(fā)分離器內(nèi)真空能達(dá)到-0.085 MPa以上。但連續(xù)運(yùn)行1個月后,二段分離器的真空就開始下降,其上部及氣相管間結(jié)滿縮合物,需停車長時間熱洗浸泡處理。隨著環(huán)保要求的嚴(yán)格,熱洗后的水因無法回收處理,排放又成了難題。2008年,在與寧波遠(yuǎn)東合作的方案中,新購兩臺220 m2的二表冷,將原來兩套裝置中二段蒸發(fā)各三個水冷器全部去掉,分別將最大的一個老水冷改為中間冷,去掉原36 m2中間冷。原60 kt/a裝置二段蒸發(fā)分離器切線進(jìn)料口上方增加擋液板;原旋流除沫板及以上部分全部去掉;原40 kt/a裝置則新上一臺二段蒸發(fā)分離器,氣相出口管線均由φ377 mm改為φ530 mm,各新上40 m2一段蒸發(fā)加熱器一臺,170 m2的熱能利用段一臺。原40 kt/a去掉降膜閃蒸加熱分離器,新上閃蒸分離器和加熱器;原60 kt/a裝置則加大閃蒸分離器并增加了閃蒸加熱器和閃蒸冷卻器。徹底解決了蒸發(fā)系統(tǒng)存在的問題。管線的優(yōu)化確保了尿素的優(yōu)級品率。河北東光二期300 kt/a尿素一表冷350 m2,二表冷350 m2,且一二段蒸發(fā)分離器氣相至一二表冷管線均為φ630 mm;而冀州銀海200 kt/a尿素一表冷284 m2,二表冷350 m2,一二段蒸發(fā)分離器與一二表冷管線也均為φ630 mm,設(shè)備的放大,氣相管線的放大,均有效降低了噴射器至分離器系統(tǒng)的壓差,使噴射器發(fā)揮出最大的潛能。而我們在改造過程中也有一個細(xì)節(jié),原40 kt/a擴(kuò)產(chǎn)節(jié)能改造時,因考慮如何確保產(chǎn)品質(zhì)量,將二段噴射器A也一并加大,并相應(yīng)加粗了連接管線,但開車后發(fā)現(xiàn)二段蒸發(fā)蒸汽噴射器A根本不用開,僅水抽二段就能滿足系統(tǒng)需要。

4 結(jié) 語

結(jié)合兄弟單位好的經(jīng)驗及我們所走的彎路,筆者深切體會到水溶液全循環(huán)工藝節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造中系統(tǒng)壓差的重要性;很多時候大的投資已經(jīng)進(jìn)去,卻因為設(shè)備安裝不到位,管線配置不合理,特別是氣相管線偏細(xì),導(dǎo)致產(chǎn)能擴(kuò)大后系統(tǒng)壓差增大,操作困難,消耗上升,成品質(zhì)量不穩(wěn)定,致使改造效果不明顯。如何有效計算、論證,對工藝物料需要依靠重力流動的相關(guān)設(shè)備之間應(yīng)確保最小的壓差,以發(fā)揮出設(shè)備的最大潛能,應(yīng)當(dāng)是參與技改人員考慮的要點。