用自主創新的節能減排技術改造傳統水溶液全循環法尿素裝置

沈華民，劉國勝，王世平，李洪濤

（德州百斯特化工科技有限公司，山東 德州 253400）

0 前 言

尿素作為重要的化肥品種之一，數十年來已經為我國農業增產作出了重要貢獻。我國是最大的發展中國家，擁有十三億以上的人口。基于我國仍然是農業大國且人均可耕地少這一國情，糧食安全至關重要。目前，我國已用世界7%的可耕地養活了20%的人口，在此化肥的貢獻是不言而喻的。毋庸置疑，今后我國政府必然會繼續支持化肥產業的正常生產和發展。故而，作為肥業支柱的尿素產業也仍將繼續向前發展。

21世紀的人類社會，已進入全球化時代。對于高污染高能耗的傳統化肥產業的繼續生產和發展，首先必須建立在治理三廢污染和減排二氧化碳的基礎上；同時，化肥產業的發展必須走以節能為主線的低碳經濟發展模式［1］。

我國作為負責任的大國，以積極的態度支持節能減排為主旋律的低碳經濟發展模式。低碳經濟的重要理念是：發展低能耗零污染的綠色經濟；淘汰高污染高能耗的落后產能。為此，近年國務院和工信部公布了嚴重污染環境、高能耗的落后產能行業，其中有鋼鐵、水泥、石化、火電等六大行業的部分企業［2］。今年我國中東部嚴重的霧霾天氣，必然促使加快治理污染的步伐。

作為石化行業之一的尿素產業，生產過程中亦有廢物排放污染的問題，主要為廢水及造粒塔排出的廢氣對環境的污染。另外，有些企業還存在著以高能耗換取高產量的錯誤觀念，這是與低碳經濟理念極不相符的。因而，如何繼續發展我國傳統的化肥產業，首先要轉變觀念，轉變只重視產品產量而忽視產品質量和能耗的錯誤觀念，這是繼續發展我國化肥產業的前提條件。

我國中小型尿素裝置多數是采用傳統水溶液全循環法（以下簡稱傳統法）進行生產的。因而，討論該類裝置的節能技改，對于整個尿素產業實現低碳經濟發展具有特殊的、重要的意義。

傳統法尿素技術創建于上世紀五十年代末六十年代初，我國于1966年引進該技術。在國家糧食安全保護政策下，上世紀六、七十年代和八、九十年代曾先后兩次大批量興建了中型尿素裝置（80～130kt／a）和小型尿素裝置（40～60kt／a）。這些裝置已成為我國尿素生產的主力軍。然而，傳統法尿素工藝畢竟是第一代水溶液全循環技術，裝置工藝落后，主要問題有兩個，其一是合成轉化率低，xCO2僅為60%～65%；其二是一段分解壓力過低，僅1.8MPa，導致熱利用率差。上述兩個問題是造成裝置能耗過大的主要原因。噸尿能耗為，蒸汽1.5～1.8t，冷卻水100～160m3，電130～150kW·h。

對于尿素裝置而言，節能方法有如下兩種。

第一，熱量回收節能（屬于直接節能法）。

在尿素裝置中，將分解工序釋放出來的未反應物——NH3和CO2氣體，在回收工序冷凝（吸收），并將其冷凝熱回收利用，以減少裝置能耗，此即為熱量回收節能技術。

第二，提高合成轉化率節能（屬于間接節能法）。

尿素裝置中，xCO2越高，生成尿素量越多，出塔尿液中未反應甲銨及過剩氨總量也越少，后續分解工序所需蒸汽量也越少，循環回收未反應物所需能耗（電能、冷卻水）也越少。因而，xCO2的高低密切關聯著裝置運行的能耗，即xCO2越高，能耗越少。

因此，提高尿素合成轉化率已成為尿素裝置最為重要的節能方法。

為了提高xCO2，運行較好的傳統法尿素裝置，已在尿塔內安裝了高效塔盤，或設計了多種新型內件，已使xCO2提高至66%～68%，促使裝置能耗下降。

但是，由現代工業尿素合成理論分析得知：只要是從底部進料的尿塔，即使將塔盤再增加，或效率再高的新塔型，實際xCO2不太可能逾越70%。

合成轉化率小于70%，已成為傳統法尿素裝置的瓶頸，最先進的傳統法尿素裝置的能耗指標始終徘徊在汽耗約1.3t（噸尿；下同），落后于汽提法尿素裝置。

然而，尿素技術已進入合成時代［2］，其典型代表為美國UTI尿素技術。UTI用逆流等溫塔已將xCO2提高到75%，也即UTI僅用合成節能法一項，已能使裝置汽耗下降至約1.0t，其先進性已能與汽提法媲美。因而，用合成時代的理論和實踐來改造我國傳統法尿素裝置，則裝置發生鳳凰涅槃，實現跨越式發展是指日可待的。

為此，在工業尿素合成理論指導下，消化國外先進核心知識基礎上，自主創新，開發出兩項節能新技術，供傳統法尿素裝置低碳節能發展選擇應用。

其一為逆流換熱全液相合成塔，主要針對傳統法xCO2低的問題，汲取了美國UTI逆流等溫合成塔的先進理念而開發成的新塔型［3～4］。

其二為傳統21法技術，主要針對傳統法熱利用率差、xCO2低兩個問題，汲取了汽提法先進理念，結合現代工業尿素合成理論開發出的新流程［5］。

1 技改原則及建議

1.1 技改原則

（1）應從尿素裝置是一個系統工程的整體觀點來考察，即裝置各工序之間是緊密相連的整體角度來尋找能耗高的原因，并找出具體節能降耗的方法、措施；尤其不能就事論事，從局部出發來制訂具體措施。

（2）對于傳統法尿素裝置而言，具體的節能技改措施應以提高xCO2為主、熱量回收為輔的原則。因為提高合成轉化率是最好的節能措施。

xCO2與能耗之間的關系見圖1，該圖系筆者（沈華民）以傳統法尿素裝置NH3／CO2為4.0時，進行數學模擬計算而得出的。

圖1 xCO2與蒸汽耗量及合成液未反應物料量的關系

由圖1查得，當xCO260%～65%時，汽耗為1.6～1.4t。實際值為1.8～1.5t。

若將xCO2提高到70%，系統蒸汽耗量由圖1查得為1.2t。可見，在此轉化率下后系統若能回收200kg蒸汽，裝置即可進入先進的節能低碳行列。

若將xCO2進一步提高到75%，由圖1查得汽耗小于1.0t，這時即使后系統不采取任何節能措施，裝置也已進入先進的節能低碳行列。

由此可見，傳統法尿素裝置節能技改措施應傾向于合成節能法。

1.2 技改建議

我國傳統法尿素裝置，大致可分為三類。具體技改措施亦略有不同。

1.2.1 第一類：運行水平較差的落后產能

（1）裝置概況

①只有解吸系統，經常排放解吸廢水；造粒塔頂也經常排出粉塵、廢氣。

②原尿塔為空筒或設置常規塔板，xCO260%～63%，汽耗1.5～1.8t。

（2）問題討論

本類裝置在尿素行業中屬于高污染高能耗的落后產能，如果不及時采取措施，最終必然被淘汰。

環保先行，亟需治理排放的廢水、廢氣，使裝置的三廢達標排放；同時，裝置能耗在同行業中也處于落后狀態，也需盡快采取改善措施。

（3）建議

建議分兩階段進行改造，使裝置達到同行業先進水平。

①第一階段 首先需治理污染問題，設置水解系統和造粒塔粉塵回收系統，以解決裝置污染問題。對于能耗高的問題，建議將尿塔塔盤改為先進的高效塔盤；同時，對全系統進行優化操作以及參數調整，以提高xCO2來降能耗。

優化調整后使裝置xCO2提升至66%～67%，裝置汽耗下降至1.3～1.4t，以盡快擺脫落后狀態，達到行業中等水平。

②第二階段 用逆流換熱全液相合成技術或傳統21法進行改造，進一步提升xCO2＞70%，汽耗≤1.0t，使裝置達到行業先進水平。

1.2.2 第二類：運行水平處于中等偏下游的裝置

（1）裝置概況

①水解系統及粉塵回收系統已設置。

② 尿塔設有普通塔盤，xCO264%～65%，汽耗1.4～1.5t。

（2）問題討論

本類裝置污染問題已基本解決，但能耗還是較高，在行業中運行水平屬于中游偏下狀態。若墨守陳規，隨著時間的推移，在競爭中也難以長期生存。

（3）建議

亦建議分兩步走。

①第一步 設置高效塔盤，同時對尿塔塔盤進行優化調整，并對全裝置進行參數調整和優化操作，將xCO2進一步提高到66%～67%，汽耗降至1.3～1.4t。

這樣，可以用較少的投資盡快提升裝置水平，擺脫能耗偏高狀態，盡快進入行業中等水平行列。

②第二步 用逆流換熱全液相合成技術或傳統21法改造裝置，進一步將xCO2提高到70%以上，汽耗≤1.0t，使裝置達到行業先進水平。

1.2.3 第三類：裝置擴產

（1）裝置概況

①水解系統及粉塵回收系統已設置。

②尿塔已設置高效塔盤，在生產強度I＝10～12［t／（m3·d）；下同］時，xCO266%～67%，汽耗1.3～1.4t。

③ 因擴產需要，I提高至15～16時，xCO2下降至60%～61%，汽耗上升到1.6～1.7t。

（2）問題討論

由于擴產，使原先較好的裝置成為高能耗高污染裝置，如何使裝置恢復到原先水平或超過原先水平，選擇既節能又增產的新技術是成功的關鍵。

（3）建議

逆流換熱全液相合成技術以及傳統21法都是既節能又增產的新技術，可以選擇其中之一來改造。在I＝15～16時，均能使xCO2達到70%左右，汽耗可降至1.0t左右，裝置進入行業先進水平行列。

2 三廢減排技術

尿素生產過程中的三廢排放主要為廢水排放和造粒塔粉塵排放，其中主要含氨和尿素，這兩種物質排入江河或大氣中均會造成污染，必須進行治理，并回收有效物質。

2.1 廢水治理技術

（1）廢水來源 尿素裝置的廢水主要來自尿素合成反應生成的水。每生成1t尿素會產生300kg水；另外，還有從原料液氨、CO2以及蒸汽噴射泵工作時帶入系統的水，最后一起形成蒸發冷凝液。故而，實際生產中噸尿會產生400～500kg廢液。若排放這些廢液，會對江河造成污染。

（2）組成（wt） 尿素0.5%～1.0%；NH31.0%～5.0%；CO20.5%～2.0%。

（3）國情 原來我國傳統法尿素裝置僅設置解吸系統，通過解吸可將廢液中的NH3脫除，但因為排出廢水中仍含有少量尿素，既損失了尿素又會對水環境造成污染，必須進一步處理。

深度水解技術能將廢液中尿素和氨一起脫除／回收，使排放廢水達標。

（1）水解原理

可見，水解過程分兩步進行，首先分解尿素，然后將溶液中的NH3和CO2連同原來殘留在廢液中的NH3和CO2一起全部解吸為氣相，從而使殘留液中尿素和NH3含量均小于5×10－6。

（2）國外技術

高壓深度水解技術意大利Snamprogtti公司技術，壓力3.5～4.0MPa。

中壓深度水解技術 荷蘭Stamicarbon公司技術，壓力2.0～2.5MPa。

低壓深度水解技術 美國UTI公司技術，壓力1.3MPa。

（3）我國自主開發的水解技術

我國已有多家單位自主研發了水解技術。本文介紹德州百斯特化工科技有限公司的低壓水解技術，其流程見圖2。

圖2 尿素低壓水解—汽提工藝流程圖

該水解技術特點如下。

①采用單塔。水解和解吸合二為一的單塔操作，流程短，設備少，投資省。

② 底部導入1.3MPa蒸汽直接加熱廢液，以供水解和解吸之用；同時，還加入少量CO2和空氣作汽提劑（空氣還是防腐劑），促使廢液中的尿素在較低溫度下（約190℃）分解為NH3和CO2。這樣，更適合于沒有中、高壓蒸汽的尿素裝置。

③采用具有自主知識產權的高效塔內件，排放廢液中尿素＜5×10－6、NH3＜5×10－6。

（4）應用

百斯特水解技術已在山東、河南等多家尿素裝置上應用，效果良好。

2.2 粉塵治理技術

（1）粉塵來源

尿素造粒塔是絕大多數尿素裝置的標志性建筑物，但是若塔頂排出的尿素粉塵治理不力，則塔頂排出白色粉塵狀廢氣也是污染的一大標志。

近年來，隨著我國大多數中、小型尿素裝置的擴產改造，原設計的造粒塔生產能力已嚴重不足，一方面導致尿素造粒塔塔頂尿素小顆粒粉塵帶出量過多，產生白色粉塵污染大氣；另一方面又增加了尿素的損耗。

針對這一新情況，尿素造粒塔粉塵回收技術已成為我國尿素產業三廢治理的重點技術，是我國氮肥工業協會推薦的重點環保項目。

本文介紹德州百斯特化工科技有限公司的粉塵回收技術［6］。

（2）治理方法

采用濕式霧化洗滌法脫除粉塵，其特點如下。

①粉塵回收裝置應用于原造粒塔為自然通風的造粒塔，因而不需外加強力通風設備；裝置全部置于造粒塔上方，操作簡便，與生產系統合為一體。

②采用尿素水解廢液作為粉塵吸收液的置換補充液，用洗滌噴頭加入裝置。

③采用先進霧化技術，濕式洗滌回收粉塵，且為三段吸收三段分離回收技術，回收率達85%～90%。

（3）應用

本技術已在寧夏、山東、河南、湖北等二十余家單位尿素裝置上應用。最近已在寧夏石化大尿素裝置上應用，運行良好。

（未完待續）