利用尿素合成塔改造水解塔技術(shù)研究

劉國羽 劉帥鵬

(河南能源集團(tuán)安化公司尿素廠 河南安陽455133)

0 前言

20世紀(jì)90年代，我國建成了一大批年產(chǎn)40～110 kt水溶液全循環(huán)法尿素裝置，原設(shè)計中工藝?yán)淠航?jīng)解吸塔處理后排放，解吸殘液設(shè)計排放指標(biāo)為含氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.07%、含尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.15%，隨著環(huán)保要求的提高，現(xiàn)已無法達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。尿素深度水解技術(shù)是將尿素生產(chǎn)中排放的工藝?yán)淠褐械哪蛩胤纸獬砂焙投趸迹偻ㄟ^解吸將氨和二氧化碳從工藝?yán)淠褐蟹蛛x出來，回收至尿素生產(chǎn)系統(tǒng)，使排放廢液中的氨氮含量低于環(huán)保指標(biāo)。但尿素深度水解裝置投資較高，年產(chǎn)300 kt中型尿素裝置的深度水解裝置投資約為580萬元；而目前國內(nèi)規(guī)定尿素合成塔使用年限不得超過20年，將強制報廢后的尿素合成塔進(jìn)行改造，降壓作為水解塔使用，可降低尿素深度水解裝置的投資。

1 水解塔和退役的尿素合成塔分析對比

河南能源集團(tuán)安化公司(以下簡稱安化公司)新增的水解裝置采用低壓水解工藝，處理能力為20 m3/h氨水，水解、解吸采用一體塔設(shè)計，水解蒸汽壓力等級為1.3 MPa，水解塔操作壓力為 1.1 MPa。

Φ1 500 mm×35 133 mm水解塔操作參數(shù)：材質(zhì)為316L，塔盤數(shù)40層，塔底和塔頂?shù)牟僮鳒囟确謩e為185～190 ℃和140～145 ℃，介質(zhì)為氨、二氧化碳、尿素和水。

安化公司退役的Φ1 384 mm×30 022 mm尿素合成塔于2011年12月停止使用，服役時間為18年3個月。其設(shè)計參數(shù)：層板包扎式，襯里材質(zhì)00Cr17Ni14Mo2，筒體壁厚108 mm，襯里壁厚6 mm，操作壓力20.0 MPa，操作溫度 190 ℃，介質(zhì)為氨、二氧化碳、尿素和氨基甲酸銨。

通過分析對比，退役的尿素合成塔與水解塔的工藝操作條件、襯里材質(zhì)及設(shè)備尺寸大小相近，工藝操作條件符合水解塔的要求。操作壓力由20.0 MPa 降為1.1 MPa，相當(dāng)于降壓使用。

2 存在的風(fēng)險分析

2.1 尿素合成塔改造后使用安全

退役的尿素合成塔改造采用1.1 MPa的低壓水解裝置，對設(shè)計壓力21.6 MPa的尿素合成塔而言相當(dāng)于降壓使用，也為強度復(fù)核計算合格的可能性提供了保障，有資質(zhì)的設(shè)計部門出據(jù)的設(shè)備構(gòu)件強度計算合格證書是壓力容器符合質(zhì)檢規(guī)范的前提，在設(shè)備構(gòu)件強度計算合格情況下可以滿足安全運行。

與尿素合成塔使用環(huán)境相比，水解塔內(nèi)的工藝條件要溫和很多，沒有氫氣這種活躍且爆炸極限范圍很寬的危險氣體，由于不需要防腐空氣，無氧的環(huán)境徹底消除了爆炸危險隱患。

尿素合成塔受活塞式運轉(zhuǎn)設(shè)備的送料影響，在基本滿液操作情況下存在脈沖現(xiàn)象，因此屬于交變應(yīng)力工作環(huán)境，塔體材料易出現(xiàn)疲勞性受損。改作水解塔之后，消除了脈沖現(xiàn)象，為設(shè)備的壽命延長和安全運行提供了保障。

改造需要在退役的尿素合成塔多層包扎式殼體上開少量孔，這是GB 150—1998技術(shù)規(guī)范允許的，具備現(xiàn)場開孔施工資質(zhì)的單位可以進(jìn)行。

2.2 改造后達(dá)到設(shè)計效果

該20 m3/h水解塔在設(shè)計開始時考慮的余量較大，根據(jù)實際運行情況，在處理量達(dá)到25～28 m3/h時，處理后的廢液仍可達(dá)標(biāo)排放。改造后水解塔的塔盤數(shù)量最初設(shè)計為40層，由于其塔徑減小了100 mm，高度降低了5 111 mm，修改設(shè)計將塔板間距減小(經(jīng)計算完全可以)，塔板層數(shù)增加至43層，同時增加塔板上吸收泡罩的數(shù)量，以提高塔的吸收能力，滿足運行要求。

3 開孔方案

退役的尿素合成塔需開孔4處(圖1)：距塔底部1 150 mm處開DN125 mm孔，作為水解加熱蒸汽入口；距塔底部1 750 mm處開DN25 mm孔，作為液位指示接管口；距塔頂部2 817 mm處開DN80 mm孔，作為氨水入塔口；距塔頂部1 117 mm處開DN50 mm孔，作為冷流入塔口。

4 運行效果及效益分析

安化公司的尿素深度水解裝置于2012年10月29日成功投運，其水解塔壓力提升至0.8～0.9 MPa，水解塔底部溫度為180 ℃、中部溫度為175 ℃、頂部溫度為140 ℃，水解塔運行溫度低于設(shè)計溫度5 ℃。目前，入水解塔工藝?yán)淠褐邪辟|(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%～5%，解吸廢液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均在30×10-6以下。

圖1 尿素合成塔開孔示意

改造后運行至今，該尿素深度水解裝置運行平穩(wěn)，徹底解決了原解吸系統(tǒng)操作彈性小、系統(tǒng)波動大、多次造成廢液排放嚴(yán)重超標(biāo)等問題。改造后，一冷補液穩(wěn)定，吸收塔組分明顯穩(wěn)定，同時有利于一甲泵的穩(wěn)定運行。Φ1 500 mm水解塔投資100萬元左右，利用退役的尿素合成塔開孔改造成本20萬元，可節(jié)省設(shè)備投資費用80萬元左右，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)語

我國有近200套小型尿素生產(chǎn)裝置，其中已有100多套進(jìn)行了“四改六”技術(shù)改造，70多套進(jìn)行了“六改十”技術(shù)改造，有2/3以上的小型尿素裝置產(chǎn)能已達(dá)中型尿素裝置規(guī)模，部分裝置甚至已達(dá)到或超過了大型裝置規(guī)模。隨著企業(yè)的發(fā)展及環(huán)保形勢的要求，解吸系統(tǒng)向水解系統(tǒng)優(yōu)化為必然之路，利用企業(yè)退役的尿素合成塔改造成水解塔可以降低投資，減輕了企業(yè)的負(fù)擔(dān)，還能達(dá)到節(jié)能降耗的效果。