CO2汽提法尿素裝置熱能回收的一些認識

[甘肅劉化(集團)有限責任公司，甘肅 永靖 731603]

在尿素生產過程中，尿素混合液需用蒸汽加熱進行分解，而分解產生的大量高溫氣體，需用循環水冷卻，并最大化地對物料進行回收以降低消耗。CO2汽提法尿素裝置生產過程中有很大一部分熱能沒有得到回收利用，而是依靠循環水(冷卻)將其帶走，造成了熱能的較大浪費。同時，大量的熱能被循環水帶走，使冷卻水溫度升高，造成了冷卻設備列管的結垢，影響其換熱效果。如果長時間運行，對產生結垢的設備不做清洗處理，結垢會越來越嚴重，甚至于最終將冷卻設備結垢堵死而不能使用。冷卻設備結垢后處理困難，需經過較長時間的化學清洗才能清除，這樣又會造成設備不同程度的腐蝕；化學清洗次數越多，對設備的腐蝕就越嚴重。在CO2汽提法尿素裝置中，熱能的回收和設備的結垢問題主要體現在脫氫單元和高壓調溫水單元。筆者結合實際生產情況，談談對CO2汽提法尿素裝置生產過程中熱能回收的一些認識。

1 脫氫單元熱能回收利用

由于CO2汽提法尿素裝置采用脫氫技術，其流程為，CO2壓縮機五段出口送來的110 ℃左右的CO2氣體，經CO2加熱器用2.5 MPa的蒸汽加熱至活性溫度150 ℃后，進入脫氫反應器；出脫氫反應器的CO2氣體溫度上升到180 ℃左右，經CO2冷卻器用循環水冷卻至120 ℃左右，再進入CO2汽提塔。CO2冷卻器為U形管式，CO2氣體走管程，循環水走殼程。在生產中，CO2氣體被循環水冷卻后，冷卻水回水溫度大幅升高，管間結垢嚴重，冷卻效果降低。為此，需利用停車機會，多次對CO2冷卻器進行化學清洗；由于管間靠近中心位置結垢嚴重，化學清洗作用不大，只是將管間外側的結垢清洗掉，投運半年后，即會使冷卻水主副線閥全開，而冷卻后的CO2氣體溫度仍高于120 ℃。為能更好地回收這部分熱能，以降低系統蒸汽消耗和冷卻水消耗及減緩冷卻設備的結垢，可對CO2脫氫單元進行如下改造。

1.1 增加CO2氣-氣換熱器(圖1)

CO2壓縮機五段出口送來的110 ℃左右的CO2氣體，先進入CO2氣-氣換熱器，與脫氫反應器出來的高溫CO2氣體換熱后，進入CO2加熱器，利用2.5 MPa的蒸汽加熱到150 ℃后，再進入脫氫反應器進行脫氫反應；溫度升高到180 ℃后，進入CO2氣-氣換熱器與壓縮機五段出口來的CO2氣體換熱后，再進入CO2冷卻器，進一步降溫到120 ℃后進入CO2汽提塔。

圖1 增加CO2氣-氣換熱器后脫氫單元流程

該流程利用脫氫后180 ℃的CO2氣體加熱110 ℃的進料CO2氣體，使其溫度上升，減少CO2加熱器加熱所需蒸汽用量，同時使出脫氫反應器180 ℃的CO2氣體被110 ℃的CO2氣體冷卻，減少CO2冷卻器冷卻水的用量，達到節能降耗的目的。CO2氣體溫度降低后，可以減緩冷卻設備的結垢，減少冷卻設備的化學清洗，減緩設備的腐蝕和節省檢修費用。該流程中CO2加熱器用于開車之前催化劑的升溫和后期催化劑活性降低后的加熱。

該流程適用于新上裝置；對于已上脫氫系統的裝置，據現場具體情況，CO2氣-氣換熱器可以安裝于CO2加熱器前或者CO2加熱器后，均可以達到節能降耗的目的。

1.2 副產低壓蒸汽

在生產中缺少蒸汽的單位，CO2冷卻器可以使用蒸汽冷凝液或解吸廢水作為冷卻介質，產生0.4～0.5 MPa的低壓蒸汽，以供生產系統使用。該低壓蒸汽還可以用于蒸汽型溴化鋰制冷機組，產生低溫冷卻水，用于蒸發系統一、二段冷凝器，可確保蒸發系統真空度的穩定，進而確保成品尿素的質量；或者將低溫冷卻水外送用于其他冷卻設備。

1.3 副產低溫熱水

CO2脫氫產生的熱能，可以用來加熱鍋爐給水，提高鍋爐給水溫度，減少鍋爐用煤量，起到節煤的作用；也可以用來進一步地加熱蒸汽冷凝液，提高溫度后回收至鍋爐使用；還可以產生熱水，用于熱水型溴化鋰制冷機組，產生低溫冷水。

2 高壓調溫水熱能回收利用

在CO2汽提法尿素裝置中，高壓洗滌器冷卻器采用高壓調溫水進行冷卻，而高壓調溫水經循環水冷卻降溫后循環使用。其流程為，高壓調溫水經高調水泵增壓后，經高調水冷卻器換熱，控制溫度在110～120 ℃之間，進入高壓洗滌器冷卻器，經換熱后溫度升高到135 ℃以上，再返回到高調水泵進口循環使用。

高壓調溫水經高調水冷卻器冷卻過程中，由于其溫度較高，循環水在冷卻器列管中易結垢，降低冷卻效果，影響系統的長周期穩定運行；且冷卻器列管結垢后工藝處理困難。高壓調溫水回水溫度在135 ℃以上，用循環水冷卻至110～120 ℃之間，需用大量的循環水進行冷卻，大量的熱量由循環水帶走，循環水溫度升高，造成循環水及熱能的浪費。

在實際生產中，當生產負荷較低時，低壓汽包需補入大量的蒸汽，用以控制低壓汽包的壓力，來滿足生產系統的需要；當高負荷生產時，低壓汽包壓力較低，精餾塔出口尿液溫度較低，加熱蒸汽主副線閥全開，溫度仍達不到控制指標，精餾效果降低，影響蒸發系統的操作。為此，對高壓調溫水的這部分熱能加以回收利用，在尿液進循環加熱器前增加熱能回收段，用高壓調溫水加熱循環加熱器進口尿液，以減少低負荷時的蒸汽用量；而高負荷時可加熱尿液，提高精餾效果，穩定蒸發系統的操作。同時，可減緩冷卻器結垢，減少循環水帶走的熱量，進而減少循環水用量。

增加熱能回收段后具體的流程如圖2所示。高壓調溫水經高調水泵增壓后，經高調水冷卻器換熱，控制溫度在110～120 ℃之間，進入高壓洗滌器冷卻器后，溫度升高到135 ℃以上，再進入循環加熱器熱能回收段加熱尿液，高壓調溫水溫度降低到110～120 ℃后，回到高調水泵進口循環使用。

在CO2汽提法尿素裝置中，如果采用脫氫系統，原料CO2氣體中的H2含量降至50×10-6以下，尾氣中H2含量低，在爆炸限以外，裝置運行安全，高壓調溫水溫度可以降至90～100 ℃之間，而此時回水溫度降至120～130 ℃之間，則利用高壓調溫水加熱尿液，沒有多大的利用價值。如果沒有采用脫氫系統，原料CO2氣體中的H2含量在0.5%～1.0%(V)之間，尾氣

圖2 增加熱能回收段后高壓調溫水流程

中H2含量較高，在爆炸限以內，為了裝置的安全運行，高壓調溫水溫度控制在110～120 ℃之間，此時回水溫度在135 ℃以上，利用它加熱尿液，具有一定的利用價值。

3 結 語

在CO2汽提法尿素裝置中，各冷卻設備均通過循環水換熱，某些物料工藝上要求換熱后溫度較高，這將會使換熱后循環水溫度較高，導致冷卻設備內結垢，影響換熱效果，進而影響到系統的穩定運行。在實際生產中，據具體情況，對換熱后工藝上要求溫度較高的物料，應對該部分熱量予以回收，以達到節能降耗的目的。以上是筆者對實際生產中裝置熱能回收的一些認識，期待與同行們進行交流，如有不足之處，請指正。