尿素低壓系統工作原理與操作優化

張明磊

摘 要：低壓分解吸收系統的任務是將汽提塔來的經過減壓閃蒸的尿液進一步濃縮，去除未反應的氨和CO2，還有部分的水分，并通過低壓甲銨冷凝器冷凝回收生產出高濃度的甲銨液，再由高壓甲銨泵送回高壓系統，一方面維持高壓系統的H/C在一個正常的范圍內，以保證較高的二氧化碳轉化率，另一方面將回收的甲銨液轉化成尿素，維持一個較低的氨耗水平。本文對低壓系統工藝指標和常見事故進行分析，并分析了低壓系統的基本操作方法與優化，提高低壓系統效率及運行平穩率。

關鍵詞：低壓系統;回收;基本操作與優化

1 概述

尿素生產裝置采用世界上較先進的二氧化碳汽提法，具有流程短、能耗低和操作便捷等優點。而低壓循環系統操作對整個尿素裝置的穩定運行關系極大。低壓循環系統包括分解和冷凝吸收兩個工藝。本文主要對低壓系統的優化操作的方向進行簡單分析。低壓循環系統操作的總的要求是必須達到預計的甲銨分解率與總氨蒸出率，還要有好的冷凝吸收效率。其中最重要的是要保證整個尿素裝置的水平衡，即在保持上述效率的基礎上，返回高壓系統的水量要盡可能少。

2 低壓系統的工藝指標分析

2.1 低壓分解工藝指標的選擇

低壓分解工藝指標選擇與整個循環系統密切相關。在分解過程中，既要保證分解率，減少返回水量，又要防止副反應增加。

2.1.1 溫度的選擇

溫度高，雖然有利于分解反應進行，但采用過高的溫度≥140℃，將使副反應加劇。例如水解反應和生成縮二脲反應都隨著溫度升高≥140℃而加劇;溫度過低時，會增加閃蒸槽的負荷，隨閃蒸氣帶走的氨增多，增加解析系統負荷，而且閃蒸后溶液中含氨量增加，影響尿液泵操作。如果溫度低于130℃，則送往閃蒸槽去的溶液中將存在過多的NH3，這些NH3通過真空系統冷凝器送入氨水槽，需用解吸工序的蒸汽來回收，這就造成了額外的蒸汽消耗，同時這些NH3對蒸發工序也產生影響。

2.1.2 壓力的選擇

壓力愈低，分解反應進行的愈徹底。但分解出來的氣體要進入吸收部分，分解與吸收又要在同一個壓力等級下進行，所以分解壓力主要取決于低壓吸收的壓力。從低壓吸收工藝操作條件選擇可知，其壓力應選擇在0.25～0.35MPa。

2.2 低壓冷凝吸收工藝指標選擇

冷凝吸收工藝指標的選擇，首先要按照尿素裝置水平衡來確定甲銨液的組成;然后再根據該甲銨液的熔點確定吸收溫度（一般需高于熔點10～20℃進行操作）;最后再按溶液表面的平衡蒸汽壓決定吸收的最低操作壓力。在選擇時，當然還要綜合考慮高壓系統的CO2轉化率與返回水量、低壓分解的分解率與操作條件等各個工藝要求。

2.2.1 低壓吸收溫度

雖然溫度低有利于吸收，但對于濃度較高的甲銨液，溫度低容易析出結晶，因此吸收液的溫度一定要高于該甲銨液組成下的熔點溫度。選擇的操作溫度，一般應高于熔點溫度10～20℃。根據甲銨液組成的計算值，在NH3-CO2-H2O三元系飽和溶液相圖中可以查得該甲銨液熔點為51℃。考慮到操作上的安全，低壓甲銨冷凝器出口溫度選擇高于熔點20 ℃左右操作。

低壓吸收塔循環液中含CO2與氨較低（CO2與氨都在22～24%左右），其熔點在NH3-CO2-H2O相圖中查出為25～30℃，所以選擇進入該設備的吸收液溫度是45～50℃。

2.2.2 低壓吸收壓力

低壓吸收壓力一般在0.32～0.35Mpa，低壓吸收壓力決定于低壓甲銨冷凝器的NH3和CO2平衡，即精餾塔頂部移出的NH3和CO2。從精餾塔分解出的氣體混合物進入低壓甲銨冷凝器的NH3/CO2不能超過2.0。

NH3/CO2的不平衡是由精餾塔的工況決定的。為使縮二脲生成減少，分解溫度不能高到使氣提塔來的尿液中的NH3全部蒸出。

當幾乎全部CO2被蒸出時，進料中的一部分NH3仍保留在尿液中。低壓甲銨冷凝器中CO2的量上升，當解析頂部返回的稀甲銨混合液中多余的NH3不能中和低壓甲銨冷凝器中CO2時，可以采用補氨進行冷凝，以吸收全部的CO2。

3 低壓系統的優化調整方向分析

自開工以來低壓系統操作一直是本裝置的難點。在多年的操作下，尿素裝置對低壓系統進行了部分設備改造和工藝操作技術調整，此處僅就操作技術調整部分的優化作一下闡述，以更好的對低壓操作進行優化，從而提高低壓系統平穩率。

3.1 穩定低壓系統N/C

從工藝角度分析，低壓超壓主要原因為低壓系統N/C失調，一般表現為N/C低，氣相空間CO2多出時容易在V301頂部和出氣管線內產生甲銨結晶。自2008年起，尿素裝置逐漸提高高壓系統N/C，從以前的3.0提高到現在的3.05-3.1操作。高氨環境操作不但提高了高壓系統轉化率，也使低壓系統的N/C得到了提高，當然高氨環境操作也同時增加了回收系統的負荷，使解吸水解原料濃度超過了設計值，增加了解吸水解的操作負荷，也使解吸回流冷凝器液位槽V801中的溶液處于偏高的富NH3狀態，為全部回收這部分NH3以降低裝置NH3耗，由P802足量送入低壓甲銨冷凝器E303，富NH3的解吸回收液進入E303和循環分解來的貧NH3氣相混合冷凝已使低壓甲銨冷凝器的N/C達到了2.05以上，故也使低壓甲銨冷凝器無需再直接補純NH3，即可使低壓甲銨冷凝器的N/C保持在較穩定的狀態，現在V301氣相閥（PPV302）開度基本在50%-70%左右，低壓系統操作基本平穩。

3.2 現階段低壓系統V301易滿液原因分析和操作優化

3.2.1 原因

①甲銨泵轉速控制過低，與生產負荷不匹配

在低壓甲銨冷凝器中生成的甲銨液是經高壓甲銨泵（P301A/B）加壓后送入高壓合成系統。甲銨泵是一臺柱塞式泵，泵的打量與泵的轉速成正比。

正常生產中，假設甲銨泵轉速如果低于正常負荷，且轉速不變。那么多余的溶液無法送出去，造成低壓甲銨冷凝器液位槽（V301）滿液，此時就只能減少進入V301的溶液量，來降低V301液位。但是吸收溶液量不足造成低壓甲銨冷凝器濃度飽和，會使氨和二氧化碳無法繼續冷凝吸收，多余的氨和二氧化碳以氣體形式存在，勢必造成低壓系統超壓。

出現這種情況時，只有加入大量的工藝冷凝液進行稀釋，才能控制住壓力。但是大量的工藝冷凝液又會造成V301漫液最終進入氨水槽（V703）致使解析水解系統惡化。此時如果提高甲銨泵轉速，將稀釋后的吸收液送入高壓系統，又會造成高壓系統H2O/CO2高，使高壓系統反應惡化最終形成惡性循環，造成裝置能耗增加。操作中為避免形成以上狀況的惡性循環，操作上在已滿足低壓甲銨冷凝器吸收液量充足且低壓N/C合適的情況下（以化驗分析為準），應提高甲銨泵轉速至同負荷相匹配來防止V301長時間漫液。

②高壓長期高N/C環境操作

高壓長期高N/C環境操作不但提高了高壓系統轉化率，也使低壓系統的N/C得到了提高，當然高氨環境操作也同時增加了回收系統的負荷，使解吸水解原料濃度超過了設計值，增加了解吸水解的操作負荷，也使解吸回流冷凝器液位槽V801中的溶液處于偏高的富NH3狀態，為全部回收這部分NH3以降低裝置NH3耗，由P802足量送入低壓甲銨冷凝器E303的量就必須超出原設計值，這部分超出原設計值溶液量也必須提高甲銨泵轉速才能得到回收。

3.2.2 制定措施

根據分析的原因，制定以下措施：

①提高甲銨泵轉速

考慮到甲銨泵填料磨損造成的流量損失和高壓系統的高NH3操作使我們裝置整體需要回收的NH3偏高都需要通過高的甲銨泵轉速才能回收利用以降低裝置NH3耗，我們裝置現在的甲銨泵轉速控制必須高于原負荷匹配的轉速控制設計值才能滿足我們裝置現在狀況下的生產需要。

據此原生產負荷與低壓操作的建議對照表，已不能滿足裝置現在實際生產繼續優化的要求，根據現在實際生產狀況，由V301的化驗分析結果判斷，我們的V301中甲銨液濃度仍長期處于低于設計值的狀態，也就是說甲銨液濃度并未達到指標，當高壓H/C比分析結果偏高時，應通過關小或關閉FIC-302的進液以提高甲銨液濃度來降高壓H/C，而不是通過降低甲銨泵的轉速，來減少進入高壓系統的水量，從而避免形成惡性循環。

②低壓吸收液優化調整

非必要時不使用解吸塔給料泵（P703A/B）泵入的工藝冷凝液，而主要使用回流泵（P802A/B）泵入的來自回流冷凝器液位槽（V801）的貧甲銨液來作為吸收液。因為貧甲銨液濃度比解吸塔給料泵（P703A/B）泵入的工藝冷凝液要高且含NH3量高可較好的中和冷凝低壓分解來的CO2偏高的介質，避免V301氣相管線結晶堵塞，同時也相應提高了甲銨液濃度使其更接近原始設計值，可以使裝置整體操作更平穩。

通過主要使用回流泵（P802A/B）泵入的來自回流冷凝器液位槽（V801）的貧甲銨液來作為吸收液的另一個好處是能使我們裝置因高壓系統的高NH3操作造成的最終解析水解負荷偏高而需要回收的NH3能最大限度的得到回收，同時也保證了解析廢液的高合格率。

現行實際生產狀況也已證明由P802送入的解吸回收液就可完全滿足用于低壓甲銨冷凝器E303的冷凝吸收。

3.2.3 優化操作方向

①維持高壓系統高氨操作，降低NH3原料帶油對裝置全系統的不良影響，進而維持提高了低壓的N/C，穩定低壓的N/C，控制在2.05以上。

②控制好作為吸收液的工藝冷凝液的量，盡可能使用由P802A/B送來的甲銨液作為吸收液，使V301內甲銨液的濃度靠近設計值。

③控制好V301的液位正常，同時確保甲銨泵的正常運行，綜合考慮打量損失后轉速與負荷相對應。

④根據生產負荷和低壓甲銨液的濃度的變化，及時調整甲銨泵轉速，保證返回高壓系統的含水量在合理范圍，使裝置氨耗維持在較低的水平。

⑤控制好低壓系統的壓力，避免不必要的放空，保持較低的氨耗。