大型尿素裝置技術改造新動向

王 麗

(中石化寧波技術研究院有限公司 浙江寧波 315103)

大型尿素裝置技術改造新動向

王 麗

(中石化寧波技術研究院有限公司 浙江寧波 315103)

分析了我國大型尿素裝置的技術現狀，介紹了大型尿素裝置的技術改造情況及節能優化措施。大型尿素裝置采用新工藝、新設備后，降低了裝置投資成本和消耗，提高了裝置的安全可靠度；通過優化系統工藝條件、優化裝置開車過程以及節能減排和環保治理，提高了設備運轉率和產品質量，延長了設備的使用壽命，實現了裝置零排放。

尿素 徑流式尿素合成塔 深度水解 改造

1 大型尿素裝置技術現狀

2013年，我國尿素生產能力達80 700 kt/a，尿素產量67 070 kt，同比增長7.9%，產能利用率83%。2014年，尿素新增與退出產能相當，總產能基本無增長，保持在80 700 kt/a左右，尿素產量達到69 950 kt。化肥工業“十二五”發展規劃的發展目標是到2015年尿素產能達78 000 kt/a，尿素產量達到70 000 kt，產能過剩問題比較突出[1]。目前，大型尿素裝置已投產53套，形成尿素產能約31 150 kt/a；近2年新增大型尿素裝置15套(產能9 510 kt/a，均以煤為原料)，由于新增產能過快，總產能已趨于過剩，尿素價格持續下滑。在傳統氮肥產能過剩日趨嚴重、裝置開工率逐年下降、市場供需矛盾進一步增大的情況下，氮肥企業間競爭呈現白熱化，已有多套尿素裝置停產，并將合成氨裝置改為制氫裝置。在這種情況下，對尿素裝置進行技術改造以提高產能利用率、降低消耗，是降低尿素生產成本的有效途徑之一；另外，還應緊跟農業發展的需求進行氮肥品種調整，積極參與緩控釋肥、水溶性肥料、各類專用肥等增效環保新型肥料的開發與生產，積極開發氮肥增效環保新技術和新產品，助推氮肥產業轉型升級[2]。

我國大型尿素裝置生產技術總體處于世界先進水平，新建裝置全部采用先進成熟的汽提工藝，其中二氧化碳汽提工藝約占55%，氨汽提工藝約占12%，水溶液全循環工藝約占32%[3]。裝置規模趨于大型化，更加注重規模效應，500 kt/a以上規模產量所占比例大幅增加，新增產能大型裝置占75%以上。各種新技術的應用主要有以下幾個方面：①池式冷凝器/池式反應器技術的應用，尿素合成塔徑流式塔盤的應用；②國產化氨泵、甲銨泵的應用；③二氧化碳壓縮機組Tricon TS3000控制系統的應用；④新型耐蝕材料的應用，如Safurex雙相不銹鋼、雙金屬材料(外管為25- 22- 2CrNiMo，內管為鋯材)、全鋯材、DP28W等；⑤用于改造和新建裝置的材料升級，如解吸塔填料材質由304 L升級為316 L；⑥徑流式尿素合成塔技術用于新建裝置和老裝置合成塔塔盤改造；⑦全冷凝反應器應用于大型裝置中。

2 大型尿素裝置技術改造情況

2.1 斯塔米卡邦尿素改造技術

斯塔米卡邦新的尿素裝置概念：在高效塔板、池式冷凝器和池式反應器開發的基礎上，新建裝置的資本投資和運行支出降至最低，保持產品的高質量和低排放，成為無需維護的裝置。已經實現的改進：降低合成部分設備高度，減少了資本投資；優化汽提效率，降低蒸汽消耗，從而降低了運行費用；合成部分采用了Safurex材料，實現無氧操作[4]。

2.2 徑流式尿素合成塔技術

徑流式尿素合成塔(CDFR)又稱為第2代尿素合成塔，其塔板為圓缺形，兩塔板之間構成徑向(水平)流動通道。氣相流至凸起被阻攔，通過孔以氣泡的形式進入液相，形成鼓泡區域，在此氣液發生接觸，進行甲銨生成反應。液相流至缺口向上流動，經凸起頂部進入徑向流動通道，進行尿素生成反應[5]。由n塊塔板組成n個徑向水平通道，氣液兩相在設定的通道內平行流動。由于塔內流體的流動是由進塔物料所受外功所推動，只要外功存在(泵和壓縮機不停車)，始終推動物料流體沿徑向水平前進而不存在反向流動，即無返混現象。由此可見，第2代尿素合成塔與第1代尿素合成塔在流體力學上完全不同。

CDFR在結構上采用無孔塔板，塔板與襯里之間無環形間隙，氣液兩相在塔內徑向同向流動。在流體力學上，氣體和液體兩相混合物在相鄰兩塊塔板之間平行同方向流動，氣體走凸起通道，液體走弓形缺口通道。CDFR成功解決了二氧化碳轉化率低、蒸汽消耗高的問題，該技術于2007年申請專利[6]，至2014年應用該技術的裝置達20套，其中在大型裝置上應用的有山東華魯恒升化工股份有限公司日產尿素1 400 t擴產至1 800 t塔盤改造(2套二氧化碳汽提法)、河南中原大化集團有限公司氨汽提法1套。

2.3 組合尿素合成塔塔盤

2011年，大連松海石化檢修工程有限公司對中海石油天野化工有限責任公司的尿素合成塔進行了分析比較，確定保留原有10層篩板塔盤，在塔底部增加3層徑流式塔板，材質由原尿素級316 L(mol)改為抗腐蝕性能更好的25- 22- 2不銹鋼。尿素合成塔塔盤改造后，二氧化碳轉化率平均值約為62.26%，比改造前提高了5.63%；汽提塔的汽提效率提高了2.74%；噸尿素蒸汽耗降低136 kg、氨耗降低2.5 kg，達到噸尿素氨耗的設計值(568 kg)；系統運行平穩，操作彈性增大，取得了明顯的經濟效益。

3 尿素裝置的節能優化與環境治理

3.1 優化工藝，降低消耗

尿素裝置工藝優化內容：①針對不同負荷工況進行的優化；②壓縮機和大機泵驅動蒸汽/電力的合理利用；③加強解吸廢液、蒸汽冷凝液和流化床造粒系統洗滌液的回收利用；④優化升溫鈍化流程，縮短開車時間；⑤優化解吸塔開工程序，提高填料鈍化效果；⑥改造解吸放空管線，控制高負荷和開工時的解吸壓力，減少放空損失。

3.2 新增深度水解系統

目前運行的氨汽提和二氧化碳汽提尿素裝置解吸氣經精餾塔填料段后，出口氣中w(H2O)在11%～15%，有5 400～5 600 kg/h的水在此冷凝而不進入尿素合成塔。如新增深度水解系統，通過精餾操作，使絕大部分水蒸氣冷凝并回收其熱量后，高濃度的氨與二氧化碳氣體經吸收、冷凝后返回尿素合成塔，可主動調控尿素合成塔的水碳比在最佳范圍內運行，從而達到優化整個尿素系統的目的。

深度水解系統投用后，可取得以下效果：①合成塔水碳比降低0.15～0.25，二氧化碳轉化率提高2%以上，產量可提高約5%，如同時對裝置中“瓶頸”設備改造，可提高產量20%；②在不增加中壓蒸汽消耗的條件下，可節約低壓蒸汽消耗約10 t/h；③減少進入尿素合成的水量約5.7 t/h，可延長合成塔內反應物料的停留時間2～5 min，有利于提高轉化率；④降低了系統的蒸汽消耗，冷卻水消耗量相應減少。

如果將深度水解系統的氣相與循環系統耦合，通過精餾操作使絕大部分水冷凝在尿液中，可大幅降低進尿素合成塔的水量，即可主動控制尿素合成塔的水碳比，大型尿素裝置產能可以提高20%～30%。

3.3 節水減排

主要的節水減排措施：①回收機泵軸承箱冷卻水、填料密封水和取樣沖洗水；②利用吸收式升溫熱泵回收低品質熱能，減少循環冷卻水用量，補充低壓采暖蒸汽；③尿素蒸發二次蒸汽洗滌，回收夾帶的尿素。

3.4 穩定產品質量

穩定產品質量的措施：①控制蒸發系統溫度和真空度，嚴格控制尿素水含量，添加甲醛提高粒子強度，調整造粒噴頭轉速，定期清理和倒換噴頭，及時處理噴頭小孔的毛刺，改進造粒塔通風狀況；②通過選用新型高效造粒噴頭、改進大顆粒造粒機清理方式、回收造粒裝置廢氣等措施減少排氣粉塵量；③采用尿素造粒塔粉塵回收技術，降低并回收粉塵[7]。如：中國石油大慶石化公司化肥廠采用的超聲波和高分子納米不粘涂層技術有效解決了刮料機粉塵黏結形成“駝峰”的問題。云南云天化股份有限公司將蒸汽噴射器改為水力噴射器，使真空度穩定性增強，降低了蒸汽消耗；成品包裝采用袋式除塵器，設置風選除塵系統；通過改進造粒機清理方式、采取廢氣回收措施、增設粉塵回收裝置，可將造粒塔排放氣中粉塵質量濃度降至50 mg/m3以下，達到排放標準要求。

3.5 加強環境治理

通過采取改造解吸塔塔盤擴大處理能力、保證工藝冷凝液水解解吸裝置穩定運行等措施，確保出水符合鍋爐給水的要求。對于裝置中其他廢水的處理也應高度重視，如中國石油寧夏石化公司化肥廠通過增設密閉回收系統回收填料密封水和取樣沖洗水、增設事故排液貯槽，實施廢水回收；優化開停車過程控制，規范操作，減少生產過程中的排放量。

4 新技術、新材料的應用

4.1 全冷凝反應器技術

全冷凝反應器是高效合成、低能耗尿素工藝技術(THESES)的關鍵設備，集甲銨冷凝器和尿素合成于一體，其下部和上部分別為冷凝段和反應段。冷凝段為管式冷凝器，工藝物料(氨、二氧化碳和甲銨等氣液混合物)由下至上在管內冷凝反應并放出熱量；反應段內主要進行甲銨脫水生成尿素的反應，其出口尿素質量分數為26%～30%，可有效分流尿素合成塔的負荷，縮小尿素合成塔容積，有利于實現尿素裝置的大型化，最大產能可達4 000 t/d[8]。

THESES工藝的本質是二氧化碳汽提法，但克服了傳統二氧化碳汽提法工藝框架過高、操作維護不便、蒸汽消耗較高等不足。THESES工藝的大型高壓設備完全可以國產化，裝置的總投資遠低于引進的國外著名專利商的最新技術。

4.2 新型耐蝕材料及技術

在新增或更新設備上采用新型耐蝕材料，可以提高設備(特別是高壓靜設備)的耐蝕性能，延長其運行周期。目前，國內已有10多套裝置使用Safurex材料的汽提塔或池式冷凝器。采用新型池式冷凝器工藝更新改造傳統二氧化碳汽提工藝，使裝置的安全穩定性和二氧化碳轉化率均有所提高，如中石油寧夏石化公司化肥廠第2套尿素裝置采用該工藝對原斯那姆氨汽提工藝進行擴能改造，成功實現了2種工藝的有機結合[7]。

4.3 新型高效塔盤

新型高效塔盤是對合成塔部分老塔盤進行更換的理想選擇，如卡薩利公司、斯塔米卡邦公司以及浙江工業大學等的塔盤和相關技術服務為企業提供了幫助，可根據裝置實際運行情況進行合理配置。中石化安慶分公司通過采用浙江工業大學生產的波形高效節能塔盤對合成塔內老篩板塔盤進行改造，不僅提高了二氧化碳轉化率，而且減輕了汽提塔和中、低壓系統的負荷，在降低尿素生產裝置能耗與物耗方面發揮了較大作用[7]。

5 結語

大型尿素裝置采用新工藝、新設備，不僅降低了裝置投資成本和消耗，而且提高了裝置的安全可靠度；通過優化系統工藝條件和優化裝置開車過程，提高了設備運轉率和產品質量；通過采用高壓設備在線腐蝕檢測和維修技術，提高了設備的使用壽命；通過節能減排和環保治理，實現了裝置零排放。

[1] 原野.2013年尿素市場分析及2014年展望[J].中國化肥信息，2013(49)：6- 10.

[2] 佚名.尿素硝酸銨溶液助推氮肥行業轉型升級[J].石油和化工節能，2014(3)：36- 37.

[3] 孫寶慈.國內外尿素生產及技術進步綜述[J].大氮肥，2009(1)：1- 9.

[4] 劉增勝.大型尿素裝置節能技術改造綜述[J].化肥工業，2011(6)：7- 12.

[5] 程忠振，池建忠.徑流式塔盤在尿素裝置中使用情況[J].氮肥技術，2013(6)：8- 14.

[6] 程忠振，余志文，劉金亮.徑流式尿素合成塔的發明與應用[J].化肥設計，2009(1)：14- 17.

[7] 雷永杰.第十七屆全國大型尿素裝置技術年會總結[J].大氮肥，2012(6)：431- 432.

[8] 夏炎華，孫喜.尿素合成新技術——高效合成、低能耗尿素技術[J].大氮肥，2014(Z1)：1- 5.

New Trends of Technical Renovation of Large- Scale Urea Plants

WANG Li

(SINOPEC Ningbo Research Institute of Technology Co., Ltd. Zhejiang Ningbo 315103)

The current technical situation of large- scale urea plants in China is analyzed, and the technical renovation and energy saving and optimization measures of large-scale urea plants are introduced. After large-scale urea plants adopt new process and new equipments, costs of investment of plants are reduced, safety reliability of plants are increased; by optimization of process conditions of system and startup procedure of the plants, and energy saving and emission reduction and environmental protection treatment, equipment operation rate and product quality are improved, and the service life of equipment is prolonged, zero discharge of the plant is realized.

urea radial flow type urea reactor depth hydrolysis renovation

TQ441.41

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1006- 7779(2016)06- 0031- 03

2015- 06- 18)

本文作者的聯系方式：wangli.snec@sinopec.com