CO2汽提法尿素工藝降低蒸汽消耗的根本途徑

孫衛忠

山東華魯恒升化工股份有限公司

CO2汽提法尿素工藝降低蒸汽消耗的根本途徑

孫衛忠

山東華魯恒升化工股份有限公司

隨著工農業的高度發展，世界各國對尿素的需求量逐步增大，由此帶來的能源利用與環境保護問題也相應增加。我國是尿素生產大國，建廠數為世界之最，生產能力和產量也居世界首位。目前，我國能源工業面臨著經濟增長、環境保護和社會發展的巨大壓力，因此，尿素合成工藝節能新技術的開發及利用也越發引起人們的關注。盡管CO2汽提法尿素工藝是市場占有率最大的尿素工藝，但經歷數十年的發展，蒸汽消耗始終無法大幅度降低。本文就對CO2汽提法尿素工藝降低蒸汽消耗的根本途徑進行分析和探討。

CO2汽提法；尿素工藝；蒸汽消耗

1 工藝流程

CO2汽提尿素工藝高壓圈包括尿素合成塔、汽提塔、甲銨冷凝器、高壓洗滌器和高壓噴射器；高壓液氨作為甲銨噴射器的驅動流體，將甲銨液增壓返回合成塔。CO2氣經CO2壓縮機增壓進入汽提塔。汽提塔出口液相送入低壓分解系統，汽提塔出口的汽提氣和甲銨噴射器來的甲銨液一起進入甲銨冷凝器，甲銨冷凝器由氣、液2根管道分別將氣體、液體送入尿素合成塔，合成塔中的尿液自流到汽提塔。合成塔氣相出口送入高壓洗滌器，高壓洗滌器出口的氣體含少量的氨和CO2，送入低壓吸收塔，用工藝冷凝液及蒸汽冷凝液吸收，吸收后的尾氣排入大氣中。后工序僅設置了低壓分解吸收系統；真空蒸發系統包括了2段真空蒸發和冷凝系統，并設置了工藝冷凝液處理工序，真空蒸發后的尿液送入最終造粒工序。

2 影響CO2汽提法工藝蒸汽消耗的因素

2.1 CO2轉化率

影響尿素合成塔CO2轉化率的因素主要有溫度、N/C比、H/C比和原料CO2氣體純度等。尿素合成反應分2步進行，第1步是原料NH3和CO2生產甲銨的快速放熱反應，第2步是甲銨脫水生成尿素的緩慢吸熱反應，在一定溫度范圍內，提高反應溫度就能夠提高CO2轉化率和生成尿素的反應速度。合成反應需要在液相中進行，提高反應溫度的同時還要提高反應壓力、增加動力消耗，然而反應溫度提高，介質的腐蝕性加劇，需要更昂貴的耐腐蝕材料。CO2轉化率隨N/C比的增加而增加，在通常工藝條件下，N/C比每增加0.1，轉化率提高0.5%～1.0%。N/C比增加，則合成的平衡壓力增高，動力消耗增加，同時過剩氨的循環量也增加，降低了合成塔的反應空間。N/C比過高，則低壓循環負荷增加，帶入高壓圈的水量增加，高壓圈H/C比增加。而H/C比增加對合成反應是不利的，在一定溫度和N/C比下，H/C比每增加0.1，則CO2轉化率要下降1.5%～2%。CO2氣體中的惰性氣體成分能降低氣相中氨的分壓，減少了氨在液相中的溶解度，根據研究人員測定，純度在86%～100%范圍內，每降低1%，尿素合成轉化率就降低約0.6%，所以，純度越高轉化率越高。

2.2 汽提效率通常汽提塔的汽提效率

當尿素合成塔出液組成不變時，汽提效率越高，低壓循環系統負荷就越低，返回高壓圈的水量越少，對尿素合成反應有利，但是汽提塔的蒸汽消耗就高。反之，降低汽提效率，汽提塔蒸汽消耗降低，低壓循環負荷增加，返回高壓圈的水量增加，H/C比增加，造成CO2轉化率降低。所以汽提塔的汽提效率不是越高越好，適當降低汽提效率可以降低2.5MPa(a)蒸汽的消耗。但是，由于傳統CO2汽提法工藝除高壓圈外，只有低壓分解回收系統回收的甲銨液的含水量較高，因此通過降低汽提效率來降低2.5MPa(a)蒸汽消耗的量是有限的。

3 降低蒸汽消耗的途徑

通過對影響蒸汽消耗的因素的分析，高壓圈使用耐腐蝕的超級雙相鋼材料，操作溫度已經接近汽提法尿素工藝的操作上限，防腐加氧量已經降得很低，甚至做到了無氧操作。N/C比提高了0.1%，則H/C比相應的也提高了約0.09%，兩者對CO2轉化率的影響基本抵消掉，再提高N/C比對降低蒸汽消耗已無意義。

根據NH3-CO2-H2O三元相圖可知，回收壓力越高，在甲銨液的含水量越低，比如在0.3MPa(a)下回收的甲銨液的水含量約32%，而在1.8MPa(a)下回收的甲銨液的水含量約25%，粗略計算回收相同量的NH3和CO2，返回高壓圈的水量可以減少約30%。因此可以通過增加一個中壓段，合理分配高壓分解回收、中壓分解回收和低壓分解回收的負荷，將部分高壓和低壓的負荷轉移至中壓，既降低了汽提塔的蒸汽消耗，又可以解決返回高壓圈的水量增加過多的問題，甚至可以做到返回高壓圈的水量不增加。無論是高壓分解、中壓分解，還是低壓分解，甲銨分解都需要熱量，要么外部輸入(加熱分解)，要么依靠減壓閃蒸(氣化潛熱提供熱量)，因此有兩種中壓段的流程。對于傳統的CO2汽提法尿素工藝，因高壓冷凝器副產的低壓蒸汽溫度太低，無法作為中壓分解的加熱熱源，只能設置中壓閃蒸流程。由于無中壓加熱熱源，中壓的負荷就受到限制，汽提塔的負荷就不能降低太多，Stamicarbon開發的帶中壓的Urea2000plus工藝流程就是此種流程，每噸尿素的2.5MPa(a)飽和蒸汽消耗可以降低至約850kg。而另一種是有合適的中壓分解熱源，比如高效合成、低能耗尿素技術(THESES)和ACES21工藝。這兩種工藝其實也是屬于CO2汽提工藝的范疇，因其高壓冷凝設備結構獨特，能夠副產0.6MPa(a)及以上的飽和蒸汽，可以用作中壓分解使用，所以可以設置在中壓分解加熱器的中壓段。由于有中壓分解加熱熱源，可以將汽提塔負荷更多地轉移至中壓系統，可以節省更多的2.5MPa(a)蒸汽，每噸尿素的2.5MPa(a)飽和蒸汽消耗可以降低至750kg以下。

結語

隨著尿素市場競爭的加劇和節能、減排越來越受到世人的重視，降低尿素裝置的蒸汽消耗是CO2汽提法尿素工藝努力發展的目標，增加中壓段是大幅度降低蒸汽消耗的必然選擇。

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