CO2汽提法尿素工藝流程優化對產品中縮二脲含量的影響探究

位 朋，李紅明

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉 453731)

當尿素作為農用肥料使用時，其縮二脲含量過高會危害植物的生長，尤其是會影響植物種子的發芽[1]，因此，國家標準《尿素》(GB 2440—2001)規定優等品尿素含縮二脲質量分數≤0.9%。此外，低縮二脲含量的尿素還可用于生產車用尿素，增加了尿素產品的利用途徑。

1 縮二脲的生成原理及影響因素

縮二脲是由尿素脫氨生成，理論推導和試驗數據均證實，尿素脫氨生成縮二脲的機理存在2種反應[2]。

(1)2個尿素分子脫氨直接生成縮二脲，其反應式為：

2NH2CONH2=NH2CONHCONH2+NH3

(2)尿素分子脫氨生成中間產物異氰酸，異氰酸再與尿素縮合生成縮二脲，其反應式為：

NH2CONH2=HNCO+NH3

HNCO+NH2CONH2=NH2CONHCONH2

溫度、氨分壓、停留時間和尿液濃度都是影響產品縮二脲含量的因素。通常情況下，溫度越高、氨分壓越低、停留時間越長、尿液濃度越高，產品中縮二脲含量越高。

在尿素生產過程中，縮二脲的生成是不可避免的，但由于生產過程中各工段工藝特點、操作參數的不同，縮二脲的生成量也不完全相同[3]。在高壓系統，縮二脲的生成主要受溫度和過剩氨的影響，其生成質量分數一般為0.2%～0.3%；在低壓循環系統，由于氨分壓降低而溫度較高，縮二脲生成質量分數一般為0.1%～0.2%；在蒸發造粒系統，縮二脲的生成主要受加熱溫度和停留時間的影響，其生成量最多，質量分數可以達到0.3%～0.5%[2]。

2 增設簡易中壓段對尿素產品中縮二脲含量的影響

2.1 簡易中壓段概述

中壓絕熱閃蒸技術通過增設簡易中壓段，以提高后工段(中壓工段和低壓循環系統)的分解和吸收能力來降低高壓系統汽提塔的汽提效率，達到降低汽提用2.5 MPa蒸汽消耗和提高產品質量的目的。新增簡易中壓段流程如圖1所示：在尿素高壓系統汽提塔與低壓循環系統精餾塔之間增設中壓閃蒸罐，利用尿液減壓后的閃蒸氣相與來自低壓循環系統的甲銨液混合，氣相產生冷凝并部分發生甲銨生成反應，冷凝熱及反應放熱在預蒸發器中加熱閃蒸來尿液。

圖1 CO2汽提法尿素裝置新增簡易中壓段流程示意

2.2 汽提塔汽提效率對產品縮二脲含量的影響

增設中壓段后，相當于增強了中、低壓系統分解和吸收的能力，可使更多的未轉化成尿素的甲銨、游離氨在后工段完成分解和吸收，為汽提塔汽提效率的降低創造條件。

為了分析汽提效率對尿素產品中縮二脲含量的影響，在CO2汽提法尿素裝置增設中壓段以后進行了試驗測試，即通過逐步降低汽提用蒸汽壓力來逐步降低汽提塔的汽提效率，觀察汽提塔出液溫度的變化情況，同時分析檢測汽提塔出液中的氨含量和尿素產品中的縮二脲含量，試驗結果如表1所示。

表1 汽提效率與尿素產品中縮二脲含量的關系

從表1可以看出：汽提用蒸汽壓力逐漸降低以后，汽提塔的汽提效率逐漸下降，汽提塔出液溫度隨著汽提效率的下降而下降，汽提塔出液氨含量則隨著汽提效率的下降而上升，尿素產品中縮二脲含量隨著汽提效率的下降而下降；汽提用蒸汽壓力從2.00 MPa(表壓)下降至1.80 MPa(表壓)，汽提效率從80.2%下降至72.1%，尿素產品中縮二脲質量分數下降0.04%。

溫度越低，尿素產品中縮二脲含量越低；氨分壓越高，尿素產品中縮二脲含量越低。因此，汽提效率下降后，隨著汽提塔出液溫度下降和汽提塔出液氨含量的升高，對尿素產品中縮二脲含量的降低均產生了積極的影響。

3 精餾塔循環加熱器尿液停留時間對尿素產品中縮二脲含量的影響

精餾塔循環加熱器承擔尿液中剩余甲銨的分解和蒸發任務，通常設定其出液溫度為135 ℃。斯塔米卡邦公司的CO2汽提技術精餾塔循環加熱器列管規格為Φ19 mm×2 mm，而國產CO2汽提尿素技術精餾塔循環加熱器列管規格大多為Φ25 mm×2 mm。生產實踐表明，兩者均可以達到將精餾塔出液溫度提高至135 ℃的目的，但尿液在循環加熱器列管中的流速和停留時間卻相差甚遠。

以400 kt/a尿素裝置為例，2種類型的循環加熱器參數對比如表2所示。

表2 2種類型的循環加熱器參數對比

從表2可以看出，斯塔米卡邦工藝的尿液流速是國產工藝的3倍，停留時間則不到國產工藝的一半，縮短了62.5 s。

對精餾塔循環加熱器更換為短停留時間列管前后的尿素產品中縮二脲含量進行了統計，結果如表3所示。

表3 精餾塔循環加熱器列管更換前后的尿素產品中縮二脲含量

由于精餾塔出液中含氨質量分數已經下降至2.3%，氨分壓已經極大下降，加之該處溫度較高，使得精餾塔成為生成縮二脲的主要場所之一，而縮短停留時間則是控制精餾塔縮二脲生成量的有效途徑。從表3可以看出，尿液在精餾塔內的停留時間縮短62.5 s后，尿素產品中縮二脲質量分數可下降0.03%。

4 蒸發工段新增尿液槽近路對尿素產品中縮二脲含量的影響

CO2汽提法尿素裝置的蒸發流程為：閃蒸(預蒸發)下液首先進入尿液槽，然后通過尿液泵被送至一段蒸發，再通過一段蒸發與二段蒸發之間的U形管自流至二段蒸發，二段蒸發出口的熔融尿液通過熔融泵送至造粒塔上部高速旋轉的造粒噴頭，造粒噴頭噴出的液滴在造粒塔內下降過程中冷卻成尿素顆粒。

由于蒸發系統的尿液中氨分壓進一步降低，加之蒸發工段溫度較高，尿素產品中縮二脲含量對停留時間更加敏感。為了獲得低縮二脲含量的尿素產品，必須縮短尿液在蒸發工段的停留時間[4]。

為了縮短尿液在蒸發工段的停留時間，除了對一蒸加熱器和二蒸加熱器進行堵管[5]以及提高上塔管線尿液流速外，還可以增設閃蒸(預蒸發)下液至一段蒸發U形管線，在正常生產過程中閃蒸(預蒸發)下液可以不經過尿液槽而直接進入一段蒸發，從而縮短尿液停留時間。蒸發工段尿液槽近路管線設置如圖2所示。

尿液槽近路管線設置后，尿素產品中縮二脲質量分數降低0.02%，同時節省了尿液泵電耗。

5 展望

鑒于工藝特點，CO2汽提工藝相對于水溶液全循環法工藝和氨汽提工藝存在產品縮二脲含量相對偏高的不足，但隨著近年來CO2汽提尿素工藝技術的不斷進步，在新建裝置和改造裝置中增設中壓工段，汽提效率向更低方向發展，故CO2汽提工藝生產的尿素產品縮二脲含量開始出現不同程度的下降。國外尿素專利商最新開發的超低能耗CO2汽提技術可將汽提塔的汽提效率降至65%，出汽提塔尿液溫度將降至166 ℃，尿素產品中縮二脲含量將會得到進一步下降。

圖2 蒸發工段尿液槽近路管線增設示意