尿素裝置循環系統存在問題分析及解決方案

劉平（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

1 概述

我廠尿素裝置采用斯塔米卡邦改良二氧化碳汽提工藝，具有流程短、能耗低和操作便利等優點。循環回收系統包括低壓系統、常壓系統、蒸發及水解解析系統，循環系統的作用是回收高壓合成系統未反應的氨與二氧化碳，并將其送回高壓系統,提高氨和二氧化碳的利用率。循環系統的穩定運行對整個尿素裝置的能耗水平、生產能力及環保都有較大的影響。

2 循環系統問題分析

自原始開車以來，裝置在高負荷運行時，低壓系統一直存在壓力超高的問題。在性能考核期間，通過降低高壓系統壓力從14.5MPa將至14.0MPa，降低高壓調溫水溫度，提高汽提效率等措施，才確保通過考核。但以此也帶來常壓系統壓力高，水解解析負荷重等問題，循環系統設計指標與運行指標對比表如表1所示。

表1 循環系統設計指標與運行指標對比表（90%負荷）

自開車以來低壓系統操作一直是裝置的難點，也成為了裝置高負荷運行的瓶頸問題。因低壓、常壓系統壓力高，出氣管線經常堵塞，其尾氣排放NH3 排放指標也存在超標的風險，同時因水解解析負荷高，中壓及低壓蒸汽消耗較設計增加2t/h。前些年由于合成裝置原因，尿素裝置一直在90%左右負荷運行，低壓超壓的問題也一直未解決。隨著裝置高負荷運行的需要以及環保排放指標的趨嚴，尿素裝置低壓系統壓力高的問題需要盡快解決。

2.1 高壓系統

高壓系統由4臺高壓設備組成,分別為合成塔、高壓甲銨冷凝器、汽提塔和高壓甲銨洗滌器。我廠是斯塔米卡邦第一套采用池式冷凝器工藝2700t/d 的尿素裝置，工藝包是在原3052 二氧化碳汽提裝置基礎上模擬完成的，部分設計參數不盡準確。投入運行后發現，設備的操作彈性小，實際運行參數較設計參數有較大差異。

通過對高壓系統合成塔出液和汽提塔出液分析、計算，高壓系統轉化率較設計值偏低，汽提效率基本能達到設計要求。高壓甲銨洗滌器出氣溫度偏高30℃，高調水入口溫度從設計131℃將至116℃。因高壓系統壓力降低，在一定的生產工藝條件下，惰氣總量是一定的，NH3、CO2平衡分壓降低，導致更多NH3、CO2到高壓洗滌器中冷凝。雖然高調水溫度的降低有利于高壓洗滌器的NH3、CO2冷凝，但仍然有更多的NH3、CO2到4bar吸收系統，在這里吸收的氨增多，從低壓返回高壓系統的甲銨液也增加，即返回高壓系統的水增加，既增加循環回收系統的符合，又使高壓水碳比升高。

對高壓系統而言，提高系統壓力有利于提高轉化率，同時也能降低高壓洗滌器及低壓系統負荷。

2.2 低壓系統

從精餾塔來的氣相混合物與解吸回流液、常壓稀甲銨液以及氨水槽工藝冷凝液在低壓甲銨冷凝器中冷凝，管側通過低壓調溫水換熱，低壓甲銨冷凝器中的甲銨液溢流至低壓甲銨冷凝器液位槽,由高壓甲銨泵送回高壓系統。低壓系統設計參數與實際參數對比表2所示。換熱器前后實際溫差為5.5℃，實際壓差為40KPa，較設計值偏差較大。

表2 低壓甲銨冷凝器設計參數與實際參數對比表（2019年12月數據）

通過對低壓甲銨冷凝器熱負荷計算，設計熱負荷為：

實際熱負荷為：

上述計算可以看出低壓甲銨冷凝器沒有達到設計換熱能力，只有設計負荷58%。工藝做過多次的調整，試圖提高該換熱器的換熱效率，如將低調水流量從1538t/h提高至1780t/h，低調水溫度從55℃將至51℃，但收效甚微。

低壓甲銨冷凝器是液相侵沒式換熱反應器，殼側充滿甲銨溶液，氣相經底部汽氣體分布器均勻分布后以鼓泡的方式進入液相。列管式換熱效率降低的原因主要有列管結垢、氣體分布不均及不凝氣多等原因。因低壓調溫水使用蒸汽冷凝液，且在歷年大修中，都對列管進行水射流清洗，并未發現結垢嚴重的情況，在對殼側進行過檢查中，也未發現其殼側有結垢現象。

圖1 改造后流程

通過以上分析，初步懷疑低壓甲銨冷凝器換熱效率低的原因主要是不凝氣量高于設計工況，同時試驗也驗證了不凝氣多是導致換熱效率下降的原因。在裝置90%負荷運行時，我們逐步增加低壓甲銨冷凝器吸收水量，發現隨著吸收水量的增加，低壓調溫水進出口溫差也隨著增加，當吸收水量從1.0t增加到4.0t 以上時，低壓調溫水進出口溫差基本達到設計溫差。以上試驗說明，低壓甲銨冷凝器換熱能力是能夠滿足設計條件的，但由于運行工況的改變，不凝氣的增加，其換熱效率下降。

針對此問題，我們與國內同規模、同類型裝置進行比較，發現該設備換熱面積比我廠大20%左右，其換熱能力基本能達到設計要求。

3 解決方案

3.1 工藝優化措施

3.1.1 提高高壓轉化率、分解率

提高高壓系統氨碳比，提高合成系統轉化率，按設計值高限將高壓系統氨碳比控制在3.1～3.2，氨碳比每增加0.1，轉化率將提高0.5%～1.5%。適當提高高壓汽提塔加熱蒸汽壓力，提高汽提塔汽提效率，減少進入低壓系統的未反應完的甲銨。

3.1.2 提高低壓系統氨碳比

適當增加低壓甲銨冷凝器液氨加入量，將低壓甲銨冷凝器氨碳比提高至2.05 以上，有利于緩解低壓超壓的問題，降低低壓系統壓力。

3.1.3 提高低壓甲銨冷凝器換熱效率

將低壓調溫水溫度由設計55℃降至51℃，增大低壓甲銨冷凝器管側與殼側溫差，增大低壓調溫水循環量，將循環量從1600t/h提高至1780t/h，提高傳熱效率。

3.2 技術改造措施

1）結合尿素裝置高壓汽提塔更新改造，重新評估低壓系統存在的問題，提出從提高合成轉化率及增加低壓吸收效率兩方面入手。

影響高壓合成轉化率的因素有壓力、溫度、惰氣含量、氨碳比、水碳比等。提高壓力有利于提高合成轉化率。更新汽提塔過程中，提出在汽提塔更新改造后，高壓系統要恢復14.5MPa的設計操作壓力，同時汽提塔汽提效率維持不變。為達到此要求，新汽提塔換熱管數從3783 增加到3977，換熱面積增加約110m3。換熱管、襯里及內件材質均升級為safurex，高壓鈍化空氣含量預計可以降低至0.4%，高壓系統壓力不變，系統惰氣含量越低，NH3、CO2平衡分壓越高，合成塔內反應混合物的沸點相應提高，即提高了反應溫度，提高了尿素平衡轉化率。通過提高壓力和減少惰氣兩方面的措施，提高高壓系統轉化率。

2)增加低壓甲銨預冷器,低壓甲銨冷凝器原設計熱負荷為71GJ/h，而現在熱負荷僅45GJ/h，通過對高壓汽提塔更新后的衡算，在原低壓甲銨冷凝器前串聯一臺低壓甲銨預冷器，冷卻介質為低壓調溫水。改造后流程如圖1所示。

改造只需新增一臺低壓換熱器，并將低壓甲銨冷凝器中換熱后的低壓調溫水串入新增預冷器管側，解決原低壓甲銨冷凝器換熱能力不足的問題。以上技術改造方案將在裝置檢修期間實施。

4 結語

為解決尿素裝置循環系統存在的問題，提出高合成轉化率和增加低壓甲銨預冷器的方案。工藝上通過提高高壓系統壓力、減少惰性氣體加入量、提高氨碳比等一系列措施，提高了合成系統的轉化率，降低低壓、常壓系統的負荷。技術改造上通過數據分析和實踐檢驗，確定了增加低壓預冷器，降低低壓、常壓壓力，解決低壓、常壓超壓的問題，既能降低水解解析負荷，降低蒸汽消耗，同時也有利于減少尾氣氨放空。