降低尿素成品中縮二脲含量的工藝優(yōu)化改造

王慶營(yíng),張東旭,李家棟

(1.兗礦新疆能化公司,烏魯木齊 830000; 2.兗礦新疆煤化工有限公司,烏魯木齊 830000)

兗礦新疆煤化工有限公司60萬(wàn)t醇氨聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目是山東能源集團(tuán)在新疆投資運(yùn)營(yíng)的全資公司,其年產(chǎn)能為30萬(wàn)t甲醇、52萬(wàn)t尿素,同時(shí)副產(chǎn)2.6萬(wàn)t硫酸及5萬(wàn)t液氧,于2012年竣工投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。為了提高尿素產(chǎn)品區(qū)域影響力,通過(guò)縱深分析研究整個(gè)系統(tǒng)各階段的中縮二脲含量,進(jìn)而確定從汽提塔出液、尿液槽、一段蒸發(fā)分離器出口、二段蒸發(fā)分離器出口、尿素成品中測(cè)定縮二脲含量,以確定優(yōu)化技改路線。

1 縮二脲含量影響因素

1.1 氨分壓

CO2汽提法工藝生產(chǎn)中,如果為了控制縮二脲含量而提高氨分壓,將會(huì)導(dǎo)致尿素噸氨耗增加,經(jīng)濟(jì)效益差[1];增加氨分壓還會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境造成污染并危害工作人員的身心健康。

1.2 停留時(shí)間

隨著尿素溶液(簡(jiǎn)稱尿液)停留時(shí)間的增加,縮二脲含量也隨之上升。因此,為了降低尿素成品中縮二脲含量,需要縮短尿液在整個(gè)系統(tǒng)的停留時(shí)間。一方面,可以將尿液槽劃分成大、小2塊區(qū)域,小區(qū)域僅提供從閃蒸槽出來(lái)的1～2 min緩沖尿液(尿液泵正常生產(chǎn)時(shí)直接從小區(qū)域輸送至蒸發(fā)系統(tǒng),極大地縮短了尿液在尿液槽的停留時(shí)間),大區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)異常時(shí)尿液儲(chǔ)存地,大、小區(qū)域在尿液槽內(nèi)連通;另一方面,可以增加尿液在全系統(tǒng)的流速,進(jìn)而縮短停留時(shí)間。

1.3 溫度

根據(jù)生產(chǎn)工藝及縮二脲對(duì)溫度的敏感區(qū)域,在低濃度時(shí)可以采取“靠下限”操作,進(jìn)行提濃,在高濃度熔融尿液(一、二段蒸發(fā)加熱系統(tǒng))時(shí),在保證安全的前提下,略高于熔融結(jié)晶溫度2～3 K操作,避免高溫區(qū)域操作,盡可能降低縮二脲含量。改造前部分月份各關(guān)鍵設(shè)備點(diǎn)縮二脲質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

表1 改造前部分月份各關(guān)鍵設(shè)備點(diǎn)縮二脲質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

由表1可以看出:縮二脲含量急劇增長(zhǎng)主要在尿液槽至一段蒸發(fā)分離器出口、一段蒸發(fā)分離器出口至二段分離器出口過(guò)程中。在一、二段蒸發(fā)加熱過(guò)程中,尿液槽100 ℃的尿液經(jīng)過(guò)加熱、蒸發(fā)、提濃后在一段蒸發(fā)加熱系統(tǒng)出口溫度達(dá)到130～135 ℃,在二段蒸發(fā)加熱系統(tǒng)出口溫度達(dá)到138～140 ℃,導(dǎo)致縮二脲在高溫下急劇增加,成為限制產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素,遂對(duì)此展開(kāi)攻關(guān)。

2 技改路線

確定主要影響縮二脲的因素為停留時(shí)間與尿液溫度后[2],開(kāi)始實(shí)施關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)化及靠限操作、熔融尿素泵出口管線改造、蒸發(fā)加熱器換熱面積調(diào)整3個(gè)技改方案。

2.1 關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)化及靠限操作

尿素生成反應(yīng)為:

(1)

縮二脲從尿素合成開(kāi)始便在系統(tǒng)中產(chǎn)生,在CO2汽提法工藝生產(chǎn)中,控制汽提塔出口溫度由169～173 ℃逐步優(yōu)化調(diào)整為163～173 ℃;一段蒸發(fā)加熱器出口溫度控制在122～130 ℃,二段蒸發(fā)加熱器出口溫度控制在大于135 ℃(至少≥133 ℃,防止熔融尿素結(jié)晶堵塞管線)[3];在保證整個(gè)系統(tǒng)正常生產(chǎn)的前提下,盡可能控制各出液溫度靠下限操作,減少溫度及停留時(shí)間,以降低縮二脲含量。

2.2 熔融尿素泵出口管線改造

在其他條件不變的情況下,局部阻力為:

(2)

式中:Σhf為流體的摩擦阻力損失;λ為摩擦因數(shù);l為管長(zhǎng);Σle為當(dāng)量長(zhǎng)度總和;d為管道內(nèi)徑;u為流體的流速。由于45°標(biāo)準(zhǔn)彎頭的長(zhǎng)徑比為15,而90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭的長(zhǎng)徑比為30～40,通過(guò)計(jì)算可得45°標(biāo)準(zhǔn)彎頭的局部阻力比90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭降低約60%。

根據(jù)尿素裝置原設(shè)計(jì),熔融泵出口管線直徑為80 mm,管線長(zhǎng)度近200 m,且大多為90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭,導(dǎo)致尿液從熔融泵至造粒塔頂部的停留時(shí)間長(zhǎng)、阻力大,對(duì)熔融泵的要求高。經(jīng)過(guò)論證分析決定將原直徑80 mm的上塔管線更換為直徑 65 mm的管線,將原90°標(biāo)準(zhǔn)直角彎頭的上塔管線改為45°標(biāo)準(zhǔn)彎頭的斜上塔管線;管線長(zhǎng)度縮短至130 m。原90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭大多改為45°標(biāo)準(zhǔn)彎頭后,減少了熔融尿液在其中的停留時(shí)間和阻力。改造前后熔融尿素上塔管線對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 熔融尿素上塔管線對(duì)比

2.3 蒸發(fā)加熱器換熱面積調(diào)整

原設(shè)計(jì)的蒸發(fā)加熱器換熱面積偏大,導(dǎo)致尿液在蒸發(fā)加熱器中的停留時(shí)間加長(zhǎng),且在一、二段蒸發(fā)加熱器中溫度高,這是造成縮二脲含量激增的主要原因[4]。為此,減少一、二段蒸發(fā)加熱器的換熱面積,一段蒸發(fā)加熱器換熱面積減小20% 左右,二段蒸發(fā)加熱器換熱面積減小15%左右。減少換熱面積需要對(duì)一、二段蒸發(fā)加熱器列管進(jìn)行封堵,封堵列管采用加工的不銹鋼堵頭,并進(jìn)行點(diǎn)焊加固。封堵原則為以加熱器最外側(cè)尿液流速較慢的列管向內(nèi)側(cè)列管封堵,見(jiàn)圖2。

圖2 蒸發(fā)加熱器封堵列管示意圖

此外,由于一、二段蒸發(fā)加熱器底部的進(jìn)料口分布器較小,造成尿液分布不均勻。因此,增大分布器并在分布器擋板處開(kāi)孔,以加強(qiáng)尿液的分布效果。

2.4 技改效果

改造后,對(duì)2021年9月的尿素成品縮二脲含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出:尿素成品縮二脲質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在0.86%左右,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上措施的實(shí)施改造后,尿素成品中縮二脲質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低,從1.25%降至0.86%,下降32%,達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),尿素產(chǎn)品質(zhì)量得到了巨大提升,全部達(dá)到了國(guó)標(biāo)優(yōu)等品級(jí)別,有效提高了公司在尿素市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。