沈華民，劉國勝，王世平，李洪濤

（德州百斯特化工科技有限公司，山東 德州 253400）

0 前 言

尿素作為重要的化肥品種之一，數(shù)十年來已經(jīng)為我國農(nóng)業(yè)增產(chǎn)作出了重要貢獻(xiàn)。我國是最大的發(fā)展中國家，擁有十三億以上的人口?；谖覈匀皇寝r(nóng)業(yè)大國且人均可耕地少這一國情，糧食安全至關(guān)重要。目前，我國已用世界7%的可耕地養(yǎng)活了20%的人口，在此化肥的貢獻(xiàn)是不言而喻的。毋庸置疑，今后我國政府必然會繼續(xù)支持化肥產(chǎn)業(yè)的正常生產(chǎn)和發(fā)展。故而，作為肥業(yè)支柱的尿素產(chǎn)業(yè)也仍將繼續(xù)向前發(fā)展。

21世紀(jì)的人類社會，已進(jìn)入全球化時代。對于高污染高能耗的傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)生產(chǎn)和發(fā)展，首先必須建立在治理三廢污染和減排二氧化碳的基礎(chǔ)上；同時，化肥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須走以節(jié)能為主線的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式［1］。

我國作為負(fù)責(zé)任的大國，以積極的態(tài)度支持節(jié)能減排為主旋律的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。低碳經(jīng)濟(jì)的重要理念是：發(fā)展低能耗零污染的綠色經(jīng)濟(jì)；淘汰高污染高能耗的落后產(chǎn)能。為此，近年國務(wù)院和工信部公布了嚴(yán)重污染環(huán)境、高能耗的落后產(chǎn)能行業(yè)，其中有鋼鐵、水泥、石化、火電等六大行業(yè)的部分企業(yè)［2］。今年我國中東部嚴(yán)重的霧霾天氣，必然促使加快治理污染的步伐。

作為石化行業(yè)之一的尿素產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過程中亦有廢物排放污染的問題，主要為廢水及造粒塔排出的廢氣對環(huán)境的污染。另外，有些企業(yè)還存在著以高能耗換取高產(chǎn)量的錯誤觀念，這是與低碳經(jīng)濟(jì)理念極不相符的。因而，如何繼續(xù)發(fā)展我國傳統(tǒng)的化肥產(chǎn)業(yè)，首先要轉(zhuǎn)變觀念，轉(zhuǎn)變只重視產(chǎn)品產(chǎn)量而忽視產(chǎn)品質(zhì)量和能耗的錯誤觀念，這是繼續(xù)發(fā)展我國化肥產(chǎn)業(yè)的前提條件。

我國中小型尿素裝置多數(shù)是采用傳統(tǒng)水溶液全循環(huán)法（以下簡稱傳統(tǒng)法）進(jìn)行生產(chǎn)的。因而，討論該類裝置的節(jié)能技改，對于整個尿素產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有特殊的、重要的意義。

傳統(tǒng)法尿素技術(shù)創(chuàng)建于上世紀(jì)五十年代末六十年代初，我國于1966年引進(jìn)該技術(shù)。在國家糧食安全保護(hù)政策下，上世紀(jì)六、七十年代和八、九十年代曾先后兩次大批量興建了中型尿素裝置（80～130kt／a）和小型尿素裝置（40～60kt／a）。這些裝置已成為我國尿素生產(chǎn)的主力軍。然而，傳統(tǒng)法尿素工藝畢竟是第一代水溶液全循環(huán)技術(shù)，裝置工藝落后，主要問題有兩個，其一是合成轉(zhuǎn)化率低，xCO2僅為60%～65%；其二是一段分解壓力過低，僅1.8MPa，導(dǎo)致熱利用率差。上述兩個問題是造成裝置能耗過大的主要原因。噸尿能耗為，蒸汽1.5～1.8t，冷卻水100～160m3，電130～150kW·h。

對于尿素裝置而言，節(jié)能方法有如下兩種。

第一，熱量回收節(jié)能（屬于直接節(jié)能法）。

在尿素裝置中，將分解工序釋放出來的未反應(yīng)物——NH3和CO2氣體，在回收工序冷凝（吸收），并將其冷凝熱回收利用，以減少裝置能耗，此即為熱量回收節(jié)能技術(shù)。

第二，提高合成轉(zhuǎn)化率節(jié)能（屬于間接節(jié)能法）。

尿素裝置中，xCO2越高，生成尿素量越多，出塔尿液中未反應(yīng)甲銨及過剩氨總量也越少，后續(xù)分解工序所需蒸汽量也越少，循環(huán)回收未反應(yīng)物所需能耗（電能、冷卻水）也越少。因而，xCO2的高低密切關(guān)聯(lián)著裝置運行的能耗，即xCO2越高，能耗越少。

因此，提高尿素合成轉(zhuǎn)化率已成為尿素裝置最為重要的節(jié)能方法。

為了提高xCO2，運行較好的傳統(tǒng)法尿素裝置，已在尿塔內(nèi)安裝了高效塔盤，或設(shè)計了多種新型內(nèi)件，已使xCO2提高至66%～68%，促使裝置能耗下降。

但是，由現(xiàn)代工業(yè)尿素合成理論分析得知：只要是從底部進(jìn)料的尿塔，即使將塔盤再增加，或效率再高的新塔型，實際xCO2不太可能逾越70%。

合成轉(zhuǎn)化率小于70%，已成為傳統(tǒng)法尿素裝置的瓶頸，最先進(jìn)的傳統(tǒng)法尿素裝置的能耗指標(biāo)始終徘徊在汽耗約1.3t（噸尿；下同），落后于汽提法尿素裝置。

然而，尿素技術(shù)已進(jìn)入合成時代［2］，其典型代表為美國UTI尿素技術(shù)。UTI用逆流等溫塔已將xCO2提高到75%，也即UTI僅用合成節(jié)能法一項，已能使裝置汽耗下降至約1.0t，其先進(jìn)性已能與汽提法媲美。因而，用合成時代的理論和實踐來改造我國傳統(tǒng)法尿素裝置，則裝置發(fā)生鳳凰涅槃，實現(xiàn)跨越式發(fā)展是指日可待的。

為此，在工業(yè)尿素合成理論指導(dǎo)下，消化國外先進(jìn)核心知識基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新，開發(fā)出兩項節(jié)能新技術(shù)，供傳統(tǒng)法尿素裝置低碳節(jié)能發(fā)展選擇應(yīng)用。

其一為逆流換熱全液相合成塔，主要針對傳統(tǒng)法xCO2低的問題，汲取了美國UTI逆流等溫合成塔的先進(jìn)理念而開發(fā)成的新塔型［3～4］。

其二為傳統(tǒng)21法技術(shù)，主要針對傳統(tǒng)法熱利用率差、xCO2低兩個問題，汲取了汽提法先進(jìn)理念，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)尿素合成理論開發(fā)出的新流程［5］。

1 技改原則及建議

1.1 技改原則

（1）應(yīng)從尿素裝置是一個系統(tǒng)工程的整體觀點來考察，即裝置各工序之間是緊密相連的整體角度來尋找能耗高的原因，并找出具體節(jié)能降耗的方法、措施；尤其不能就事論事，從局部出發(fā)來制訂具體措施。

（2）對于傳統(tǒng)法尿素裝置而言，具體的節(jié)能技改措施應(yīng)以提高xCO2為主、熱量回收為輔的原則。因為提高合成轉(zhuǎn)化率是最好的節(jié)能措施。

xCO2與能耗之間的關(guān)系見圖1，該圖系筆者（沈華民）以傳統(tǒng)法尿素裝置NH3／CO2為4.0時，進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬計算而得出的。

圖1 xCO2與蒸汽耗量及合成液未反應(yīng)物料量的關(guān)系

由圖1查得，當(dāng)xCO260%～65%時，汽耗為1.6～1.4t。實際值為1.8～1.5t。

若將xCO2提高到70%，系統(tǒng)蒸汽耗量由圖1查得為1.2t。可見，在此轉(zhuǎn)化率下后系統(tǒng)若能回收200kg蒸汽，裝置即可進(jìn)入先進(jìn)的節(jié)能低碳行列。

若將xCO2進(jìn)一步提高到75%，由圖1查得汽耗小于1.0t，這時即使后系統(tǒng)不采取任何節(jié)能措施，裝置也已進(jìn)入先進(jìn)的節(jié)能低碳行列。

由此可見，傳統(tǒng)法尿素裝置節(jié)能技改措施應(yīng)傾向于合成節(jié)能法。

1.2 技改建議

我國傳統(tǒng)法尿素裝置，大致可分為三類。具體技改措施亦略有不同。

1.2.1 第一類：運行水平較差的落后產(chǎn)能

（1）裝置概況

①只有解吸系統(tǒng)，經(jīng)常排放解吸廢水；造粒塔頂也經(jīng)常排出粉塵、廢氣。

②原尿塔為空筒或設(shè)置常規(guī)塔板，xCO260%～63%，汽耗1.5～1.8t。

（2）問題討論

本類裝置在尿素行業(yè)中屬于高污染高能耗的落后產(chǎn)能，如果不及時采取措施，最終必然被淘汰。

環(huán)保先行，亟需治理排放的廢水、廢氣，使裝置的三廢達(dá)標(biāo)排放；同時，裝置能耗在同行業(yè)中也處于落后狀態(tài)，也需盡快采取改善措施。

（3）建議

建議分兩階段進(jìn)行改造，使裝置達(dá)到同行業(yè)先進(jìn)水平。

①第一階段 首先需治理污染問題，設(shè)置水解系統(tǒng)和造粒塔粉塵回收系統(tǒng)，以解決裝置污染問題。對于能耗高的問題，建議將尿塔塔盤改為先進(jìn)的高效塔盤；同時，對全系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化操作以及參數(shù)調(diào)整，以提高xCO2來降能耗。

優(yōu)化調(diào)整后使裝置xCO2提升至66%～67%，裝置汽耗下降至1.3～1.4t，以盡快擺脫落后狀態(tài)，達(dá)到行業(yè)中等水平。

②第二階段 用逆流換熱全液相合成技術(shù)或傳統(tǒng)21法進(jìn)行改造，進(jìn)一步提升xCO2＞70%，汽耗≤1.0t，使裝置達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。

1.2.2 第二類：運行水平處于中等偏下游的裝置

（1）裝置概況

①水解系統(tǒng)及粉塵回收系統(tǒng)已設(shè)置。

② 尿塔設(shè)有普通塔盤，xCO264%～65%，汽耗1.4～1.5t。

（2）問題討論

本類裝置污染問題已基本解決，但能耗還是較高，在行業(yè)中運行水平屬于中游偏下狀態(tài)。若墨守陳規(guī)，隨著時間的推移，在競爭中也難以長期生存。

（3）建議

亦建議分兩步走。

①第一步 設(shè)置高效塔盤，同時對尿塔塔盤進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并對全裝置進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化操作，將xCO2進(jìn)一步提高到66%～67%，汽耗降至1.3～1.4t。

這樣，可以用較少的投資盡快提升裝置水平，擺脫能耗偏高狀態(tài)，盡快進(jìn)入行業(yè)中等水平行列。

②第二步 用逆流換熱全液相合成技術(shù)或傳統(tǒng)21法改造裝置，進(jìn)一步將xCO2提高到70%以上，汽耗≤1.0t，使裝置達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。

1.2.3 第三類：裝置擴(kuò)產(chǎn)

（1）裝置概況

①水解系統(tǒng)及粉塵回收系統(tǒng)已設(shè)置。

②尿塔已設(shè)置高效塔盤，在生產(chǎn)強度I＝10～12［t／（m3·d）；下同］時，xCO266%～67%，汽耗1.3～1.4t。

③ 因擴(kuò)產(chǎn)需要，I提高至15～16時，xCO2下降至60%～61%，汽耗上升到1.6～1.7t。

（2）問題討論

由于擴(kuò)產(chǎn)，使原先較好的裝置成為高能耗高污染裝置，如何使裝置恢復(fù)到原先水平或超過原先水平，選擇既節(jié)能又增產(chǎn)的新技術(shù)是成功的關(guān)鍵。

（3）建議

逆流換熱全液相合成技術(shù)以及傳統(tǒng)21法都是既節(jié)能又增產(chǎn)的新技術(shù)，可以選擇其中之一來改造。在I＝15～16時，均能使xCO2達(dá)到70%左右，汽耗可降至1.0t左右，裝置進(jìn)入行業(yè)先進(jìn)水平行列。

2 三廢減排技術(shù)

尿素生產(chǎn)過程中的三廢排放主要為廢水排放和造粒塔粉塵排放，其中主要含氨和尿素，這兩種物質(zhì)排入江河或大氣中均會造成污染，必須進(jìn)行治理，并回收有效物質(zhì)。

2.1 廢水治理技術(shù)

（1）廢水來源 尿素裝置的廢水主要來自尿素合成反應(yīng)生成的水。每生成1t尿素會產(chǎn)生300kg水；另外，還有從原料液氨、CO2以及蒸汽噴射泵工作時帶入系統(tǒng)的水，最后一起形成蒸發(fā)冷凝液。故而，實際生產(chǎn)中噸尿會產(chǎn)生400～500kg廢液。若排放這些廢液，會對江河造成污染。

（2）組成（wt） 尿素0.5%～1.0%；NH31.0%～5.0%；CO20.5%～2.0%。

（3）國情 原來我國傳統(tǒng)法尿素裝置僅設(shè)置解吸系統(tǒng)，通過解吸可將廢液中的NH3脫除，但因為排出廢水中仍含有少量尿素，既損失了尿素又會對水環(huán)境造成污染，必須進(jìn)一步處理。

深度水解技術(shù)能將廢液中尿素和氨一起脫除／回收，使排放廢水達(dá)標(biāo)。

（1）水解原理

可見，水解過程分兩步進(jìn)行，首先分解尿素，然后將溶液中的NH3和CO2連同原來殘留在廢液中的NH3和CO2一起全部解吸為氣相，從而使殘留液中尿素和NH3含量均小于5×10－6。

（2）國外技術(shù)

高壓深度水解技術(shù)意大利Snamprogtti公司技術(shù)，壓力3.5～4.0MPa。

中壓深度水解技術(shù) 荷蘭Stamicarbon公司技術(shù)，壓力2.0～2.5MPa。

低壓深度水解技術(shù) 美國UTI公司技術(shù)，壓力1.3MPa。

（3）我國自主開發(fā)的水解技術(shù)

我國已有多家單位自主研發(fā)了水解技術(shù)。本文介紹德州百斯特化工科技有限公司的低壓水解技術(shù)，其流程見圖2。

圖2 尿素低壓水解—汽提工藝流程圖

該水解技術(shù)特點如下。

①采用單塔。水解和解吸合二為一的單塔操作，流程短，設(shè)備少，投資省。

② 底部導(dǎo)入1.3MPa蒸汽直接加熱廢液，以供水解和解吸之用；同時，還加入少量CO2和空氣作汽提劑（空氣還是防腐劑），促使廢液中的尿素在較低溫度下（約190℃）分解為NH3和CO2。這樣，更適合于沒有中、高壓蒸汽的尿素裝置。

③采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效塔內(nèi)件，排放廢液中尿素＜5×10－6、NH3＜5×10－6。

（4）應(yīng)用

百斯特水解技術(shù)已在山東、河南等多家尿素裝置上應(yīng)用，效果良好。

2.2 粉塵治理技術(shù)

（1）粉塵來源

尿素造粒塔是絕大多數(shù)尿素裝置的標(biāo)志性建筑物，但是若塔頂排出的尿素粉塵治理不力，則塔頂排出白色粉塵狀廢氣也是污染的一大標(biāo)志。

近年來，隨著我國大多數(shù)中、小型尿素裝置的擴(kuò)產(chǎn)改造，原設(shè)計的造粒塔生產(chǎn)能力已嚴(yán)重不足，一方面導(dǎo)致尿素造粒塔塔頂尿素小顆粒粉塵帶出量過多，產(chǎn)生白色粉塵污染大氣；另一方面又增加了尿素的損耗。

針對這一新情況，尿素造粒塔粉塵回收技術(shù)已成為我國尿素產(chǎn)業(yè)三廢治理的重點技術(shù)，是我國氮肥工業(yè)協(xié)會推薦的重點環(huán)保項目。

本文介紹德州百斯特化工科技有限公司的粉塵回收技術(shù)［6］。

（2）治理方法

采用濕式霧化洗滌法脫除粉塵，其特點如下。

①粉塵回收裝置應(yīng)用于原造粒塔為自然通風(fēng)的造粒塔，因而不需外加強力通風(fēng)設(shè)備；裝置全部置于造粒塔上方，操作簡便，與生產(chǎn)系統(tǒng)合為一體。

②采用尿素水解廢液作為粉塵吸收液的置換補充液，用洗滌噴頭加入裝置。

③采用先進(jìn)霧化技術(shù)，濕式洗滌回收粉塵，且為三段吸收三段分離回收技術(shù)，回收率達(dá)85%～90%。

（3）應(yīng)用

本技術(shù)已在寧夏、山東、河南、湖北等二十余家單位尿素裝置上應(yīng)用。最近已在寧夏石化大尿素裝置上應(yīng)用，運行良好。

（未完待續(xù)）