陸瑞平

(云南紅河錦東化工有限責(zé)任公司云南紅河652302)

400t/d尿素裝置技改總結(jié)

陸瑞平

(云南紅河錦東化工有限責(zé)任公司云南紅河652302)

1 改造前尿素裝置存在的問(wèn)題

云南紅河錦東化工有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)錦東公司)現(xiàn)年生產(chǎn)合成氨90kt、尿素130kt、甲醇10kt及食品級(jí)二氧化碳等產(chǎn)品。尿素裝置原設(shè)計(jì)能力為60kt，經(jīng)擴(kuò)能改造后，日產(chǎn)尿素平均在310t左右，最高日產(chǎn)已達(dá)350t;但當(dāng)日產(chǎn)量達(dá)350t尿素時(shí)，合成塔CO2轉(zhuǎn)化率由65%下降至62%，預(yù)蒸餾塔傳質(zhì)、傳熱效果不佳，加熱器溫度提不起來(lái)，中壓分解壓力高達(dá)2.0MPa，一吸塔超負(fù)荷運(yùn)行，蒸發(fā)過(guò)料不暢，產(chǎn)品質(zhì)量很難保障，噸尿素氨耗均在590kg以上、蒸汽消耗在1.48t以上，產(chǎn)量也很難再提高。隨著合成氨裝置的擴(kuò)能改造，有一部分合成氨需轉(zhuǎn)化為尿素。鑒于尿素裝置存在問(wèn)題，不能消化合成氨裝置多產(chǎn)的氨，經(jīng)多方考察后，委托寧波遠(yuǎn)東化工科技有限公司在此裝置的基礎(chǔ)上，實(shí)施全方位技術(shù)改造，使尿素日產(chǎn)能達(dá)400t以上。

2 技術(shù)改造方案的實(shí)施

2.1 合成部分

錦東公司原有裝置設(shè)1臺(tái)尿素合成塔，容積為23m3，當(dāng)日產(chǎn)尿素達(dá)350t時(shí)，CO2轉(zhuǎn)化率由65%下降至62%，中壓系統(tǒng)很難操作，消耗也高。尿素合成塔的生產(chǎn)強(qiáng)度以10～12t/(m3·d)為最佳，但隨著產(chǎn)量的提高，CO2轉(zhuǎn)化率隨之下降。影響CO2轉(zhuǎn)化率下降的原因:①尿素合成塔設(shè)計(jì)的生產(chǎn)強(qiáng)度在10t/(m3·d)時(shí)，尿素合成塔底部流速較快、塔頂流速較慢，隨著生產(chǎn)強(qiáng)度的提高，塔徑比又大，使返混現(xiàn)象加重，且傳統(tǒng)塔盤(pán)在返混區(qū)的布置又不合理，更難以解決返混問(wèn)題;②尿素合成塔底部通入CO2氣體，體積大，塔頂生成尿素的密度加大，塔底的尿素密度為675kg/m3，而塔頂密度高達(dá)1100kg/m3，相差近1倍，重的物料往下沉，與尿素流向相反，大大加劇了返混;③尿液在尿素合成塔內(nèi)流動(dòng)，因塔壁阻力大，越靠近塔壁流速越慢，越在中心位置流速越快，此塔壁效應(yīng)與前2項(xiàng)原因疊加會(huì)產(chǎn)生物料軸向的、從中心向塔壁流動(dòng)的環(huán)流現(xiàn)象，使部分物料在塔內(nèi)循環(huán)而損失有效容積，因而轉(zhuǎn)化率下降。

在尿素合成塔中，從下往上分為甲銨區(qū)和尿素生成區(qū)。甲銨區(qū)屬于快速反應(yīng)區(qū)，僅占塔高的1/5左右，一般采用旋流板利用塔底進(jìn)料及CO2氣體的作用使物料旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)其充分混合均勻;尿素生成區(qū)要求物料不返混，呈活塞狀流動(dòng)，該區(qū)是影響轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵，原設(shè)計(jì)的多孔板塔板從結(jié)構(gòu)及間距均不能解決返混的問(wèn)題。此次改造錦東公司采用了寧波遠(yuǎn)東化工科技有限公司的球帽型塔盤(pán)。該塔盤(pán)設(shè)計(jì)獨(dú)特，開(kāi)孔孔徑從中心往邊緣逐漸加大，補(bǔ)償了流體往塔壁方向阻力加大的不利因素，抑制了環(huán)流現(xiàn)象，增加了有效空間。在塔盤(pán)的布置上，根據(jù)不同的塔型，采用不同的布置方案，提高了CO2轉(zhuǎn)化率。在操作上，針對(duì)不同的塔型和塔體，根據(jù)不同的停留時(shí)間，通過(guò)摸索，制定出了適合該塔的最佳操作工藝條件，對(duì)尿素合成塔的溫度進(jìn)行控制，確保尿素合成塔有較高的CO2轉(zhuǎn)化率。

2.2 中壓分解吸收

2.2.1 增加1臺(tái)Φ1400mm預(yù)分離器

在尿素合成塔的出口增設(shè)1臺(tái)Φ1400mm預(yù)分離器，其目的是使50%以上的氨分離出來(lái)，減輕了預(yù)蒸餾塔和一分加熱器的負(fù)荷，從而降低了蒸汽消耗(噸尿素節(jié)約蒸汽約80kg)。但有些裝置增設(shè)該設(shè)備后出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，大量尿素從預(yù)分離器被帶到一吸塔，給一吸塔操作帶來(lái)很大困難，致使預(yù)分離器氣相出口閥不能開(kāi)大或者根本不能開(kāi)啟，起不到該設(shè)備應(yīng)有的作用。經(jīng)調(diào)整設(shè)備布置和位差，并改進(jìn)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了預(yù)分離器的分離效果。

2.2.2 預(yù)蒸餾塔由泡罩塔板改為高效DL塔板

預(yù)蒸餾塔原設(shè)計(jì)為Φ1100mm泡罩塔，當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷達(dá)日產(chǎn)尿素350t時(shí)，由于氣體流速加快，泡罩塔的缺點(diǎn)明顯表現(xiàn)出來(lái)，即一甲液中的尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)5%左右，一吸塔不易操作，且一分液中NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10%～12%、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)3%～5%，甲銨分解及總氨蒸出效果不佳，給二段分解加重了負(fù)擔(dān)。而泡罩塔在負(fù)荷較低的情況下，操作比較平穩(wěn);在高負(fù)荷時(shí)，由于氣速高易造成液沫夾帶(即液泛現(xiàn)象)，泡罩塔的穩(wěn)定性較差，分解效果不好。鑒于上述情況，為了提高裝置的生產(chǎn)能力，決定將泡罩塔改為高效DL塔板塔。高效DL塔板是錦東公司根據(jù)尿素?cái)U(kuò)建改造的需要、自行研制開(kāi)發(fā)的專(zhuān)利產(chǎn)品，具有通氣量大、吸收分解效果好等特點(diǎn)，在尿素生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。其氣體分解原理為分3次對(duì)液體進(jìn)行分解:第1次分解是液體從中心管的小孔處下來(lái)與上升的氣體進(jìn)行接觸，形成一種氣膜，從而完成第1次分解;第2次分解是上升氣體中夾帶的一部分液體上升至泡罩的頂部，然后折回被破碎，完成第2次分解;第3次分解是氣體從罩帽中水平噴出，與塔板上液體進(jìn)行氣液接觸，傳質(zhì)、傳熱后完成第3次分解。該塔板經(jīng)很多企業(yè)使用后證明:Φ1000mm預(yù)蒸餾塔可通過(guò)日產(chǎn)350～400t尿素的物料量，Φ1100mm預(yù)蒸餾塔可通過(guò)日產(chǎn)400～450t尿素的物料量，Φ1200mm預(yù)蒸餾塔可通過(guò)日產(chǎn)550～600t尿素的物料量，Φ1400mm預(yù)蒸餾塔可通過(guò)日產(chǎn)700～800t尿素的物料量。

2.2.3 一吸塔改造

因塔徑偏小，裝置原Φ1100mm一吸塔線速度太高，不能適應(yīng)生產(chǎn)的需要，容易造成汽液上竄和一吸塔液位波動(dòng)，必須對(duì)塔的下部進(jìn)行變徑。將鼓泡段由Φ1100mm變徑為Φ1400mm，進(jìn)口管管徑和下液管口也要作適當(dāng)變動(dòng)，并增加鼓泡段分布器，塔內(nèi)增加4層DL-1型塔板，確保一吸塔能夠滿足生產(chǎn)的需要。

2.2.4 改變脫鹽水流程

改變脫鹽水流程，使所有脫鹽水的流量首先進(jìn)入第1外冷器，然后進(jìn)入第2外冷器，并將1臺(tái)板式脫鹽水冷卻器和1臺(tái)列管式脫鹽水冷卻器分別與2臺(tái)外冷器配套使用。由于出預(yù)蒸餾塔氣體和二甲液混合產(chǎn)生的甲銨熱和溶解熱，基本上分3處移走:①一段蒸發(fā)器的熱利用段;②一吸外冷器;③鼓泡段和回流氨;正常生產(chǎn)時(shí)，熱量分配比例為2∶6∶2。從上述熱平衡分配看，重點(diǎn)在一吸外冷器，而且在尿素裝置開(kāi)車(chē)初期，蒸發(fā)系統(tǒng)未開(kāi)車(chē)或蒸發(fā)系統(tǒng)短停時(shí)，其熱負(fù)荷需全部后移，主要由一吸外冷器承擔(dān)，因此，一吸外冷器除了要承擔(dān)正常生產(chǎn)的熱負(fù)荷外，還得有適應(yīng)非正常生產(chǎn)時(shí)負(fù)荷的波動(dòng)和生產(chǎn)的加載能力。為了充分發(fā)揮一吸外冷器的作用、最大可能降低進(jìn)入第1外冷器水溫(不得低于70℃);控制第2外冷器的水溫用于調(diào)節(jié)進(jìn)一吸塔氣液混合物的溫度。操作方法為循環(huán)水采用大流量、小溫差，以便更穩(wěn)定地控制一吸塔底部溫度。換熱器的冷卻水可采用二循一冷冷卻后的水循環(huán)使用，以節(jié)約循環(huán)水用量;降低進(jìn)入一吸外冷器的水溫，調(diào)節(jié)入一吸塔氣液混合物的溫度，換熱后的熱水再送往外工段。如外工段不需要熱水，則可進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)閉路循環(huán)，確保進(jìn)一吸塔氣液混合物的溫度，從而控制好一吸塔的出氣溫度和一甲液的溫度。

2.2.5 增加1臺(tái)熱水循環(huán)水泵

增加1臺(tái)200m3/h的熱水循環(huán)水泵，使一吸塔系統(tǒng)的脫鹽水實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)使用;外工段需要熱水時(shí)，既可外送，也可本系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，使一吸塔操作比較穩(wěn)定。

2.2.6 加大中壓系統(tǒng)中的部分管道和增加二甲液預(yù)熱器

加大中壓系統(tǒng)中的部分管道，降低中壓系統(tǒng)內(nèi)的阻力。中壓分解壓力在1.7MPa時(shí)，甲銨分解率應(yīng)＞89%，總氨蒸出率應(yīng)＞90%，即一段分解塔出口尿液中NH3和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7.5%和3.0%。據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)分解溫度在同一個(gè)相等的值時(shí)，中壓分解壓力每上升0.1MPa，分解效率將下降5%，一、二段分解蒸汽消耗將上升50～70kg。技改前，中壓分解壓力在2.00MPa;技改后，下降至1.75MPa，蒸汽消耗大幅下降。

增加二甲液預(yù)熱器，充分回收系統(tǒng)內(nèi)的熱量，用于加熱尿液，從而降低蒸汽消耗。

2.3 低壓分解、吸收

(1)原有1臺(tái)Φ800mm/Φ600mm二分塔，加熱器面積只有56m2，不能滿足日產(chǎn)400t的生產(chǎn)需要。此次技改將二段分解加熱器面積擴(kuò)大至84m2;分離段加長(zhǎng)1m，并裝填填料，填料層高度為2000mm，填料上面采用槽盤(pán)式分布器與翅式分布器相結(jié)合形式，滿足了生產(chǎn)的需要。

(2)原有1臺(tái)220m2二循一冷，隨產(chǎn)量的提高，二循一冷的能力明顯不夠。此次技改將系統(tǒng)內(nèi)退役下來(lái)的設(shè)備通過(guò)改造后設(shè)置在二循一冷之前，以降低進(jìn)入二循一冷氣液混合物的溫度，作為二循一冷預(yù)冷器使用，使用效果很好。

(3)原有1臺(tái)50m2二循二冷，將原退役下來(lái)的換熱面積為56m2的二分加熱器經(jīng)過(guò)改造后加裝在二循二冷器之前，作為二循二冷預(yù)冷器，使用效果很好。

2.4 閃蒸與蒸發(fā)

(1)加大熱能回收段，解決一段分解系統(tǒng)壓力偏高的問(wèn)題，并充分回收系統(tǒng)內(nèi)的熱量;將一段蒸發(fā)加熱器更換為F=30m2，以滿足日產(chǎn)400t的需要。

(2)裝置原有的閃蒸分離器偏小，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，充分回收熱量，增加閃蒸分離器、閃蒸加熱器及閃蒸熱能回收段、閃蒸冷凝器，并適當(dāng)調(diào)整各設(shè)備之間的位差，充分利用回收系統(tǒng)內(nèi)熱量，用于加熱尿液，達(dá)到節(jié)約蒸汽的目的。

(3)二段蒸發(fā)分離器改造為分體式結(jié)構(gòu)，解決分離效果不好的問(wèn)題，二段蒸發(fā)加熱器換熱管材質(zhì)由316L改為T(mén)A2，延長(zhǎng)其使用壽命。

(4)加大蒸發(fā)系統(tǒng)的部分管道，滿足日產(chǎn)400t尿素的需要。

3 效益分析

此次尿素裝置技改投資(包括設(shè)備、閥門(mén)、管道、儀表、土建、安裝等)共計(jì)350萬(wàn)元。改造工作于2006年9月開(kāi)始，10月上旬一次開(kāi)車(chē)成功，經(jīng)過(guò)了幾個(gè)月的運(yùn)行，改造效益比較明顯。改造前，日產(chǎn)尿素一般為310t左右，噸尿素氨耗在590kg以上、汽耗1.48t以上;改造后，最高日產(chǎn)尿素430t，一般維持在410～420t，噸尿素氨耗585kg、汽耗1.10t。按增產(chǎn)尿素100t/d、尿素利潤(rùn)200元/d、年生產(chǎn)天數(shù)330d計(jì)，則年增產(chǎn)尿素效益約660萬(wàn)元;噸尿素氨耗下降5kg、汽耗下降380kg，按年生產(chǎn)130kt尿素、液氨2000元/t、蒸汽70元/t計(jì)，年節(jié)省費(fèi)用475萬(wàn)元。技改后，年增加效益為1135萬(wàn)元，不到半年即可收回全部投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2014-04-04)