谷 雨，李公偉，劉志鵬

(河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000)

新疆心連心能源化工有限公司尿素裝置采用節(jié)能型水溶液全循環(huán)尿素生產(chǎn)技術(shù)，水解解吸系統(tǒng)采用單塔低壓水解解吸技術(shù)，其特點是利用1.3 MPa蒸汽從汽提塔底部輸入向上與液相逆流接觸，在尿素水解過程中可以把碳銨液中的游離NH3、CO2和水解生成的NH3、CO2一起汽提出來[1]。水解解吸塔氣相直接進(jìn)入二段分解塔精餾段，經(jīng)填料段與一段分解塔來的液相接觸，傳質(zhì)、傳熱后，NH3、CO2和水自塔頂出來進(jìn)入低壓吸收系統(tǒng)，最終以甲銨液的形式返回尿素合成塔，部分碳銨液經(jīng)水解泵送至一段甲銨泵作為密封水，循環(huán)后回到碳銨液槽[2]。

2020年9月初水解解吸系統(tǒng)負(fù)荷開始逐漸降低并且出氣帶液，無法達(dá)到最大負(fù)荷(60 m3/h)。9月15日全廠停車檢修，其間打開水解解吸塔進(jìn)行例行檢查，發(fā)現(xiàn)水解解吸塔塔盤上有大量的白色膏狀物質(zhì)，隨及取樣保存并對水解解吸塔內(nèi)部進(jìn)行了沖洗清理，但未對其相關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行檢查。

1 一段蒸發(fā)冷凝器泄漏的判斷

2020年9月28日尿素系統(tǒng)開車后發(fā)現(xiàn)解吸給料泵進(jìn)口過濾器頻繁堵塞，水解解吸塔出氣閥閥位開度不斷增大。當(dāng)尿素系統(tǒng)質(zhì)量流量為2 200 t/d以上時，二段分解塔塔頂氣相開始出現(xiàn)帶液現(xiàn)象，二段甲銨液中尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步上漲，最高達(dá)到20%(設(shè)計值為1.58%)。隨即將樣品送至專業(yè)分析機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示白色膏狀物中鈣元素和銅元素含量較高(見表1)，于是判斷蒸發(fā)系統(tǒng)冷凝器泄漏的可能性較大。故對閃蒸冷凝器、一段蒸發(fā)冷凝器、中間蒸發(fā)冷凝器和二段蒸發(fā)冷凝器出液逐個進(jìn)行取樣分析，分析后發(fā)現(xiàn)一段蒸發(fā)冷凝器出液中鈣元素和氯元素的含量較高，確定一段蒸發(fā)冷凝器發(fā)生泄漏，導(dǎo)致循環(huán)冷卻水泄漏進(jìn)入工藝凝液系統(tǒng)。

表1 水解解吸塔中白色膏狀物能譜分析結(jié)果

2020年10月底尿素系統(tǒng)再次停車檢查，發(fā)現(xiàn)一段蒸發(fā)冷凝器有2根換熱管在管板焊縫處存在環(huán)狀開裂(見圖1)，懷疑是設(shè)備制造時應(yīng)力未消除導(dǎo)致的。由于時間比較緊迫，未對設(shè)備進(jìn)行深度檢查，只對該一段蒸發(fā)冷凝器進(jìn)行簡單封堵試壓;開車后水解解吸系統(tǒng)運行趨于正常，但二段分解塔帶液現(xiàn)象仍然存在，懷疑二段分解塔填料或上部絲網(wǎng)被白色膏狀物堵塞，但考慮到經(jīng)濟(jì)效益，未再次停車進(jìn)行處理。

圖1 一段蒸發(fā)冷凝器換熱管環(huán)向開裂照片

2 一段蒸發(fā)冷凝器泄漏后對系統(tǒng)運行造成的影響

一段蒸發(fā)冷凝器換熱冷媒是循環(huán)冷卻水，換熱管泄漏后，由于一段蒸發(fā)冷凝器殼程壓力低，管程內(nèi)的循環(huán)冷卻水(含鈣離子等)進(jìn)入工藝?yán)淠合到y(tǒng)，進(jìn)而對整個尿素系統(tǒng)造成影響。

2.1 對水解解吸系統(tǒng)的影響

含鈣離子的碳銨液經(jīng)解吸給料泵送入水解解吸系統(tǒng)，與溶液中的CO2反應(yīng)，形成碳酸鈣，碳酸鈣附著于水解解吸換熱器列管內(nèi)壁和水解解吸塔塔盤。換熱管結(jié)垢影響換熱效果，塔盤結(jié)垢影響水解解吸塔氣液傳熱和傳質(zhì)，導(dǎo)致壓降升高和出氣帶液。2020年10月底停車對一段蒸發(fā)冷凝器進(jìn)行堵漏并清理塔盤后，水解解吸系統(tǒng)運行趨于平穩(wěn)。

2.2 對二段分解塔的影響

水解解吸塔出氣夾帶部分塔盤上的固體附著物進(jìn)入二段分解塔精餾段，又附著于二段分解塔的填料上，造成填料段(階梯環(huán))及上部絲網(wǎng)流通量變小。負(fù)荷升高后形成嚴(yán)重的氣相夾帶，導(dǎo)致大量的尿素溶液自二段分解塔頂部進(jìn)入二段分解吸收系統(tǒng)，使二段甲銨液尿素含量顯著升高。大量尿素進(jìn)入二段分解吸收系統(tǒng)后，會引起吸收液(蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的工藝?yán)淠?流量減少，吸收效果下降，同時反作用于水解解吸系統(tǒng)，形成惡性循環(huán)[3]。

2.3 對合成轉(zhuǎn)化率的影響

二段分解塔帶液導(dǎo)致部分尿素隨二段甲銨液進(jìn)入一段分解吸收系統(tǒng)，再隨一段甲銨液返回尿素合成塔，使尿素合成水碳比升高，同時降低介質(zhì)在合成塔中的停留時間。在尿素合成水碳比升高、介質(zhì)停留時間縮短的雙重作用下，尿素合成轉(zhuǎn)化率下降，尿素系統(tǒng)蒸汽消耗升高[4]。

2.4 對一段甲銨泵的影響

一段甲銨泵填料函密封水采用碳銨液，在循環(huán)過程中碳酸鈣被帶入一段甲銨泵的填料函后，在密封水通道上結(jié)垢，造成密封水量不足，降低冷卻效果；同時，密封水量不足，無法充分循環(huán)帶走泄漏的介質(zhì)，造成氨外溢；產(chǎn)生的碳酸鈣顆粒還會對填料函產(chǎn)生磨損。上述原因?qū)е绿盍虾氖褂脡勖档?，增加一段甲銨泵的檢修頻次，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成威脅。

3 控制措施

一段蒸發(fā)冷凝器泄漏對尿素系統(tǒng)穩(wěn)定運行造成嚴(yán)重影響。在查清原因后及時對一段蒸發(fā)冷凝器進(jìn)行了檢修處理。但由于二段分解塔為特殊的填料塔，檢修較為困難，因此在具備檢修條件前，采取有效措施維持生產(chǎn)十分重要。

3.1 系統(tǒng)調(diào)整

3.1.1 水解解吸系統(tǒng)

水解解吸塔出氣直接進(jìn)入二段分解塔精餾段，與從二段分解加熱器來的氣相物流合并進(jìn)入填料精餾段。因此盡量減小解吸負(fù)荷，穩(wěn)定水解解吸塔工況成為緩解二段分解塔帶液的重要手段。采取的措施有：(1)在保證必要真空度的條件下，減少尿素蒸發(fā)系統(tǒng)蒸汽噴射器的驅(qū)動蒸汽量，控制尿素蒸發(fā)系統(tǒng)蒸汽和凝液沖洗的頻次和流量，減少工藝?yán)淠毫浚?2)排查與工藝?yán)淠合到y(tǒng)相連通的排放閥門，避免不必要的高濃度工藝介質(zhì)、脫鹽水或蒸汽冷凝液竄入；(3)在保證工藝廢水排放指標(biāo)的前提下，控制水解解吸塔的蒸汽加入量，減少塔頂氣相帶入二段分解塔的水量；(4)在吸收塔排放等特殊工況時，將部分高濃度碳銨液轉(zhuǎn)入事故槽，系統(tǒng)穩(wěn)定后再緩慢轉(zhuǎn)入碳銨液槽處理。

通過以上措施的實施水解解吸系統(tǒng)的進(jìn)料體積流量基本可以維持在58.5 m3/h，水解解吸系統(tǒng)的工況基本穩(wěn)定，一定程度上緩解了二段分解塔帶液問題。

3.1.2 一段分解吸收系統(tǒng)

提高一段分解塔溫度至160 ℃，同時降低一段分解吸收系統(tǒng)壓力至1.64 MPa，提高一段分解塔的分解率，降低二段分解塔的負(fù)荷。

3.1.3 二段分解吸收系統(tǒng)

降低二段分解塔出液溫度，提高二段分解吸收系統(tǒng)壓力，降低二段分解塔負(fù)荷。蒸發(fā)系統(tǒng)根據(jù)真空度和溫度情況調(diào)整加熱蒸汽用量，穩(wěn)定工藝。

3.2 不停車條件下實施技術(shù)改造

水解解吸出氣管線調(diào)節(jié)閥前有放空管，放空閥正常生產(chǎn)時處于關(guān)閉狀態(tài)，可在該處引管線，接至二段吸收預(yù)冷器進(jìn)口管線,即二段吸收預(yù)冷器進(jìn)口管線上的加CO2管線。在不停車條件下完成該項改造，使部分水解解吸塔氣相不經(jīng)二段分解塔直接進(jìn)入二段吸收預(yù)冷器(通過加CO2管線上原有的調(diào)節(jié)閥控制氣量)，減少進(jìn)入二段分解塔精餾段氣量，緩解二段分解塔帶液。該改造管線投用后可使尿素系統(tǒng)質(zhì)量流量提高至2 460 t/d。

3.3 系統(tǒng)工藝調(diào)節(jié)原則

(1)當(dāng)二段分解塔出現(xiàn)帶液時，緩慢、小幅度地調(diào)整閥位，避免大幅度的調(diào)整造成不必要的波動。

(2)當(dāng)二段分解塔出現(xiàn)帶液時，增加二段甲銨液分析頻次，當(dāng)其尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至6%以下時，逐步緩慢調(diào)節(jié)二段分解塔加熱段蒸汽量，提高二段分解塔溫度至正常，給系統(tǒng)足夠的反應(yīng)時間。

4 一段蒸發(fā)冷凝器泄漏原因分析

2021年全系統(tǒng)停車檢修時，采用渦流探傷對一段蒸發(fā)冷凝器進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)有500根換熱管存在缺陷，并且缺陷在管子的外部(見圖2)。

圖2 換熱管缺陷示意圖

經(jīng)仔細(xì)查閱圖紙，并與設(shè)計方進(jìn)行溝通，最終確認(rèn)生產(chǎn)廠家將一段蒸發(fā)冷凝器換熱管的固定方式改為折流桿固定(見圖3)，以降低一段蒸發(fā)冷凝器殼側(cè)壓降。由于生產(chǎn)負(fù)荷長期較大，再加上加減負(fù)荷頻繁等因素，當(dāng)氣體進(jìn)入一段蒸發(fā)冷凝器殼側(cè)進(jìn)口時，會造成換熱管不同程度的振動，導(dǎo)致?lián)Q熱管與折流桿發(fā)生劇烈摩擦，最終出現(xiàn)減薄后泄漏。

圖3 換熱管固定方式與磨損示意圖

5 結(jié)語

綜上所述，蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)冷凝器泄漏對尿素系統(tǒng)的影響很大，在正常生產(chǎn)期間要定期取樣分析蒸發(fā)系統(tǒng)各蒸發(fā)冷凝器冷凝液中金屬離子及氯離子的含量，在檢修期間應(yīng)對各蒸發(fā)冷凝器進(jìn)行試壓、試漏并采用先進(jìn)的檢測手段對設(shè)備進(jìn)行檢查，做到出現(xiàn)問題早發(fā)現(xiàn)、早控制。