鄭海勝

[陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨猗分公司，山西 臨猗 044100]

0 引 言

陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨猗分公司(簡稱豐喜臨猗分公司)4#尿素裝置于2010年10月投產(chǎn)，采用CO2汽提工藝，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為460 kt/a，實(shí)際產(chǎn)量達(dá)1 450 t/d。為滿足采用加壓氣相淬冷法的二期50 kt/a三聚氰胺裝置(簡稱三胺裝置)與4#尿素裝置聯(lián)產(chǎn)(回收三胺裝置尾氣)，2018年8月利用大修機(jī)會(huì)對(duì)4#尿素裝置實(shí)施了增設(shè)中壓分解系統(tǒng)、中壓吸收系統(tǒng)以及增設(shè)預(yù)蒸發(fā)器、低壓甲銨預(yù)冷凝器等一系列優(yōu)化改造，保證50 kt/a三胺裝置尾氣(簡稱三胺尾氣)能夠被4#尿素裝置回收。2018年12月28日，50 kt/a三胺裝置開車成功，理論上生成1 t三胺需要2.86 t尿素(原料尿液由4#尿素裝置供給)，副產(chǎn)1.0 t NH3(包含反吹氨)和1.05 t CO2，三胺尾氣全部返回4#尿素裝置予以回收。

50 kt/a三胺裝置尾氣處理系統(tǒng)由三胺尾氣吸收、中壓解吸單元組成。三胺尾氣吸收單元中，三胺尾氣進(jìn)入三胺尾氣吸收器，用來自4#尿素裝置的氨水(NH3含量7.20%、CO2含量2.79%)進(jìn)行洗滌回收，洗滌得到的濃氨水(NH3含量20.2%、CO2含量19.5%)通過尾吸液泵進(jìn)入三胺尾吸液槽，之后尾吸液通過解吸給料泵送至三胺中壓解吸單元，三胺尾吸液槽尾氣則與4#尿素裝置解吸塔氣相混合去回流冷凝器。三胺中壓解吸系統(tǒng)設(shè)置有中壓解吸塔、再沸器、換熱器、過濾器、給料泵等，系統(tǒng)解吸能力為35 m3/h，解吸給料泵加壓后的尾吸液經(jīng)尾吸液過濾器、三胺解吸塔換熱器管程與殼程的來自三胺中壓解吸塔塔底的解吸殘液換熱，然后進(jìn)入三胺中壓解吸塔頂部，為控制三胺中壓解吸塔出氣溫度，設(shè)置了尾吸液換熱副線；三胺中壓解吸塔操作壓力約1.0～1.8 MPa，塔底操作溫度約160～185 ℃(三胺中壓解吸塔所需熱量由其再沸器供給；為防止腐蝕，在三胺中壓解吸塔換熱器和三胺中壓解吸塔再沸器分別加入了來自空氣壓縮機(jī)的空氣)，三胺中壓解吸塔塔頂氣相經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥控制后進(jìn)入4#尿素裝置中壓吸收系統(tǒng)，三胺中壓解吸塔出液則經(jīng)三胺解吸塔換熱器回收熱量后進(jìn)入解吸殘液過濾器，之后送至4#尿素裝置解吸水解系統(tǒng)。

4#尿素裝置與50 kt/a三胺裝置聯(lián)產(chǎn)(回收三胺尾氣)后，總體運(yùn)行穩(wěn)定，基本上達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能降耗目標(biāo)。但實(shí)際生產(chǎn)中存在一大問題：聯(lián)產(chǎn)前，4#尿素裝置放空總管尾氣中氨含量(體積分?jǐn)?shù)，下同)1%左右；聯(lián)產(chǎn)后，4#尿素裝置中壓、低壓循環(huán)系統(tǒng)負(fù)荷加大，尿素放空總管尾氣中氨含量超標(biāo)，冬季放空總管尾氣中氨含量2%左右，夏季氣溫高時(shí)放空氣中氨含量高達(dá)4.5%，遠(yuǎn)超《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297-1996)的要求。為保證尿素放空總管尾氣氨含量達(dá)標(biāo)，擬采取一系列優(yōu)化改造措施，以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 運(yùn)行問題與原因分析

1.1 運(yùn)行問題

2019年1月4#尿素裝置與二期50 kt/a三胺裝置聯(lián)產(chǎn)(回收三胺尾氣)后，4#尿素裝置的工藝流程和設(shè)備都發(fā)生了較大的改變，三胺尾氣大量返回尿素裝置，使尿素裝置的水平衡很難維持；加之低壓吸收塔和常壓吸收塔的冷凝吸收能力有限，此前未對(duì)其進(jìn)行改造，造成尿素放空總管尾氣中氨含量居高不下，不僅增加了尿素生產(chǎn)成本，而且對(duì)周邊環(huán)境造成了污染。簡言之，尿素放空總管尾氣氨含量高，當(dāng)時(shí)也沒有具體的、切實(shí)有效的措施予以回收利用，表明系統(tǒng)原流程設(shè)計(jì)有待優(yōu)化與改進(jìn)。

1.2 原因分析

1.2.1 低壓吸收塔吸收液濃度高及冷卻器內(nèi)漏

氨水槽Ⅰ室的工藝?yán)淠河傻蛪何账o料泵加壓后，經(jīng)換熱器冷卻至45 ℃左右送至低壓吸收塔吸收高洗器排放尾氣中的NH3、CO2，吸收后溫度約60 ℃的工藝?yán)淠航?jīng)液位調(diào)節(jié)閥進(jìn)入排氣筒底部，最后返回氨水槽。4#尿素裝置聯(lián)產(chǎn)技改前氨水槽Ⅰ室主要收集的是蒸發(fā)閃蒸冷下液、一表冷下液、二表冷下液，改造后氨水槽Ⅰ室主要收集的是預(yù)蒸發(fā)冷凝器下液、一表冷下液，而蒸發(fā)閃蒸冷下液進(jìn)入氨水槽Ⅱ室、二表冷(A/B)下液進(jìn)入水力噴射循環(huán)槽，由此導(dǎo)致氨水槽Ⅰ室工藝?yán)淠喊焙窟^高。另外，蒸汽冷凝液冷卻器(板式換熱器)2010年服役，后出現(xiàn)了內(nèi)漏，蒸汽冷凝液漏到循環(huán)水里，由于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作運(yùn)行影響不大，一直未更換，但蒸汽冷凝液冷卻器內(nèi)漏致低壓吸收塔頂部停加冷凝液，造成低壓吸收塔出液氨含量高(9%以上)及氣相(放空氣)氨含量高、放空量大，當(dāng)三胺裝置處于高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，低壓吸收塔下液經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥后其壓力由0.4 MPa降至常壓，高濃度的介質(zhì)減壓后其中溶解的NH3揮發(fā)出來，NH3隨工藝?yán)淠哼M(jìn)入排氣筒，由于煙囪效應(yīng)，排氣筒底部呈微負(fù)壓，工藝?yán)淠褐械陌睍?huì)再次揮發(fā)出來一部分。簡言之，低壓吸收塔吸收液濃度高、蒸汽冷凝液冷卻器因內(nèi)漏而停用致尾氣吸收效果差，最終造成放空尾氣氨含量高。

1.2.2 常壓吸收塔洗滌液量小

改造前，常壓吸收塔洗滌液源自低壓吸收塔出液，流量40 m3/h；改造后，常壓吸收塔洗滌液來自水力噴射泵出口的水力噴射液，流量10 m3/h，洗滌后形式的吸收液通過低壓預(yù)冷器給料泵送至低壓預(yù)冷器回收。由于常壓吸收塔頂部洗滌液量較小，吸收效果差，導(dǎo)致來自水解系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)尾氣中的部分NH3、CO2通過常壓吸收塔氣相管進(jìn)入排氣筒，造成放空尾氣氨含量超標(biāo)、尾氣放空量大。

1.2.3 聯(lián)產(chǎn)技改設(shè)計(jì)存在缺陷

設(shè)計(jì)上，三胺裝置中壓解吸塔氣相與4#尿素裝置中壓閃蒸分離器氣相、中壓分解塔氣相一起進(jìn)入預(yù)蒸發(fā)器熱能利用段(預(yù)熱預(yù)蒸發(fā)器內(nèi)的尿液)、中壓甲銨冷卻器、中壓吸收塔處理后，未吸收的氣體與低壓精餾氣一起進(jìn)入低壓甲銨冷凝器進(jìn)行吸收，仍未被回收的氣體進(jìn)入常壓吸收塔再次進(jìn)行吸收。當(dāng)三胺裝置負(fù)荷在70%以上時(shí)，副產(chǎn)三胺尾氣多，4#尿素裝置中壓/低壓吸收系統(tǒng)負(fù)荷重，造成常壓吸收塔負(fù)荷重，致放空量大、放空氣中氨含量嚴(yán)重超標(biāo)；而尿素裝置中壓/低壓吸收系統(tǒng)操作彈性小、操作困難，當(dāng)其無法正常運(yùn)行時(shí)，三胺裝置只能減負(fù)荷，以保證尿素裝置的正常運(yùn)行。

對(duì)標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，豐喜臨猗分公司一期50 kt/a三胺裝置與1#尿素裝置(產(chǎn)能150 kt/a)、3#尿素裝置(產(chǎn)能250 kt/a)聯(lián)產(chǎn)(回收三胺尾氣，一期50 kt/a三胺裝置原料尿液主要來自1#、3#尿素裝置)，1#、3#尿素裝置均采用水溶液全循環(huán)工藝，在其與一期三胺裝置聯(lián)產(chǎn)前也進(jìn)行了改造，經(jīng)多次工藝調(diào)整，當(dāng)一期三胺裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)生的三胺尾氣完全可以被1#、3#尿素裝置回收，1#、3#尿素裝置運(yùn)行正常，操作彈性大；而4#尿素裝置采用CO2汽提工藝，在與二期50 kt/a三胺裝置聯(lián)產(chǎn)前也進(jìn)行了改造，當(dāng)二期三胺裝置負(fù)荷超過70%時(shí)，4#尿素裝置就會(huì)因操作困難而無法正常運(yùn)行。由此表明，二期三胺裝置與CO2汽提法尿素裝置聯(lián)產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整與探討。

2 優(yōu)化改造

4#尿素裝置放空尾氣主要來源：① 低壓吸收塔放空尾氣，放空尾氣總量約2 200 m3/h(標(biāo)態(tài)，下同)、氨含量約5.8%；② 常壓吸收塔放空尾氣，放空尾氣總量約110 m3/h、氨含量約8.8%；③ 氨水槽和尿液槽閃蒸氣及系統(tǒng)內(nèi)安全閥泄漏的氣體。這三部分尾氣匯合進(jìn)入放空總管，總量約4 000 m3/h、氨含量約4.5%(夏季)?？梢钥吹?，放空尾氣中的氨主要來自低壓吸收塔放空尾氣，其排放的氨高達(dá)100 kg/h左右，占放空筒排放總氨量(170 kg/h左右)的50%以上，需著重考慮減排此部分氨。如果對(duì)放空尾氣直接在常壓下用脫鹽水吸收，需消耗脫鹽水約15 m3/h，相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生氨水約15 m3/h，這部分新增的氨水要通過解吸水解系統(tǒng)進(jìn)行處理，而現(xiàn)有解吸水解系統(tǒng)是無法滿足需求的。為確保放空尾氣達(dá)標(biāo)排放，尤其是要實(shí)現(xiàn)三胺裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)三胺尾氣全部得以回收以及4#尿素裝置穩(wěn)定運(yùn)行，需進(jìn)行多方位的優(yōu)化改造。

2.1 低壓吸收塔改造

目前，低壓吸收塔放空尾氣中氨含量高達(dá)5.8%，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值1.0%，分析其主要原因是低壓吸收塔給料泵出口氨水濃度高--氨含量在8%以上，遠(yuǎn)超4%的設(shè)計(jì)指標(biāo)；再加上蒸汽冷凝液冷卻器內(nèi)漏，低壓吸收塔頂部停加冷凝液，聯(lián)產(chǎn)后高洗器負(fù)荷重，加劇了放空尾氣氨含量超標(biāo)。可見，降低低壓吸收塔給料泵進(jìn)口氨水濃度是技改的重點(diǎn)。本次技改，新增放空氣洗滌器，其頂部用冷卻后的蒸汽冷凝液作為吸收劑(蒸汽冷凝液冷卻器已更新)，蒸汽冷凝液流量保持在4～6 m3/h，將放空氣洗滌器回收的氨水(流量2 m3/h)一部分送至低壓吸收塔頂部作為吸收劑(原來用冷卻后的蒸汽冷凝液作為吸收劑)，其余送至常壓吸收塔頂部作為吸收劑，由此可將低壓吸收塔放空尾氣氨含量控制在2%以內(nèi)。

2.2 蒸發(fā)冷凝液工藝流程優(yōu)化

由前述可知，低壓吸收塔給料泵出口氨水濃度高的原因，主要是新增預(yù)蒸發(fā)冷凝器下液直接進(jìn)入了氨水槽Ⅰ室，而該冷凝液中氨含量很高(原設(shè)計(jì)進(jìn)入氨水槽Ⅰ室的一表冷、二表冷下液中氨含量較低)，高濃度的吸收液大大降低了低壓吸收塔的吸收效果，造成低壓吸收塔出液氨含量高(9%以上)及氣相放空氣氨含量高、放空量大。本次改造，可將預(yù)蒸發(fā)冷凝器下液改送至氨水槽Ⅱ室，氨水槽Ⅱ室的氨水通過解吸塔給料泵送出，一部分送至低壓甲銨冷凝器用作吸收劑，其余送至三胺裝置尾氣吸收器，回收三胺尾氣得到的氨水經(jīng)三胺裝置中壓解吸塔解吸后送至4#尿素裝置解吸水解系統(tǒng)處理。改造后，氨水槽Ⅰ室只收集一表冷下液和部分蒸發(fā)系統(tǒng)水力抽真空液，通過低壓吸收塔給料泵送出，經(jīng)低壓吸收塔冷卻器冷卻后部分送至低壓吸收塔下部作為吸收劑(此舉可降低低壓吸收塔吸收液中氨含量)、部分送至新增的低壓洗滌塔(低壓甲銨冷凝器液位槽氣相洗滌器)上部作為吸收劑。

2.3 增設(shè)低壓甲銨冷凝器液位槽氣相洗滌器

目前，常壓吸收塔頂部采用水力噴射循環(huán)液對(duì)尾氣進(jìn)行洗滌，洗滌后的吸收液直接進(jìn)入低壓預(yù)冷凝器以降低解吸塔負(fù)荷。由于現(xiàn)有流程常壓吸收塔頂部洗滌液量較小，總水量不到10 m3/h，而原設(shè)計(jì)采用低壓吸收塔出液，總水量為40 m3/h，由此造成常壓吸收塔出液氨含量達(dá)15%～17%、CO2含量達(dá)14%～16%以及尾氣放空量大。本次改造，可在低壓甲銨冷凝器液位槽氣相出口管線上增設(shè)1臺(tái)等壓的低壓洗滌塔，低壓甲銨冷凝器液位槽氣相、解吸回流冷凝器液位槽氣相分別進(jìn)入低壓洗滌塔下部，自下而上通過洗滌塔2層填料，分別被循環(huán)泵和低壓吸收塔給料泵來液予以洗滌回收，提濃后的液相，一部分經(jīng)低壓預(yù)冷器給料泵送至低壓預(yù)冷凝器殼側(cè)換熱后返回系統(tǒng)予以回收，其余的經(jīng)低壓洗滌塔循環(huán)冷卻器冷卻后進(jìn)入低壓洗滌塔循環(huán)洗滌；低壓洗滌塔氣相經(jīng)壓力調(diào)節(jié)后送入常壓吸收塔進(jìn)一步吸收，仍未被吸收的氣體才進(jìn)入放空總管，由此可大幅降低常壓吸收塔尾氣放空量，常壓吸收塔洗滌后的吸收液則直接排至碳銨液槽。

2.4 增設(shè)放空氣洗滌塔

為防止尿素放空筒尾氣超標(biāo)，建議在放空筒出口增設(shè)放空氣洗滌塔(工藝流程見圖1)，新增放空氣洗滌塔設(shè)置在4#尿素裝置主框架61 m平面上，所有進(jìn)入放空筒的氣相(包括低壓吸收塔氣相、常壓吸收塔氣相、氨水槽氣相、尿液槽氣相)進(jìn)入放空氣洗滌塔下部，放空氣洗滌塔分為上、下兩段，頂部采用冷卻后的蒸汽冷凝液對(duì)下段洗滌后的氣體進(jìn)行循環(huán)洗滌，洗滌后的氣體直接放空，洗滌后形成的稀氨水加入到放空氣洗滌塔下段對(duì)放空總管出口尾氣進(jìn)行循環(huán)洗滌；為進(jìn)一步提高吸收效果，在放空氣洗滌塔下部加入約600 m3/h的CO2(源自CO2壓縮機(jī)二段出口)，降低氣相中氨的平衡分壓，以將放空總管尾氣中的氨含量降至0.1%以內(nèi)，濃度較低的放空氣洗滌塔出液一部分引入常壓吸收塔頂部用作洗滌液，一部分引入低壓吸收塔頂部用作洗滌液，可大幅減少系統(tǒng)脫鹽水用量。本次技改將低壓吸收塔頂部原所加蒸汽冷凝液改加至新增的放空氣洗滌塔頂部，原蒸汽冷凝液冷卻器換熱面積由10 m2增至20 m2(更新蒸汽冷凝液冷卻器)，冷凝液流量增加1倍，放空筒尾氣洗滌效果有效提高--放空總管尾氣氨含量可由4.5%(夏季高溫時(shí))降至0.1%(設(shè)計(jì)值)以下。

圖1 增設(shè)放空氣洗滌塔后系統(tǒng)流程示意圖

3 原輔材料消耗與工藝指標(biāo)及主要設(shè)備

3.1 原輔材料消耗

本技改項(xiàng)目主要消耗蒸汽冷凝液、循環(huán)冷卻水、CO2氣及動(dòng)力電：① 蒸汽冷凝液需要3～4 m3/h，由尿素車間蒸汽冷凝液泵提供；② 循環(huán)冷卻水需要150 m3/h，由供水車間送尿素車間的循環(huán)水管網(wǎng)提供；③ CO2氣需要600 m3/h，由尿素車間的CO2壓縮機(jī)(二段出口)提供；④ 每小時(shí)動(dòng)力電需要48.5 kW·h，由尿素車間供配電系統(tǒng)提供。

3.2 主要工藝指標(biāo)

低壓吸收塔出口氣相氨含量<2%，低壓洗滌塔出口氣相氨含量<2.5%，常壓吸收塔出口氣相氨含量<1.5%；放空氣洗滌塔出液氨含量1.0%～1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、回收的氨水量不超過4 m3/h，放空氣洗滌塔出氣氨含量<0.1%。

3.3 主要設(shè)備

① 低壓洗滌塔1臺(tái)，規(guī)格φ1 000 mm×5 690 mm，材質(zhì)316L；② 放空氣洗滌塔1臺(tái)，規(guī)格φ1 800 mm×12 120 mm，材質(zhì)304L；③ 低壓預(yù)冷器給料泵2臺(tái)(一開一備)，Q=30 m3/h，H=40 m，功率為7.5 kW，材質(zhì)為304L；④ 放空氣洗滌塔循環(huán)泵2臺(tái)(一開一備)，Q=85 m3/h，H=60 m，功率為30 kW，材質(zhì)304L；⑤ 放空氣冷卻器1臺(tái)，F(xiàn)=120 m2，材質(zhì)304L；⑥ 低壓洗滌塔循環(huán)水冷卻器(利舊)1臺(tái)，F(xiàn)=185 m2，材質(zhì)304L；⑦ 清洗泵2臺(tái)(一開一備)，Q=85 m3/h，H=20 m，功率為11 kW，材質(zhì)304L。

4 項(xiàng)目概況及預(yù)期效益分析

4.1 項(xiàng)目投資及工期

2023年6月，本技改項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)施工圖已完成，正處于招標(biāo)采購階段，計(jì)劃工期為8.5個(gè)月，2023年底完成改造并投運(yùn)。本技改項(xiàng)目預(yù)計(jì)投資295萬元，包括設(shè)備購置費(fèi)110萬元(含設(shè)備費(fèi)90萬元、儀表費(fèi)20萬元)、安裝工程費(fèi)145萬元(含設(shè)備/管道費(fèi)110萬元、電氣/儀表費(fèi)25萬元、防腐保溫費(fèi)10萬元)、建筑工程費(fèi)15萬元、工藝設(shè)計(jì)及手續(xù)費(fèi)25萬元。

4.2 預(yù)期效益分析

4.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

① 回收氨的價(jià)值，預(yù)計(jì)可回收氨620 t/a，氨以2 500元/t計(jì)(除新增設(shè)備有少許運(yùn)行費(fèi)用外，回收氨不會(huì)額外產(chǎn)生生產(chǎn)成本)，全年回收氨的效益為620×2500÷10000=155萬元；② 系統(tǒng)增加的運(yùn)行費(fèi)用主要為機(jī)泵電費(fèi)(其他費(fèi)用忽略不計(jì))，小時(shí)耗電48.5 kW·h，按年運(yùn)行8 000 h、電費(fèi)0.5元/(kW·h)計(jì)，全年電費(fèi)為48.5×8000×0.5÷10000=19.4萬元；③ 可回收氨水約3 m3/h，處理氨水需消耗蒸汽200 kg/m3，蒸汽以150元/t計(jì)，全年蒸汽費(fèi)用為3×0.2×8000×150÷10000=72萬元。合計(jì)全年效益為155-19.4-72=63.6萬元。

4.2.2 環(huán)保效益

本技改項(xiàng)目實(shí)施后，4#尿素裝置放空尾氣中的氨含量可由4.5%降至0.1%以下，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，預(yù)計(jì)全年可減排氨620 t，環(huán)保效益顯著。

5 結(jié)束語

綜上所述，預(yù)期本項(xiàng)優(yōu)化技改實(shí)施后，豐喜臨猗分公司二期50 kt/a三胺裝置70%負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的三胺尾氣可完全被4#尿素裝置回收；4#尿素裝置工藝優(yōu)化及設(shè)備改造后，中壓/低壓吸收系統(tǒng)的操作彈性將大大提高，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)工藝指標(biāo)將發(fā)生明顯變化--低壓吸收塔出氣氨含量將控制在2%以內(nèi)，(增設(shè)低壓甲銨冷凝器液位槽氣相洗滌器后)進(jìn)常壓吸收塔尾氣氨含量將低于2.5%，常壓吸收塔吸收負(fù)荷有效減輕，常壓吸收塔出氣氨含量也將明顯降低，4#尿素裝置放空尾氣中的氨含量可降至0.1%以下，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

經(jīng)測算，本項(xiàng)目實(shí)施后，年可增效63.6萬元(不含折舊費(fèi))，雖其直接經(jīng)濟(jì)效益不是很明顯，但技改后二期三胺裝置與4#尿素裝置可實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)定運(yùn)行，其間接經(jīng)濟(jì)效益是巨大的；而且回收了放空氣中大量的NH3，4#尿素裝置放空尾氣可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，減輕了大氣污染，改善了環(huán)境，可解決豐喜臨猗分公司的環(huán)保問題，助力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。