Stamicarbon公司的高性价比尿素工艺新流程.doc

Stamicarbon公司的高性价比尿素工艺新流程 作者/来源：廖 颖(Stamicarbon北京代表处)日期： 2010-11-30点击率：8691 前言 随着近年来，能源形势的变化以及相应国家政策的出台，化肥生产越来越倚重煤为原料，即新尿素装置或生产能力的建设越来越紧密地和煤资源挂钩。主要体现在； (1)地域上，新尿素装置或能力的建设取决当地是否有充分的煤供应，无论供应来自于当地自产还是从其他地区运抵； (2)规模上，新装置或能力很大程度上取决于煤资源的多少，而非单纯的市场供求关系； (3)工艺技术上，煤气化正得到越来越广泛的运用，因此得到前所未有的重视。 虽然，从技术角度以及经济角度来说，天然气仍然是最理想的尿素生产原料，而且将来依然会有一些化肥项目由于特定情况是由天然气作为原料的，但不争的事实告诉我们，以煤为原料的化肥项目的比重已经逐步增加并成为主流。由此带来的技术问题和投资问题就成为摆在工艺技术提供商和化肥生产商面前不容忽视的课题。1.1 技术上的新课题 (1)煤气化装置目前能具备的连续开工能力还较低，客观上要求其下游装置，包括尿素装置最好有很高的操作弹性，尤其是低负荷生产能力以应付因上游的状况而形成的需求，从而最大程度地避免停车。 (2)以煤为原料的上游会带给下游尿素生产原料(CO2)中较高的硫含量和氯离子含量。两者分别对催化剂和设备材料形成较大的挑战，因此对装置的安全性构成威胁。其中，尤其以对催化剂的影响更为直接和显著。其结果是脱氢催化剂需要不断再生甚至更换，造成很大的成本支出以及时常性的生产中断。1.2 投资问题 无论是进口技术还是国产化技术，煤气化装置都意味着巨大的建设投入，相比较天然气为原料的情况，要使得项目仍然有竞争力，则从其他单元节省投资就变得更突出和重要了。当然，真正的投资节省既包括初始投资的节省，也包括长期运行成本的节省。2 Stamicarbon新尿素工艺流程的介绍2.1 针对性 Stamicarbon开发的新工艺对上述特殊国情下的尿素项目有着极强的针对性。其目的在于逐一解决上述所有的问题，而且不牺牲工厂的性能。现分别描述如下： (1)操作弹性 该工艺流程选用超级耐腐蚀的双相钢Safurex作为高压设备和管线的制造材料。该材料是专为尿素工艺开发，并经过超过10年的工业验证，被证明即便在无氧气钝化情况下，仍然具有超越任何其他尿素工业材料的耐腐蚀性和机械强度。由于其卓越的无氧耐腐蚀性和应对高温的能力，选用该材料的尿素装置能在3040的低负荷下连续运转，而不会对设备的寿命产生任何影响。而且，即便装置被迫停产，其封塔的时间也不再如以往那样受到诸如4872h的时间限制。只要措施得当，能确保装置的温度不低于125摄氏度，则封塔时间没有任何限制，大大提高了用户的选择余地。 (2)无氧操作 因为采用Safurex材料，装置无需加氧钝化，因此CO2原料带入的氢气永远没有和氧气混合形成燃烧和爆炸浓度的机会，整个尿素装置变得在这方面绝对安全。 与此同时，装置也就不再依赖脱氢装置来脱除已经变得毫无危险的氢气了。在这种情况下，氢气不过是普通的惰性组分而已。没有脱氢装置的工厂自然和脱氢催化剂再无任何瓜葛。这样一来，CO2中的硫含量就变得无足轻重。摆脱钝化空气，除了有助于上述优点外，还使得装置里的惰性组分大大减少，高压圈的合成转化率明显提高，能耗明显降低。关于能耗，下文另有描述。另外，没有钝化空气的加入，使得CO2压缩机负荷得到约7的释放。 (3)氯离子非敏感性 Safurex材料具有对氯离子不敏感的特性。只要氯离子的浓度没有超过200ppm，就不会产生任何影响。在正常的尿素生产环境中，基本没有可能达到如此高的氯离子浓度。因而，我们可以确信，长期困扰我们的氯离子导致的设备材料腐蚀问题由于Safurex的应用而得到根治。 (4)初始投资 基于前述说明，我们知道该工艺不需要脱氢反应器。另外，由于惰性气体组分的大大减少，装置无需高压洗涤，只需要代之以一个简单的中压洗涤装置。如此，整个高压圈只需要2台或3台高压设备即可。其中，只有单线能力超过700kt的大型装置才需要3台高压设备。而国内大多数的新建装置其能力在300700kt之间。在此能力下，高压圈只需要两台高压设备：池式反应器和汽提塔。可以想象，如此简约的高压圈可以节省大量高压设备和管线的投资。以典型的日产1000t和日产1760t尿素的装置为例，完整的高压圈静设备和高压管线总汇，以目前的汇率情况看，全进口的总投资都能做到不超过1亿人民币。 无论是2台高压设备的中小型装置还是3台高压设备的大型装置，其主框架高度都不超过22m。进而人们可以联想到相应的运输、安装、基础和框架的费用也会大大节省。这里还需要指出，除了上述静设备和材料的节省，CO2压缩机组因为可以节省约7的负荷，业主将有机会买到更便宜的压缩机。 (5)长期操作成本 本工艺中，主要的长期操作成本的节省来自三方面： 高压蒸汽消耗：由于转化率提高等因素，吨尿素的蒸汽消耗量将降至700多kg。 CO2压缩能耗：根据具体的装置设计能力不难推算，7压缩负荷的节省意味着多少能牦的节省。 Safurex材料的高压设备和管线，其使用寿命是目前普通材料的23倍以上，高压设备的寿命确保在50年以上。在可预见的工厂寿命区域内，无需更换高压设备。 拟建新装置的业主应该足够关注的一个事实是：操作成本贯穿着整个生产过程和历史中，积少成多的操作成本节约其实是惊人的。我们在关注项目的建设成本的同时，应该有足够的眼光看到，长期操作成本很可能是衡量项目的可行性以及工艺技术先进性更权威的考虑因素。2.2 工艺流程描述 因篇幅的原因，本文选择国内常见的新建装置能力(年产300700kt尿素)所对应的工艺流程进行描述： 来自界区的液氨被送入高压氨泵并压缩到14.4MPa后送入池式反应器。 来自界区的二氧化碳被送入二氧化碳压缩机压缩到14.4MPa。 从CO2压缩机出来的CO2被分为两部分，大部分二氧化碳被送入高压汽提塔，一小部分被送入低压甲铵冷凝器。原料氨和二氧化碳以21的摩尔比被送入高压合成段。池式反应器是一种特殊设计的液体浸没式U型管式容器，第一部分为换热器，第二部分为绝热反应部分。氨基甲酸铵脱水生成尿素和水的反应先发生在池式反应器冷凝部分，然后在池式反应器反应部分。池式反应器反应容积允许反应物有足够的停留时间以达到反应平衡。从汽提塔加入到池式冷凝器的二氧化碳的冷凝产生的热量提供作为转化和加热池式反应器中溶液所需的热量。 含有33wt尿素的池式反应器反应部分出液由汽提塔的液体分布器进行分布。在汽提管里，池式冷凝器出液与来自压缩机的新鲜二氧化碳逆流接触，引起氨分压下降，甲铵分解。此反应需要的热量通过在汽提塔管侧通入高压饱和蒸汽提供。蒸汽压力由一个压力控制阀控制，保证离开汽提塔的液体含有10wt的氨。 汽提塔尾气与来自高压氨泵的新鲜氨和回收的甲铵一起被送入池式反应器。在池式反应器冷凝部分，汽提气通过池式冷凝原理被冷凝下来，即汽提气被分散到液池中，所产生的冷凝热用来生产0.44 MPa的低压蒸汽。所产生的低压蒸汽用于加热和解吸用途。池式反应器管侧蒸汽压力通过汽包排放管线上的一个压力控制阀来控制。通过控制这个压力来调节蒸汽冷凝液温度以及壳侧和管侧的温差。设定的蒸汽包压力值对应于合成压力约为14.1MPa。在进入低压循环段前，离开池式反应器的出液，即生成的尿素、未转化的甲铵、氨和二氧化碳通过汽提塔被输送到一个简单的绝热膨胀系统，产生的尾气和来自池式反应器尾气，惰性气体、氨和二氧化碳气体会合。经气液分离的出液，则通过高压甲铵泵被回到合成段。甲铵结合来自氨泵的新鲜的氨被注入池式反应器底部。 在0.7MPa条件下，使用来自氨水槽的氨水在中压吸收塔中洗涤气相。尾气被排放到低压吸收塔，在这里，尾气在0.3MPa条件下用氨水进行洗涤，工艺冷凝液回收几乎所有的氨和二氧化碳。中压吸收塔出液被排放到低压甲铵冷凝器，在这里，通过闪蒸分离器加热器回收废料，尾气在低压吸收塔中进行洗涤。 在低压循环段，基本上所有未转化的氨和二氧化碳都从尿素甲铵液中被分离出来，尿素甲铵液离开中压系统，被膨胀到0.46MPa后进入精馏塔并分布在鲍尔环填料床层上，这导致部分甲铵分解蒸发。剩下的含有甲铵的液体从精馏塔底部被送入循环加热器，在这里温度上升到约为135从而进一步分解剩下的甲铵。所需要的热量由低压蒸汽和新鲜二氧化碳提供。 离开精馏塔的气体被送入低压甲铵冷凝器。这是一种液体浸没式冷凝器，在这里，来自精馏塔的蒸汽几乎完全冷凝下来。由调温水来吸收冷凝热。工艺冷凝液也被送入低压甲铵冷凝器以控制甲铵液中水的浓度。 在低压甲铵冷凝器的液位罐中，液相从气相中分离出来。甲铵液通过中压甲铵泵到高压甲铵泵并通过闪蒸分离器加热器被合成段回收。 离开精馏塔底部的尿液通过液位控制阀流向大气闪蒸分离器。由于绝热闪蒸到大气压力，一部分水分被蒸发，一些氨和二氧化碳被释放出来。这些蒸汽几乎完全在闪蒸分离器中冷凝下来。在大气吸收塔中，闪蒸分离器冷凝器中未被冷凝的氨和二氧化碳通过来自低压吸收塔的氨水从惰性气体中被洗涤出来。离开闪蒸分离器冷凝器的冷凝物被送入低压甲铵冷凝器和或解吸段的回流冷凝器。 来自中压的尿素溶液被送入真空闪蒸分离器。溶液中的一部分水在这个过程中被蒸发出来，尿液浓度增加到85wt。离开闪蒸分离器的气体被冷凝后输送到废水处理工段，同时剩下的气体被排放到大气吸收塔底部。离开真空闪蒸分离器的气体被排放到蒸发冷凝器中。来自真空闪蒸分离器的尿液被送入尿液槽A隔间中，其功能是作为尿液熔融泵缓冲装置。在二段蒸发，尿液被浓缩到99.7wt。二段蒸发压力约为3.3kPa。离开二段蒸发器的尿素熔融温度为140。离开两个蒸发器的蒸汽在蒸发冷凝器中进行冷凝。 来自这些冷凝器的少量尾气被加入常压吸收塔中。氨水槽A隔间中收集的工艺冷凝液被排放低压吸收塔中。 来自二段蒸发器的尿素熔融流向尿液熔融泵吸入侧，进而被送入造粒塔。 浓缩的熔融尿液被送入旋转造粒喷头。造粒喷头以细小液滴形式喷洒熔融尿素。尿液滴在下落过程中凝固成小颗粒尿素。结晶热通过自然通风被带走。在造粒塔底部的旋转刮料机将尿素颗粒转移到传送带上输送到尿素散装仓库。 来自蒸发冷凝器的工艺冷凝液在低压吸收塔和常压吸收塔中用做吸收介质。来自常压吸收塔的冷凝液通过烟囱被送入氨水槽B隔间。 来自氨水槽B隔间的工艺冷凝液通过解吸塔换热器后被泵送到解吸塔顶部。在解吸塔顶部，通过解吸塔和水解塔底部的塔顶蒸汽将大部分氨和二氧化碳汽提出来。解吸塔顶部出液通过一个水解塔换热器被泵送到解吸塔顶部，在水解塔换热器处冷凝液被加热到140200左右。在水解塔中，尿液分解成氨和二氧化碳，同时通过新鲜高压蒸汽加热到约为 200205。为了使水解塔出液中尿素含量非常低(2ppm)，工艺冷凝液与新鲜蒸汽逆流接触。离开水解塔的含有尿素的工艺冷凝液通过水解塔加热器后进入解吸塔底部。水解塔塔顶蒸汽被送入解吸塔顶部。 在水解塔换热器中将水解废液冷却到约为150后，该冷凝液被送入解吸塔底部的顶部。在这里，剩下的氨和二氧化碳通过使用低压蒸汽被汽提出来。塔顶汽提进入解吸塔顶部的底部，在这里他们被用作汽提介质。离开解吸塔底部的工艺冷凝液在解吸塔换热器中被冷却。最终的工艺冷凝液含有非常少量的氨和尿素，可以用作几种用途，例如：锅炉给水的补给。 来自解吸塔顶部的塔顶汽提在回流冷凝器中冷凝后作为甲铵液被送入低压甲铵冷凝器。为冷凝的蒸汽被送到常压闪