充分认识和开发水溶液全循环尿素装置增产节能的潜力

充分认识和开发水溶液全循环尿素装置增产节能的潜力 钱镜清 原湘江氮肥厂总工 摘 要 文章介绍了水溶液全循环工艺尿素装置在中国 40 年的技术开发经历 并详细介绍 了技术进步过程中所应用的增产 节能工艺与设备 在此基础上 作者提出了蒸汽单耗可 与汽提工艺装置相媲美的高效回收热能的水溶液全循环新工艺 前 言 笔者毕身从事水溶液全循环法尿素装置的生产工艺和技术发展工作 从 1958 年在南京化 肥公司尿素中试装置实习和在国外学习尿素生产工艺至今已有 48 年的时光 其中前 28 年 在中型尿素厂工作 从事生产指挥和技术开发工作 从 1986 年开始一直在小尿素装置上从 事生产和技术开发的指导工作 由于小尿素厂一直有不断增产的客观需要 给预笔者极好 的机会 去研究和挖掘小尿素装置增产节能的潜力 由于众多小尿素厂的配合 笔者结合 在中尿装置上的实践经验和不断总结提高各小尿素厂的生产实践 使水溶液全循环工艺在 中国 40 年的技术开发和发展 已不再是上世纪 60 年代能耗高的落后工艺了 我们在实践中对水溶液全循环尿素装置具有的两个优势有了充分的认识 笔者期望我国 有 192 套水溶液全循环法尿素工艺装置 原小尿素约有 150 多套 其中单套生产能力由原 60kt a 发展到 180 200kt a 的所占的比例较大 原中尿装置 110kt a 已发展到 260 300kt a 原化四院新设计的 200kt a 装置可达到 300kt a 对此工厂同仁们有所共识 1 只有水溶 液全循环工艺装置 通过少量的技改措施 低的技改投资 使生产能力可扩大 1 2 倍 2 在增产的同时 使用现有的热能回收技术 使生成甲铵的热能回收率提升 汽耗已降 至 1105 1110kg 笔者新开发的技术 不用高压循环圈改造 汽耗可降至 900kg 以下 期待此技术能被众多 水溶液全循环工艺装置的工厂分享和使用 技改投资只需 200 300 万元 每个尿素厂都能 独立自主的进行技术改造 可获得增产节能的高效益 在本文中将逐步阐述水溶液全循环尿素装置的两个优势 1 小尿素装置在设计上就已存在的技术优势 期望众多从事尿素生产的同仁们有充分的认 识 1 1 采用预蒸馏工艺 我国 1966 年从荷兰 Stamicarbon 公司引进的技术为预分离流程 在小尿素装置开发前 设计和研究单位一直在争论 一段分解系统采用预分离流程还是预蒸馏流程 他们认为预 蒸馏流程 既然不能节省蒸汽 还不如搞预分离好 因此在中尿第二版设计 约 1973 年 采用了南化公司尿素中试装置上开发的预蒸馏流程外 以后的三 四版设计还是用预分离 流程 但中型尿素厂在实践中认识到预蒸馏流程的优越性 大多数厂采用预蒸馏塔取代了 预分离器 到小尿素装置时 从事小氮肥设计的工程设计者就已肯定了此工艺的优点 与 预分离工艺比较 1 1 1 由于预蒸馏气温度下降至 125 与原 160 的一分气比较 使进入一段回收系统的 水蒸汽量减少 有利于系统的水平衡 因此一 二段吸收用水量可增加 提高了一 二段 吸收操作的稳定性 1 1 2 总的工艺水循环量减少 可控制入合成塔的物料 H2O CO2 分子比在 0 65 尿塔转 化率可达 67 1 1 3 由于二段吸收用水增加 二甲液中 CO2 组分可降至 16 18 二甲液气液平衡压力 降低 因此可降低二段操作压力 使二分温度降到 135 操作 在此二分段缩二尿增值几 乎是零 提高了成品的优级品率 1 1 4 因预蒸馏塔内传热传质的作用 一分加的汽耗量下降 预分离工艺时 因转化率为 63 一分加汽耗为 900kg tur 预蒸馏工艺时 由于转化率达 67 一分加汽耗为 540 kg tur 中型厂鲁南化肥厂预分离工艺 1981 年实测汽耗为 1500kg 尿塔转化率为 65 四川 化肥厂预蒸馏工艺 1983 年实测汽耗值为 1330kg 福建永安小尿素装置在 120kt a 时 汽耗 值为 1380kg 1 2 一吸塔增设一吸外冷却器 增设一吸外冷却器 是吸收日本改良 C 法的技术 使一吸塔的吸收负荷外移 吨尿素需 0 4m3 的吸收体积 因此外冷却器的管间空间成为吸收 CO2 的体积 从而提高了一段吸收 系统的生产能力 使一吸塔内的吸收负荷下降 回流氨用量下降 中型装置没有外冷却器 预分离工艺时 一吸塔顶底回流氨用量吨尿素为 2 0 m3 小型 装置中有一吸外冷却器 可不用底回流 吨尿素回流氨用量 视一吸外冷却器中热量带出 多少 在 0 6 0 8 m3 之间 整个吸收系统增加生产负荷后 不必增加氨冷凝器面积 因为 1 m2 一吸外冷却器的作用相当于氨冷凝器 5 m2 用好一吸外冷却器 当装置生产能力提高时 必须增大脱盐水的循环量 单增加一吸外 冷却器面积是不够的 并在每个冷却列管中要加麻花状铝条 可增加水的湍流速度 以提 高传热系统 使甲铵生成热量移出 脱盐水温度控制在 90 95 使浓甲铵在一吸外冷却 器中不产生结晶的危险 调温水至 95 是上限 如在 95 100 下循环 因汽化而使泵的循 环量下降 一吸塔底部温度会上升 设置或增加一吸外冷却器是使尿素装置吸收系统生产能力提高的有效措施 同时热能回 收率也相应提高 冷却循环脱盐水量应能移走相应的热负荷 此脱盐水循环系统中 能供 入 2 5 m3 tur 的冷脱盐水量 供水压不少于 0 4MPa 脱盐水循环量应有 20 25m3 tur 来配 置相应容量的循环水泵 一吸外冷却器不仅可减少一吸塔鼓泡段吸收的吸收量 同时可改善一吸塔精洗段的操作 条件 使塔上部氨水吸收 CO2 的量减少 避免甲铵饱和而进入溶液分层区 使甲铵结晶析 出 因此提高了一吸塔的操作稳定性 小尿素装置能提高生产能力的部位另一个就是一段蒸发加热器的热能利用段 设计单位 只计算热能利用 没有核算其吸收 CO2 的甲铵生成热 未计算该段的吸收能力 因此原 60kt a 小尿素装置不做任何修改 可达 80kt a 增加一个相等面积的一吸外冷却器 产量就 可达 100kt a 1 3 二甲液在一段吸收系统的流程改进 在预蒸馏工艺中 二甲液中 CO2 含量可降至 16 18 先送至一蒸加热器热利用段 然 后至一吸外冷却器 再进入一吸塔鼓泡段 这可充分利用一蒸加热利用段和一吸外冷却器 的管间空间吸收 NH3 和 CO2 并移走甲铵生成热 是预蒸馏工艺装置中既能增产 又能 提高热能回收率的两个部位 目前有少数厂还未控制降低二甲液组分的操作 控制在 18 20 之间 中型装置改为预蒸 馏工艺后 也未把二甲液组分由 20 降下来 这是不合适的操作工艺 未能发挥增产节能 的效益 1 4 一分加热器 一分加热器为升膜式列管加热器 列管底部加节流孔 此技术由原化肥司中氮处主持与 Stamicarbon 公司进行技术交流时 由该公司提供过该节能又降低在一分加中缩二脲增值的 技术 节流孔技术是使尿液在一分加底封头处能均布地进入各列管中 尿液已呈沸腾状态 由节流孔引入列管后 提高流速 使流体成液膜上升 液侧传热系数值增大 可以节省蒸 汽 同时减少物料在列管中的停留时间 避免尿液在原列管式加热器中出现返混等现象 从而降低缩二脲的增值量 如无节流孔时 尿液从中间的列管上升量大 到列管上端时 因尿液温差关系 大量低 温尿液可回流至加热器外围的列管中 形成循环流的返混 一分加热器与预蒸馏工艺装置的结合 可减少一分加的面积 即一分加在同样的面积下 可增加生产能力 小尿素装置第二版设计中一分加面积增加至 94m2 比中尿预分离工艺装 置中的吨尿素面积还大 何况采用预蒸馏工艺及列管底端又装有节流也孔 因此 94m2 可 通过 360t d 产量 如加上预分离器后 可通过 420t d 产量 使用好一分加的要求 即一分 加底部加入的二次防腐空气一定要除去油雾 否则在列管表面产生油垢而积炭 影响传热 效果 但现在小尿素装置中一分加列管结垢难清洗而去掉了节流孔及因结垢产生的传热效果不 好 而在增产时加大了一分加的面积 而且不使用节流孔技术 在增产的同时汽耗反而上 升了 尿素装置所有加热器都采用升膜式 有其独特的优点 即产量上升时 由于物料上升流 速增加 传热系数上升 在同样的面积下 产量可提升一倍 在蒸发系统又可获得优质品 尿素 至于蒸发加热器列管发生腐蚀 目前大多数已采用耐冲刷腐蚀的钛或钛合金材料 1 5 解吸塔设置回流冷凝器 中型装置解吸塔顶部只以未经热交换的碳铵液 称冷流 进入 并通过调节冷流量控制 塔顶温度 以及其他设计因素 适应性较差 操作弹性小 小尿素装置解吸系统设置回流 冷凝器 以回流冷凝液作为解吸塔顶部 1 6 精馏段的回流液 所以控制解吸冷凝以后的温 度在 112 较方便 解吸气中的水蒸汽含量较平稳 对稳定二循一冷的操作十分有利 回 流冷凝器的冷却水用出自一吸外冷却器的 95 100 热水 出口水温至 105 因回流冷凝 器在 24m 层标高 热水依位差自流至锅炉房使用 700mm 的解吸塔 16m2 的回流冷凝 器 每小时可解吸 7 8m3 的碳铵液 废液排放指标 不超过设计值 有不少厂将合成系统 精炼气的洗涤液稀氨水也送至解吸塔解吸 每小时可解吸 10m3 1 6 惰洗器设置防爆空间 惰性气体洗涤器上部的分离空间 分离后气体中含有大量氢气 约 30 35 以及 10 左 右的氧气 是爆炸性气休 只要有微量的引爆火源 就会发生化学爆炸 约有 1 4 的中型 尿素厂在初期发生过在不同部位的爆炸 而惰洗器分离器部位发生爆炸机率更多 因此小 尿素装置通用设计在惰洗器分离器部位设置防爆板 板上部空间为防爆空间 来自氨冷凝 器 A 的气体 气体中含氨量 80 经防爆空间后至氨冷凝器 B 用氨分压高的气体作为熄 爆气源 一旦有爆炸发生 防爆板破裂 爆炸性气体进入防爆空间后 由于大量气氨的稀 释 而使爆炸停止 避免惰洗器分离部位粉碎性爆炸 防爆板因设计原因稍有物理性压差即破裂 影响使用 四川川化集团公司改进了防爆板 的安装方法 避免防爆板破裂而真正起到了防爆作用 2 小尿素装置技术开发进展 2 1 预分离一预蒸馏工艺技术的开发 1983 年齐鲁一化中尿装置上又把原有的预分离器恢复在预蒸馏塔前 当时中尿装置没有 一吸外冷却器 预分气直接进入一吸塔鼓泡段吸收 现在回过头来看 当时此工艺流程没 有发生较大的影响 跟着改进的只有兰化和巨化两厂 分析原因 是原预分离器容积较小 800 2600 V 1 3 m3 在运行中预分离器内压力上升 不能达到在设计压力 1 7MPa 的预分离效果 其次是预分气直接进入一吸塔 无一吸外冷却器的功能作用 在操作工艺 上当时中型厂虽改为预蒸馏工艺流程 但都没有认识去调整预蒸馏工艺的优越性工艺指标 如二甲液 CO2 组分仍保持在 20 也仍是直接进入一吸塔的 而小尿素装置二甲液组分下 降至 16 18 此二甲液先送入一蒸加热利用段 与预蒸馏气汇合 CO2 气分压上升到 18 6 产生较多的甲铵反应 再入一吸外冷却器与预分气中有 92 的氨进行吸收 CO2 的 反应 因此一分气中总的 CO2 量在一吸塔前被吸收了 80 按热能回收率推算 热能回 收率提高 又使一吸塔热负荷下降 一吸塔吨尿素回流氨用量由预分离工艺的 2 0M3 降至 0 6M3 因此中尿装置当时恢复预分离器后 没有充分显示出该工艺回收甲铵生成热的优 势 但由于预蒸馏气和预分离器在一段分解系统的分流作用 使一分系统总体压力下降 有利于一段分解率 当时中尿装置不是为了提高生产能力而恢复预分离器 只是认为预分 离器分离出的气相物料 不需经一分加热而节省汽耗 以及预分气相中的水蒸汽分压低进 入一段吸收的水份可减少 山东明水两套小尿素装置是小尿素厂中使用由笔者建议 3 5M3 容积的预分离器 介绍齐 鲁一化预分离器安装位差高于预蒸馏塔 18 米 这些数据的提出是对原设计研究单位安装位 差仅 5 米或 7 米的质疑 使该厂安装位差为 12 米 也是第一厂把预分气先进入一吸外冷却 器中 然后进入一吸塔 某院原设计有预分离器和一吸外冷却器 但预分气仍进入一吸 塔中 两套装置增加预分离器后蒸汽消耗有明显的降低 表现在一分加热器中蒸汽侧压 力下降 在预分气相管上仍装有压力平衡阀 当装置生产负荷低时 两套装置能有节汽的 效益 而当两套装置增加负荷后 因位差不到 15 米 并且预分气相管仍用 139 管未放大 因此在老系统的压力平衡阀全关 新系统的只能开一点 如此也就失去了预分离器的作用 笔者分析这种状况 认为不是预分离一预蒸馏工艺流程的问题 而是没有安装好预分离 器的结果 笔者认为预分离器的安装要满足两个工艺要求 一是确保在生产过程中 预分离器内压 力要接近设计压力 1 7MPa 才能接近预分离效率的设计值 为此预分离器的容积 预分气 相管径要与相应的生产负荷相匹配 预分气相管程中要消除不必要的阻力损失 如取消其 管路上的压力平衡阀 以降低预分离器内的实际压力 二是预分离器和预蒸馏塔安装时要 有足够的位差值 在预分气相管上没有压力平衡阀的情况下 能使预分离液能顺利的流到 预蒸馏塔中 因此笔者在第二厂中在当时的生产负荷下 预分离器仍用 3 5M3 安装位差 为 15 米 预分气相管径用 159 与预蒸馏气相管径相同 预分气相管上不装压力平衡阀 系统物流正常 原汽耗为 1380kg 装上预分离器后 汽耗为 1280kg 实施该工艺的配套措施 必须要调整一吸外冷却器的面积和一吸外冷却器的调温脱盐水 循环量 因为在其中吸收 CO2 的量增加 若在此气液混合物温度上升 吸收 CO2 的能力 下降 则进入一吸塔的量增加 使一吸塔操作困难 2 2 增加预分离器后 汽耗为什么会下降 预分离器的设计压力在 1 7MPa 下的总蒸出率为 53 甲铵分解率为 15 预分气相中 氨的分压占 92 CO2 占 3 5 H2O4 5 因此预蒸馏气中 NH3 CO2 比由原 8 03 降至 3 94 降低了 NH3 CO2 比的预蒸馏气至一蒸加热利用段中冷凝 冷凝液中 NH3 CO2 比也 下降 使溶液沸点上升 于是就提高了换热段壳温度 增加了换热量 同时因预蒸馏气中 CO2 分压上升 由原 10 4 提高到 18 7 增加了液体吸收 CO2 的推动力 而笔者在操作 工艺上利用水平衡的概念 调整了二循一 二冷的加水量 使二甲液中 CO2 含量降至 14 15 则在一蒸加热利用段中吸收 CO2 的量增加 也使换热量增加 在一吸外冷却器中由于引入含氨 92 的预分气 因此可把由一蒸加热利用段过来的一分 气中残余 CO2 被多吸收一些 则进入一吸塔的 CO2 量下降 此工艺使一吸塔内的吨尿素 回流氨量可下降至 0 35m3 在一段分解系统 由于预分离器的安装 合成塔出来的物料经分解后的一分气量 约一 半量是预分气相量 即 53 的过量氨不进入预蒸馏塔中去了 因此进入预蒸馏塔的物料量 减少 又经预蒸馏段后 大量气相进入预蒸馏气相中 则进入一分加的物料量又会明显下 降 则一分加的耗汽量也随时下降 进入一分加的物料量下降的例证是 原小尿素装置扩 产到 100kt a 以上时 预蒸馏液至一分加底部的物料管更换至 159 使用预分离器后 在 预分离效率高的情况下 此管发生严重的腐蚀 在多厂发生此腐蚀工况 只有把管径缩小 用 108 管才解决腐蚀问题 因在原 159 管中 液位降低至管路中 发生周期性的气蚀腐 蚀引起 同时在预蒸馏段中填料或塔板因缺氧也发生严重腐蚀 笔者首次遇到此工况是在 200kt a 预蒸馏装置的山西晋城一化厂 装置安装时笔者建议增设预分离器后 因该厂日产 量较低 约 600t d 在此 159 管中发生汽腐蚀 而在山西临猗厂 同样装置中 增设预 分离器后 因日产 750 t d 此 159 管中未发生腐蚀问题 由此可以分析出 预分气相温度为 115 这是由 53 过量氨在预分离器中分离出来了 若都进入预蒸馏塔中 预蒸馏出气温度在 125 130 则一分气中总热焓值上升 这部分 热量是由一分加的蒸汽提供的 因此一分加的汽耗量有所下降 这下降值应是一分气总量 的热焓值和预分气相量在 115 的热焓值之差 同时因二气分流 使一分系统整体压力下降 则一分分解率和总氨蒸出率上升 不必加热 到 160 就可以完成一段分解率和总氨蒸出率 2 3 笔者在小尿素装置上汽耗值下降到 1050kg 的技改历程 由于小尿素装置有不断增加生产能力的要求 在单套能力已达到 180 200kt a 的已为数不 少 笔者和不少厂在不断实践中 逐步提高了单套装置的能力 并使汽耗值逐步降到 1050 1100kg 2 3 1 使用好预分离器 在预蒸馏塔前设置预分离器 首先由山东省院 1986 年的设计中使用 以后在 SHS 节能 工艺中和自汽提式一分塔工艺中使用预分离器 笔者根据各种报导或实地考察 其预分离 效率未达到原化四院的设计值水平 又根据中型装置改为预蒸馏工艺流程后又恢复预分离 器的安装情况 分析出首先要安装好预分离器 使预分离器在运行过程中的实际压力要接 近设计值 1 7MPa 才能获得设计的预分离效率 因此设置预分离器时 要有适当的容积 预分气相管径 管程中不设置热交换设备 预分气相管上不设置压力平衡阀等 气相管径 要与相应的生产负荷相匹配 安装位差值一定要大于预分离器和预蒸馏塔之间的位差值 在小尿素装置按笔者设置预分离器的流程中 预蒸馏塔的压力大于预分离器的压力 0 1MPa 实测值 则理论位差值为 10 米 所以在安装时取 15 米是合理的 实际流程中 物料是能流通的 取 15 米的位差值已被不少厂和新的节能工艺设计中取得共识 2 3 2 该工艺装置中增产的配套措施 即与生产负荷相适应的一蒸加热利用段面积和一吸外冷却器的面积 这能起双重作用的 功能 如一蒸加热利用段面积的增加 即能增加一段吸收能力和一段蒸发能力 又可提升 一段甲铵热能的回收率 在一蒸加热利用段增加面积时 一定要考虑尿液在列管中的流速 不要下降 否则 K 值下降 换热量下降 一吸外冷却器列管中原装有麻花铝棒 以增加循环调温水在列管中的流速 提高水侧的 K 值 不少厂加大一吸外冷却器面积时 不设置麻花铝棒 又不增加调温水的循环量 则 单增加面积 一般是增加一台 是不会起大的作用的 增加装置产量时 如增加一台外冷 却器时 一定要加大两个外冷却器的循环水量 如更换大容量的泵外 需要换大管径的水 管 最宜一台泵对一个冷却器为一个循环系统 以增大调温水的循环量 预分气相管程不宜串联经过两个外冷却器 接入靠近一吸塔的原有外冷却器中 接入管 径相应放大 相应脱盐水循环量在此外冷却器中更需加大 在增产技改中 有的厂只安装预分离器 但未准确的把握笔者在实践中提出的一些具体 经验 则增产后 汽耗上升 一吸塔回流氨用量上升 引起氨冷凝器超负荷运行 一段压 力调节阀开度增加 逐使氨耗上升 2 3 3 高压蒸汽冷凝液余热的利用和增加尿液的闪蒸加热器 增加尿液闪蒸加热器是蒸发系统提高整体生产能力的需要 在预蒸馏工艺装置中 二段 分解后尿液浓度为 66 9 这是系统工艺水平衡的重要标志之一 预分离工艺为 70 通过原单纯的闪蒸分离后得 70 的尿液 预分离工艺为 74 笔者在闪蒸分离器前在管 路中插入闪蒸加热器 以减少二分后尿液在管路中的阻力损失 使二分塔在 0 25MPa 下能 进入闪蒸分离器 而热源来自高压蒸汽冷凝液通过 0 6MPa 级的中间闪蒸槽出的 0 6MPa 蒸 汽 在一定的生产负荷下 通过合适的闪蒸加热器面积 其供需热量是平衡的 在 0 6Mpa 的中间膨胀槽可闪蒸出冷凝液量的 15 的蒸汽量 根据现场观测 某厂使用此余热利用措 施后 闪蒸后尿液浓度可达 74 以上 即可提高一段蒸发系统的生产水平 并使尿素汽耗 节省 80kg tur 该厂原汽耗为 1380 kg tur 装上预分离器后在同样生产负荷下 汽耗降至 1280 kg tur 增加闪蒸加热器后降至 1200 kg tur 2 3 4 增加一段吸收系统和蒸发系统的生产能力同时 汽耗进一步下降至 1050 kg tur 笔者在提高生产能力时 尽力挖掘现有设备的生产潜力 以少增加设备为前提 在上述 的实践基础上 考虑只要增加一蒸加热利用段和一吸外冷却器的面积 也就是增加了一段 的吸收体积 同时蒸发系统的生产能力也提高 而生成甲铵的热能回收也得以提高 在装 置能力到 180t a 时 吨尿素汽耗由 1200 kg tur 下降至 1050 kg tur 这 1050 kg tur 汽耗也有 生产规模扩大后 整体规模效益在内 笔者在该厂的实践过程中 得到中型尿素厂福建三明的共识 三明是原 110 kt a 装置 已 增加了尿塔的增产技术措施 在 1999 年采用加预分离器的技术 当时还未使用利用余热的 闪蒸加热器 在该厂的技术总结中报导在 2001 年装置年产 260kt a 汽耗在 1100kg 建议 该厂使用利用余热的闪蒸加热器 汽耗也会降至 1050kg 这个技改简单 不改变原生产流程和生产工况 而技改投资很低 是目前中 小尿素厂自 筹资金可解决的 2 3 5 合成塔转化率必须达到 67 在装置增产过程中尿素合成塔的转化率不能低于 67 否则一分加的汽耗会上升 增产 后尿塔的生产强度上升 一般需使用高效塔板或新的合成塔内件 如增产幅度高于单塔生 产强度 I 20 时 必须使用双塔 使用双塔时 据笔者考察的结果 当双塔内生产强度 I 14 时 不必使用高效塔板 仅用传统塔板 12 块 可减少塔顶部无塔板段的高度 和 3 块旋流 板 如 1400 尿塔 需装 5 块旋流板 旋流板装板间隔以 400mm 为宜 塔板间距以 1000 1500mm 为宜 否则会影响转化率 2 4 提高水溶液全循环法尿素装置的技术水平有创新的几个技术 2 4 1 高效合成塔板的开发 我国中小型尿塔都使用传统的多孔筛板 随着小尿素装置生产能力的提升的需要 研制 开发了新型塔板 在塔板上增加气泡式泡罩 使气液相接触反应的几率增加 并加快反应 热的扩散速度 从而提高第一反应式的完成程度 另外 需增加塔板的安装数量 板间距 为 1m 以增加塔内的反应区段 因此在高生产强度下 I 20 时 转化率不低于 65 基于对尿素合成反应机理新的认识 开发了多种能提高尿素合成转化率的新型塔板和新 的内件 旨在提高合成塔的生产强度和降低装置能耗 近几年来 合成塔内件技术进步是 很快的 为降低传统工艺装置的能耗起到了积极的作用 合成塔高效塔板的出现 使我们加深了对转化率影响因素的认识 小尿塔塔径为 1200mm 容积 17 m3 的内装 6 块板 3 块旋流板 3 块多孔板 20 m3 内装 7 块板 3 块旋流板 4 块多孔板 24 米 3 内装 8 块板 3 块旋流板 5 块多孔板 26 米 3 内装 8 块板 4 块旋流板 4 块多孔板 反应容积的增加 只是增加高度 而塔板数未增加 因此 20 m3 以上的尿塔 在塔的上部约有 2 5 的空间是空塔 空塔段对转化率影响程度极 大 在设计生产强度下 一般 I 7 8 转化率靠较长的转化时间达到 67 生产强度提 升 转化率下降 当生产强度达 11 时 转化率低于 60 当 I 达到 14 时 转化率反而上 升到 64 这说明塔内物料上升速度增加 减轻了塔上部 2 5 空塔段内的返混程度 当 I 14 时 物流平推速度还不足抵制上部尿素熔融物因重度差而引起的返混现象 原转化率的概念是在静止状态下测定的 以转化时间 1 小时为基准 再确定一种生产强 度的合成塔容积对动态下的物流影响因素认识是不足的 通过小尿塔不断提高生产强度下 所观察到的实际工况 理解了物流上升速度对转化率的影响很大 新塔板有两种型式 一是使气流形成小气泡扩散出去 以增加气液相的接触面积 提高 气液相的反应几率 这种型式首先有上海院和原海懋公司首度研制的泡罩形塔板 驼峰板 在塔板上分布小泡罩 使上升的气体从泡罩的四周小孔逸出 与液相层反应 增加了第 一反应式的反应几率 在塔内布置较多的高效塔板 也增加了更多的反应几率 从而在高 生产强度下 转化率仍能维持在 66 或以上 17 m3 塔可到 360 吨 天 20m3 塔达 400 吨 天以上 这是极大的进步 原 60kt a 装置生产能力 单塔可提高一倍以上 后由宁波远东公司生产的球帽型塔板 作用原理与驼峰式一致 但小泡罩分布在塔板四 周多些 理由是让塔壁四周的滞留物料活跃起来 气流速度将提高塔壁间隙的物流速度 减少气液接触的时间差 结果在同样板数 同样生产强度下 转化率略高 1 泡罩下的气流除能增加与液体反应的速度外 因其流动状态改善 还能将反应热量迅速 扩散出去 从而更有利于第一反应的进行 所以能在高生产强度下获得高转化率 这主要 取决于加速第一反应式进行的条件 即增加气液接触面积和机率 减少气流 液流在上升 流动时的时间差 小气流的扩散作用也能把局部反应热传递出去 从实际塔顶底温度差也 可看出 传统塔板尿塔中顶底温差大 使用新板后 新板放在下部 旋流板之上 底部 温度上升 顶底温差缩小 说明第一反应程度强化 由于新塔板的出现 可推断第一反应式起着决定性的作用 而不是由第二式的转化时间 决定转化率的高低 生产实际也证明了这种推理 即生产强度提高了一倍多 物料在塔内 流动时间不足 30 分钟 转化率仍在 66 以上 第二种新型板 也是筛板型塔板 塔板为一边开口 呈舌形 塔板与塔壁密封安装 液体 在塔内经塔板的阻隔 折流式上升 这是化四院在 1400 1800 中型尿塔上的创新 上下 两板安装时开口处以 120 或 180 交叉 120 即由三块板形成一个液体旋流环 180 即 液体在上下两块板相互交叉折流 气体由筛板上的小孔逸出 与折流式旋流的液体能充分 接触和反应 这种板既增加了溶液在塔内的流动时间 又克服了传统塔板的所有弊端 所 以塔板效率高 笔者通过考察与分析 认为在大塔径上使用该板其效率高于小塔的泡罩型 板 生产强度在 14 15 时 转化率 67 2 4 2 一段蒸发蒸汽洗涤技术 在中型厂早期如鲁南的分步冷凝法 巨化的一表液循环洗涤法 分步冷凝或洗涤 其工 艺控制温度在 70 使部分二次蒸汽冷凝 把夹带在其中的尿素洗涤下来 一段蒸发二次蒸汽在一表冷冷凝后的一表液中含有 1 5 左右的尿素 预蒸馏工艺装置 吨尿素一表液量约 430kg 则尿素在一表液中损失量约 6 5kg 若工艺冷凝液能合理使用的 话 即用一表液 100kg 补入二表液中作二循一 二冷的吸收用水 则 330kg 一表液最后 是经解吸后作为废液排出 则排放掉 5 千克尿素 在小尿素装置中蒸发加热器和分离器是上下一体结合的 分离效果较差 所以在一表液 中尿素含量有 2 以上 因此采用二次蒸汽洗涤技术后 解吸废液中尿素含量降至 0 1 回收率达 95 以上 目前为小尿素装置增设洗涤器的技术服务有无锡生化厂和宁波远东塔器公司 其工艺原 理与中型厂的洗涤技术是一致的 无锡厂采用高效喷雾式小喷头 宁波厂利用该厂的高效 DL 型洗涤板加上液体喷雾喷头 洗涤回收率都能达到 95 2 4 3 低压深度水解技术 深度水解技术是处理解吸废液中的尿素 以回收尿素水解后的氨 国内目前用类似 UTI 技术中的汽提水解法 可以用中压蒸汽和 CO2 或空气做汽提气 在较低的温度下完成尿素 的水解反应 美国孟山都公司现拥有 UTI 的深度水解技术 在中型厂辽宁盘锦化肥厂 四川川化 原 小型厂江苏宜兴已使用 该公司拟在中国大力推广 但专利费及装置费用较贵 不是一般 工厂能承受的 北京寰球化学工程公司类似的设计已在多厂使用 该技术以 1 2MPa 蒸汽作热源 以单 塔水解及解吸的上下段新工艺 可处理含氨 500 700 10 6 含尿素 1 0 1 3 的废液 处理后工艺冷凝液中氨或尿素均可降至 3 5 10 6 该技术已在山东兖矿鲁南使用 河 南辉县昊利达的装置正在建设中 中国现有多家研究院或技术开发公司开发低压低温深度水解技术 如上海院 无锡生化 公司 在云南解放军氮肥厂使用 宁波远东公司等 在我国大尿素装置上一般都使用 Stamicarbon 公司的高压深度水解技术 用 2 5MPa 高压 蒸汽 190 温度下进行高温水解 特殊不锈钢设备庞大 对我国中小尿素装置使用条件不 太成熟 化四院的高压深度水解技术 在福建三明和湖南资氮厂中投产使用 另化四院在 200kt a 水溶液全循环工艺装置中也使用了该技术 但安装后使用的不多 一般在原小尿素 厂中投入高压蒸汽比较困难 笔者对深度水解技术推广的看法 现在都在开发低压低温深度水解技术 是适合我国中小型尿素厂的经济条件的 但一般 小尿素厂都在县级市的边缘 特别在北方地区 尿素厂的排放水作农田灌溉 很受欢迎 这样的厂地区对环保条件就不是很严格的 因此使用蒸发蒸汽洗涤技术就能回收碳铵液中 的尿素 在解吸废液中含尿素 0 1 洗涤效率已达 98 99 使每吨尿素氨耗下降 5kg 如 上深度水解装置 与洗涤技术比较 多回收 0 25kg 氨而已 如单从经济上分析 深度水解 装置成本和运行费用要远大于 0 25kg 氨的价值 从而上装置的费用看 洗涤技术两个公司 价格在 40 万元 现已下降些 如地区级城市中对环保条件要求严格 非上深度水解不可 笔者建议 先上蒸发洗涤技 术 再添加小型的深度水解装置 可节省技改投资和运行费用 2 4 4 粒径 2mm 占 80 以上造粒喷头的开发 1 9m 造粒塔内的造粒情况 小尿素装置配置 9m 塔径的造粒塔 旋转喷头系原化四院王时珍高工设计 生产能力可达 100 110kt a 0 8 1 5mm 颗粒可达 95 但 1mm 粒径占 60 且有少量尿素粉尘 在尿素 卖方市场不景气年代 粒度小且不均匀的尿素很难与国内大中型尿素厂的产品相竞争 因此 小尿素厂都在设法解决加大颗粒粒径的问题 有条件的厂直接引进挪威海德鲁尿素造粒技 术 如山东平度 湖北宜昌 山西晋城一 二化等厂 也有喷头制造厂制出所谓 大颗粒 喷头 方法是适当放大喷孔孔径 但以降低喷头转数 来生产所谓的大颗粒 因此料粒在塔内冷却效果不佳 出塔粒子温度高 且空心粒子多 粒子到塔底粉碎严重 笔者曾见到某厂筛下来的粉尘占班产量的 5 有不少厂自降喷头 转速 因落料温度高 粉子多 于是又有流动床冷却及除粉尘等装置问世 因为目前 9m 造粒塔的实际状况 处在产量又高 粒径要大 不得不采用不太合理的补救措施 因为无 法设计出粒径达 2mm 的喷头来 所以如何解决 9m 塔的困境 是各厂都在思考的问题 笔 者见到过某厂采用塔底流动床冷却 气流把粉尘带到塔的上部 粉尘被未凝固的尿素液滴 吸附或成为晶种 这样出塔颗粒较大 而粒温正常 这是笔者从实际效果出发 来解释颗 粒增大的原因 这种方法是值得各厂学习的 2 北京航天动力研究所 原航天部 11 所 的 LP 型喷头 山西临猗厂 200kt a 装置 16m 造粒塔使用该型喷头 为厚壁喷头 喷孔分布在每层圆周 上 物料从斜孔沿着周围切线方向射出 颗粒粒径 2mm 的占多数 未见粉尘 出塔粒温 正常 现实际生产能力已达 250kt a 据设计者刘孝弟研究员介绍 该喷头先在大尿素厂使用 粒径在 1 4 2 5mm 的颗粒在 90 左 右 90 平均粒径在 1 95mm 落料温度能满足有关包装要求 对于日产小于 500 吨 塔径在 12mm 以上 1 6 2 8mm 的颗粒 80 平均粒径在 1 85mm 温度能满足夏季的包装要求 从上述报告可以确认 12m 塔的装置可使用 LP 型喷头 这是中 小尿素装置解决造粒 问题的最佳喷头 3 高效回收热能的水溶液全循环新工艺 笔者用预分离 预蒸馏流程改进传统工艺装置后 吨尿素汽耗已降至 1050 1100 千克 本新工艺是在此基础上 再开发在中压循环系统内进一步回收甲铵反应热 可使吨尿素汽 耗降至 900 千克以下 本新工艺使用了笔者参与的两个实用新型专利 ZL99233018 1 附有热交换器内件的尿素 合成塔 ZL0227385 1 尿素生产中回收热能的新工艺 该工艺能使传统工艺装置增产 1 1 5 倍 蒸汽单耗可与汽提工艺装置相媲美 因不使用高 压循环圈改造 因此技改投资低 适合目前中 小尿素厂的技术改造 使用已成熟的预分 离 预蒸馏工艺流程再进一步开发 技术简单易行 安全可靠 不必承受使用其它技改工 艺而存在的初次风险 3 1 新工艺开发的技术基础 笔者分析并经实践证实了传统水溶液全循环法尿素装置采用预分离 预蒸馏流程后具有 增产和节能的优势 在开发中笔者首先思考的是预分离器的运行中压力要接近设计值 以提高预分离效率是第 一位的 中型装置安装位差值都定在 15m 以上 笔者根据在某装置上实测 预分离器与预 蒸馏塔的压差 按笔者的工艺流程 为 0 1MPa 因此具体实施时要有一定的富余量 笔者 取 15m 在很多装置上已证实了这个经验值 预分离气和预蒸馏气必须分流 不仅是提高一分系统生产能力所要求 同时可各自发挥 出其不同的组分优势 在各自的热交换设备中能产出特殊的效果 因此预分离器的安装一 定要重视能达到最高的预分离效率 没有预分离效率 就不能发挥两气的各自优势 增加一蒸加面积和增设利用余热的闪蒸加热器 是笔者整体技改思路中的重要内容 这 个措施既提高装置生产能力 又能降低能耗 增加面积和增加生产能力要互