南京汉庭明故宫店:优化系统操作降低装置氨耗

1  优化高压系统

1.1  合成塔

    1)合成塔塔板改造。锦天化尿素合成塔高度为45m，内设10层筛孔塔板，底部返混空间超过15m。尿素合成塔的物流由下至上随着反应进行气量逐渐减少，为保持通过筛孔的气速相等，应该将塔板的筛孔数由下至上逐渐减少。原合成塔塔板筛孔数是相同的，这就易使汽液接触不充分，形成两相流，影响合成塔CO2转化率，且原设计塔板没有控制气相走短路的措施，大量气相从塔板与塔壁的环隙中通过，造成气液接触不充分及返混加剧，也降低了CO2的转化率。由于原设计上存在不足，造成尿素合成塔CO2转化率一直徘徊在57％～59％，远低于设计值65％。

    为减少返混空间，在合成塔底部增加5块塔板，具体位置按原塔板间距2.5m向下均匀布置，使原塔的返混空间由15m下降至3.7m。在新塔板的下部增加360mm高的围堰，以保证塔板下部的气相层的稳定，防止气相走短路。为保持塔板的压降不变，将原10块塔板也全部更换了新型塔板。新旧塔板数据如表1。

    改造完成后，通过实际运行考核，合成塔CO2转化率平均值为62.3％，后系统氨耗大幅降低，装置的操作弹性增强，达到了预期效果。

    2)提高原料CO2纯度。来自合成氨装置脱碳系统的CO2常带有少量的惰性气体，为了防止设备腐蚀又加入系统一股0.25％～0.3％的空气。惰性气体的存在占据了反应器部分容积，缩短了合成塔内物料的停留时间，且有NH3和CO2随惰气转入气相，降低了合成转化率，惰性气体中H2的存在也不利于系统的安全稳定运行。①计划在合成脱碳系统增设1套二氧化碳净化装置，脱除原料CO2中的H2；②装置大修时从水汽空分系统引入纯氧，将原钝化空气换为0.25％～0.4％的氧，减少合成塔内惰气量，提高C02转化率。

    3)控制NH3／CO2、H2O／CO2。氨汽提工艺采用高NH3／CO2操作，根据经验公式，NH3／CO2每增加0.1，可使CO2转化率提高约1％，但过高的NH3／CO2不仅会加重回收系统的负荷，还因过量氨需用水吸收而破坏系统水平衡。经过多年的摸索，合成塔NH3／CO2控制在3.2～3.4是比较合适的。

    理论上，H2O／CO2每下降0.1，转化率提高1％，氨汽提工艺设计H2O／CO2为0.67，因此，在保证系统水平衡以及中低压系统氨气被吸收的前提下，尽量降低系统外来加水量，特别是高压甲铵泵、水解器给料泵的密封水量应严格控制，把H2O／CO2控制在0.6～0.7的厂控指标范围内。

1.2  汽提塔

    锦天化尿素装置汽提塔设计裕度小，换热面积仅有667m2，是国内同类型氨汽提厂最小的。系统高负荷运行时，汽提塔底部温度只能达到203℃左右，合成塔改造完成后，由于CO2转化率的提高，减轻了汽提塔负荷，底部温度平均维持在205℃左右。但如果系统操作不当，如负荷大幅度波动、高压氨泵运行不稳或倒泵等因素，造成脉冲式出料，使汽提塔内液体偏流，会形成底部温度低，顶部温度偏高，汽提效率大幅降低，严重时后系统不能维持。

    如采取提高壳侧蒸汽压力、打开壳侧放空阀排放惰气来提高汽提塔出液温度效果已不明显。为此，摸索总结了一套汽提塔调整温度的方法。具体过程如下：①关小汽提塔液位控制阀，观察后系统变化，以确认其好用；②相应关小高压甲铵泵入系统阀，开大高压甲铵泵回流阀相应减少高压加水量，注意中压吸收塔液位；③液位阀有明显上升趋势时，逐渐关小汽提塔壳侧蒸汽控制阀，开大中压蒸汽减压阀，降低汽提塔壳侧蒸汽压力至1.8～2.0MPa(视汽提塔顶部温度变化而定)；④当汽提塔顶部温度逐渐下降，并与合成塔出液温度相接近或一致，且合成回路压力有上涨趋势时，标志着汽提塔积液、降温过程完成，系统可放料；⑤逐渐开大汽提塔液位控制阀，注意中压吸收塔液位及中、低压系统压力；⑥汽提塔液位明显下降后，应及时关小汽提塔液位控制阀，防止液位拉空向中压窜气；⑦缓慢提高汽提塔壳侧蒸汽控制阀压力，尽快使前、后系统恢复至正常。

    此调节进程即停止汽提及重新开始的过程，随着汽提塔底部温度的上升，汽提效率明显提高，大量甲铵在高压系统内分解回收，减轻了中低压系统的负荷，后系统放空量明显减少，降低了系统氨耗。

1.3  甲铵冷凝器

    汽提塔顶部的气体(主要是NH3、CO2)与经高压甲铵泵加压的甲铵液混合进入甲铵冷凝器上部管箱，然后流入“U”形管束上部列管内。在列管中，NH3和CO2反应生成甲铵，同时放出大量热量(包括反应热和冷凝热)，在壳侧产生0.34MPa低压蒸汽，冷凝后的物料从甲铵冷凝器管箱底部流出。可见甲铵冷凝器分程隔板密封的好坏直接影响到其工作效率。然而，由于隔板的变形或腐蚀及安装等因素的影响，隔板的内漏量一直较高，为1200mL／min左右，远远高于设计允许的漏量180mL／min，造成甲铵冷凝器内气相不能充分冷凝，高压系统超压，高压放空阀开大，转化率降低。因此，计划在年度大修中对甲铵冷凝器隔板进行重点检修。

1.4  甲铵分离器

    来自甲铵冷凝器的混合物在甲铵分离器中进行气液分离，甲铵液由底部出来，经甲铵喷射器返回合成塔，气相从甲铵分离器上部送往中压系统。

    因为高压回收段与合成塔存在约1.0MPa的压差，故甲铵分离器的液体只能通过以液氨为动力的甲铵喷射器来实现甲铵溶液的循环回收。原则上甲铵分离器应保持一定液位，但由于检测液位的仪表出现故障，使得甲铵分离器的液位不易判断，为防止出现甲铵分离器满液的恶性危害，因此在操作中甲铵喷射器的压力一直控制较高(22.3MPa)。这就存在将甲铵分离器中的惰性气体吸入合成塔的可能，从而占据塔内有效空间，降低了CO2转化率，影响系统的稳定运行，现已决定将此液位计改为铯137放射线液位计。

2   调整中压系统   

2.1  提高中压分解温度   

    中压分解温度设计值为158℃，此温度的高低直接影响着低压系统的放空量，经过多年的实践，控制中压分解温度在160～162℃，不仅提高了去低压系统的尿液浓度，NH3、CO2含量也相应下降，这样可有效地减轻了低压系统的负荷。

2.2  中压冷凝器、中压吸收塔的影响

    中压冷凝器、中压吸收塔工作状况的好坏直接关系到中压后系统的负荷，中压冷凝器工艺侧进出口温度分别是100℃、80℃，原设计管侧为利用氨冷凝氨器换热后的循环水冷凝。经过实践证明，原设计上的二次水已不能将中压冷凝器气液混合物充分冷凝，中压吸收塔底部温度常在80℃以上，由于中压冷凝器出口温度高，造成中压吸收塔温度较高，为了降低塔底温度，必须增加回流氨量，回流氨量的增加同样增加了中压后系统的回收负荷。另外，由于中压冷凝器出口循环水温度的升高，加剧了循环水在中压冷凝器换热列管内的结垢速率，形成恶性循环。

    改进措施：①中压冷凝器管侧二次水改为一次水；②定期进行酸洗除垢；③加装电子除垢仪；④提高一段真空，降低经过预真空浓缩器换热后的中压冷凝器进口温度。经过努力，现吸收塔底部温度已达到设计要求(75℃)。

    近年来，有些装置通过降低中压吸收塔底部温度的方法来减轻氨冷凝器的负荷，虽然降低后的温度还远高于结晶温度，不至于发生堵塞管道事故，但中压吸收塔底部碳铵液中氨浓度的增加，必然也增加了高压甲铵泵汽蚀的风险，不利于系统的稳定运行，且这只是中压回收负荷的内部分配问题。

2.3  加强氨受槽的回收

    中压放空气体中氨损失的多少是受氨受槽中液氨温度控制的，因为液氨温度高，则气相氨的平衡分压高，出氨受槽中的氨含量也高；反之，则平衡分压低，出氨受槽中的氨含量下降。这就要求在日常生产中与合成装置密切配合，多用合成车间由氨球送过来的冷氨。另外，改变氨受槽的进氨方式，部分液氨从氨受槽上部的氨回收塔流入，发挥装有鲍尔环填料的吸收作用。

2.4  改进吸收塔／中压惰气洗涤塔的吸收效果

    中压惰气洗涤塔的设计循环水温差为10℃，而实际工作效果并不好，温差较小造成气相放空温度高。经过分析认为设计存在问题，造成在列管内形成的水膜较薄，氨被部分吸收，而绝大部分氨和惰气直接通过中压惰气洗涤塔进入吸收塔，部分气氨在塔盘上被水吸收，由于放出的热量无法被移走，导致温度升高，吸收塔工作效果差。

    针对以上原因，进行了以下改进：①增加冲洗冷凝液冷却器换热面积，由原来的16.8m2增大为现在的25m2，这样就降低了去吸收塔的冷凝液温度，使吸收塔进液温度由原来的70℃左右，降至设计的50℃；②增大中压氨吸收器液位的控制范围，见图1。当然，所有降低氨耗的措施都应充分考虑避免使放空气体进入爆炸范围。

3   改造低压系统   

3.1  改低压惰气洗涤塔加水为氨预热器加水

    原设计在低压惰气洗涤塔加水吸收放空气体，但当系统压力高时，放空量较大，会将加入的水吹入放空管线，不仅起不到吸收效果，还污染环境。因此，改为氨预热器加水。

3.2  降低低压冷凝器(E08)冷凝温度

    低压冷凝器原设计出口温度为44℃，但实际运行中冷凝吸收效果较差。从碳铵液贮槽物料组成(％)：NH3 40.26、CO2 9.53、H2O 50.21，查NH3—CO2—H2O三元系固液平衡的饱和溶液相图，可以看出其结晶温度低于5℃，只要温度高于该值，从理论上讲不会产生结晶，但为了防止系统波动而产生结晶堵塞，低压冷凝器的操作温度应高于结晶温度20℃以上，所以温度控制在30～35℃是安全可靠的。

    虽然通过前系统的优化及低压操作的改进，能够实现低压放空副线阀关闭，靠低压压力调节阀调节系统压力，但在夏季，既使低压冷凝器循环水阀全开，也只能使TI09406降到40℃左右，冷凝效果不佳，低压放空量大，氨耗高。为了降低低压冷凝器出口温度，拟定增设换热器(E08A)，流程简图见图2(图中虚线为新增部分)。

4  优化操作

    1)稳定系统操作，努力实现装置长周期、高负荷运行。开停车次数愈多，浪费的氨量愈大，特别是排塔后开车，不仅污染环境，而且氨耗成倍增力口。

    2)稳定工艺冷凝液系统的操作，实现冷凝液的达标排放。工艺冷凝液中的NH3、CO2全部得到回收是降低氨耗的关键。

    3)合理操作尽快稳定装置。尿素装置投料开车过程中，因高压系统的温度、压力均不在设计值，转化率很低，放空量大，如果能缩短从投料到出料的时间，使装置较快达到稳定运行，必然会降低开车过程中的耗氨量。成功的经验就是开车前先使解吸系统运行起来，并入低压系统，提高入塔液氨的温度，降低塔内氨的制冷作用，使塔内物系的温度较快达到设计值。