CO2气提法尿素装置高负荷生产的优化控制

CO2气提法尿素装置高负荷生产的优化控制

于晓伟

大唐呼伦贝尔化肥有限公司内蒙古呼伦贝尔021000

摘要：现阶段，二氧化碳汽提法工艺是制取尿素的主要工艺，并且二氧化碳汽提法工艺的应用极为广泛，因此本文围绕二氧化碳气提法尿素装置在高负荷生产运行的条件下存在的问题和控制难点，以及相应的优化控制方法进行分析和阐述，并为操作人员提供操作思路和借鉴，从而确保装置的稳定运行。

关键词：CO2气提法尿素装置高负荷生产优化控制

目前我国的大部分尿素制取都采用二氧化碳汽提法工艺，例如：我国泸天化股份公司尿素二车间生产装置是我国于上世纪70年代初从荷兰斯塔米卡邦公司引进并采用二氧化碳气提法生产工艺的尿素生产装置，该装置的原始设计生产能力为1620吨每天，后经过2002年、2003年将部分高压设备进行扩能改造后，其生产能力已扩大到2000吨每天，虽然生产能力得到扩大，但由于装置中仍有较多的设备未能更换，故在高负荷生产的条件下其操作调节的弹性空间大为减小，一旦控制不好，就很容易引起整个系统工况波动，从而对装置的稳定运行带来极大的威胁。因此本文就CO2气提法尿素装置在高负荷生产条件下存在的问题和控制难点及优化控制方法进行分析和阐述，其目的是为同类型尿素装置提供高负荷生产的操作优化思路和借鉴。

一、装置在高负荷生产条件下的控制难点

1.1合成压力

合成压力是尿素合成系统一个重要的控制指标。但合成压力的变化与温度、氨碳比、水碳比等多种因素有关，由于装置扩能后其各项工艺指标未进行较大的改变，同时尿素合成塔和高压洗涤器也未作相应的扩容，故装置在高负荷生产条件下其合成压力很容易达到或超过控制指标高限14.5MPa，操作人员为了将合成压力控制在指标范围，常常采取开大HV－202阀位这种最简便易行的方法。

这样不仅增加了0.7MPa、0.3MPa循环吸收系统的负荷，同时也增加0.7MPa吸收系统放空尾气中的氨损失。因此，如何保证合成压力的控制，既能控制在指标范围且满足高转化率的需要，又要尽可能地减少进入0.7MPa吸收系统的合成气相量，成为操作控制中既相矛盾但又必须解决的突出问题。

1.2循环压力

随生产能力的扩大，0.3MPa循环吸收系统负荷将同步上升。而我循环系统除增加了一台低压甲铵预冷凝器（305－C）和302－J/Js的能力放大之外，其余设备及构件均未作改变，故而负荷增加，必然导致循环系统的吸收效果下降，加之合成系统工况若未达到较好的状态，合成转化率或气提效率下降，势必造成循环系统的工况进一步恶化，在这样的工况下，循环压力不仅会长时间超过0.25MPa的正常控制压力并居高不下，同时还容易引起甲铵冷凝器302－C或305－C结晶堵塞。循环压力上升后，精馏塔内甲铵分解效率下降，进入尿素闪蒸槽的游离氨和游离二氧化碳大幅增加，从而导致蒸发系统波动，并使整个装置的运行工况越来越差，影响装置的稳定运行。

1.3氨水储槽

浓度装置在高负荷运行期间，701－F内NH3+CO2+Ur的浓度长期居高不下，其原因在于以下几点：第一，由于循环系统工况较差，加重了尾气吸收系统的负荷，其吸收液的氨浓度和放空气相中氨的组份也相对增加，而部分吸收液和放空气相中的氨在702－F冷凝后分别进入701－F；第二，循环甲铵分解率下降以后，进入蒸发系统的尿液中游离NH3、CO2成份增多，导致了蒸发系统二次蒸汽冷凝液中NH3、CO浓度上升；第三，在高负荷生产时，由于氨泵，甲铵泵单台打量有限，并且出口管道的振动太大，不利于泵的运行安全，故在操作上采用双泵运行的方式，而柱塞泵在低转速运行的条件下填料泄漏的机率上升，调节维护的难度增大，因此成为701－F氨水浓度上升的一个重要影响因素。由于701－F的浓度上升，通过水解分解出来的NH3、CO2冷凝形成碳铵液返回循环吸收系统的量和组分同时增加，从而破坏了整个系统的平衡。使装置的H2O/CO2上升，时间已长，形成了恶性循环，严重影响装置的稳定运行。

二、高负荷生产的优化控制措施

2.1合成压力的控制

2.1.1选择NH3/CO2比指标高限操作

NH3/CO2高，则合成转化率高，根据尿素反应方程式：2NH3+CO2=（NH2）2CO+H2O可以得知加入过量氨即增加反应物浓度促使平衡向生成尿素的方向移动，因此过量氨对提高合成转化率是有利的，而转化率提高，在一定程度上将降低循环负荷。2）NH3/CO2过高或过低都会引起合成压力上涨，我们根据不同压力下NH3、CO2的平衡压力图（图1）分析，如果合成压力处于最低平衡压力点，是操作的最佳控制状态，a－b连线则为各操作温度下的NH3/CO2。但是，当操作温度达到200摄氏度时，无论NH3/CO2高与低，其平衡压力均呈较陡上升的曲线，而当操作温度为180摄氏度时，平衡压力曲线明显向NH3/CO2高的方向变缓。我们根据操作温度183摄氏度，找出合成系统NH3/CO2最佳控制范围约在3.28～3.3（液相）之间，相对应气相NH3/CO2则为4.0～4.2。显然，NH3/CO2控制过低，对其合成转化率和平衡压力均是不利的，但氨加得过多亦会增加精馏、吸收等后继工序的负荷。因此在保证装置运行稳定的前提下，综合设备生产强度、热平衡等方面的考虑，我们将高负荷下NH3/CO2选择在控制指标的高限3.28～3.3（液相）之间操作。图1不同温度下NH3。

2.1.2降低高压调温水的温度

由于生产负荷提高，合成塔的气相成份将大幅增加，亦使高压洗涤器（203－C）热负荷大量上升。因此，降低高压调温水的控制温度，有助于NH3、CO2在203－C中的冷凝，并且也是控制合成压力的一个重要手段。生产中，在保证合成气体在203－C不产生过度冷凝的条件下，我们将高压调温水温度从原130摄氏度降为110摄氏度操作，同时还必须保证高压调温水温度大于等于110摄氏度，高压洗涤器出液温度大于等于156摄氏度。

2.1.3合理控制

0.4MPa蒸汽压力（PIC－206）降低PIC－206压力则降低了该压力下对应的饱和温度（TI－001－7），有利于NH3、CO2在202－C内冷凝反应，从而减少合成塔出气量，降低合成压力。但PIC－206压力控制过低也将对整个系统带来以下负面影响：1）二段蒸发真空下降，尿素成品水分容易超标。2）301－C加热蒸汽压力低，精馏塔出液温度（TR－003/1）不易达标，循环分解率下降，造成进入蒸发系统的游离NH3、CO2增加，引起蒸发系统波动。3）容易破坏201－D内化学反应的热量平衡，对转化率不利。根据装置高负荷生产的实践探索，我们将控制PIC－206的压力控制在0.33～0.34MPa，既有利于合成压力的控制，又保证了循环系统和蒸发系统的稳定。

2.2循环压力的控制

2.2.1控制合理的循环加水量

高负荷生产时，进入循环系统的未反应物中NH3、CO2的组份增加，循环甲铵液的浓度上升，这时循环加水量的多少不仅要满足于NH3、CO2在吸收器内尽可能地吸收，降低循环压力的条件，同时又要避免过多的水返回合成系统，造成转化率下降。因此，我们要求302－C出液组份中水含量≯35%。

2.2.2稳定气提塔工况

气提塔效率的好坏对循环压力有直接的影响，而调节稳定气提塔的工况，是提高气提效率的保证条件，为此，我们采取了以下控制措施：1）严格控制PIC－918压力与生产负荷相对应，避免压力过高或过低对TR－002/7的温度和气提效率带来不利影响。2）稳定生产负荷调节，避免在加减负荷或氨量调整过程中因控制失当造成合成塔出液调节阀的频繁调节。3）保持气提塔液位的稳定，防止因满液或窜气引起循环系统工况恶化。

2.3氨水储槽浓度的控制

2.3.1保持系统工况的稳定

高负荷生产时，要随时保持系统工况的稳定，尤其是循环、蒸发系统的稳定，这是防止701－F浓度上升的最根本因素，一旦它们的稳定工况被破坏，必定引起工艺气体的放空量增加或蒸发效率降低，从而增加701－F的NH3、CO2及Ur浓度。

2.3.2加强氨泵、甲铵泵填料的维护

当生产负荷超过30000Nm3/h时，须将两台氨泵、甲铵泵均投入运行，701－F氨水上升的机率增大，而对氨泵、甲铵泵填料的维护显得尤其重要。一、每根柱塞的填料密封水要随时保持畅通，不能中断。二、开泵之前或停泵之后以及加减负荷均要及时对填料进行调整，松紧要适度，避免填料发生泄漏后再进行调整，并且这种调节维护方式不利于提高其柱塞填料的使用周期。三、对柱塞填料的轻微泄漏，可先用蒸汽加热后观察是否还存在泄漏，再决定是否调整，采用这样的方法是尽量减少柱塞对填料的磨损。

三、结束语

综合上文内容。在装置高负荷下所采取的优化控制措施是可行的，并且都是行之有效的。这些优化控制措施，不仅是车间节能减排的一项重要举措，同时也是稳定装置高负荷生产的必要手段。我们已将高负荷生产的优化控制措施纳入了车间“装置节能环保精细化开、停车方案”和“优化运行方案”中，以规范指导各化工班组的生产控制调节，从而达到装置长周期运行的目。

参考文献

[1]廖容波,沈永伦.CO_2汽提法尿素装置存在问题的分析及对策[J].化肥工业，2017(01).

[2]张海生.CO_2气提法尿素装置设备内件技术改造[J].化工设计通讯，2015(06).