关于尿素合成塔安全的讨论

关于尿素合成塔安全的讨论

尹超

（国电赤峰化工有限公司024070）

摘要：尿素合成塔是尿素生产的关键设备,其运行工况好坏和使用寿命长短直接影响生产企业经济效益。根据尿素合成塔的实际使用和维护情况,本文尿素合成塔生产过程中的保护问题，提出尿素合成塔的安全生产管理。

关键词：尿素；合成塔；预防措施；管理

尿素合成塔是尿素合成装置的核心设备，它的主要作用是将甲铵脱水转变为尿素。我国首次从荷兰引进水溶液全循环法尿素装置起，目前国内已有数百套各种不同工艺的尿素装置在运行。除少数采用进口的尿素合成塔外，绝大部分都采用国内制造的尿素合成塔，而国内制造的尿素合成塔90%以上采用的是多层包扎结构。就不同状况下如何保护尿素合成塔、减缓尿素合成塔的腐蚀问题进行了探讨和研究。

一、尿素合成塔生产过程中的保护问题

生产过程中,对尿素合成塔的保护除要避免高压系统超压对设备造成损害外,更主要的是在生产过程中尽可能地减缓尿素合成塔的腐蚀问题。不同的工况对尿素合成塔的腐蚀程度也不同,从日常生产中对合成塔腐蚀影响比较大的操作进行分析。

1、操作温度的影响。从理论上讲,介质温度升高会加速对设备的腐蚀,这是由于温度升高可以增加金属活化态和钝化态的反应速率,使不锈钢的钝化区变窄,加速材料的活化,即加速了阴极和阳极的氧化、还原过程。在160℃以下时,温度的变化对不锈钢腐蚀的影响较小;但温度在160℃以上时腐蚀速率会逐渐加快。对于使用316L-MOD不锈钢的尿素合成塔而言,出口温度控制在188℃是一个极限值,超过该温度后,设备的腐蚀速率将成倍的增加。生产中一旦出现有超温现象,要及时采取有效措施,使温度尽快恢复到正常指标范围。

2、氨碳比的影响。氨碳比控制的高低不仅对系统的转化率、消耗影响较大,对尿素合成塔的腐蚀影响也非常明显。氨汽提尿素生产工艺设计氨碳比为3.56,二氧化碳汽提尿素生产工艺设计氨碳比为2.89,两种生产工艺设计尿素合成塔的出口操作温度均为188℃,但正常生产中尿素合成塔的腐蚀情况差别较大。前者腐蚀速率一般不超过0.1mm/a,而后者腐蚀速率一般在0.2-0.3mm/a。提高系统的氨碳比有利于减缓设备的腐蚀,这是由于在高氨碳比时,系统pH值升高,酸性降低,从而减少了COONH-2和CNO-在系统的生成量,缩短了设备在高浓度腐蚀介质内的停留时间。为减缓尿素合成塔的腐蚀,现在多数二氧化碳汽提工艺的尿素生产厂将氨碳比均控制在3.0以上,有的甚至控制在3.1-3.2,这对减缓腐蚀非常有益。从减缓腐蚀的角度,只要装置的后系统有足够的承载能力,尿素合成塔的氨碳比应尽量控制在指标的高限。在氨汽提的一些生产厂中,也出现了另外一种现象,为了节省蒸汽,方便操作、减少消耗,将系统的氨碳比控制得很低,有时甚至低于指标的下限,这是以增大设备腐蚀为代价的不可取做法,长期下去会对设备造成很大的损害,直接影响设备的使用寿命。

3、氧含量的影响。判断加氧量主要受两个方面的影响:氨碳比;二氧化碳中的硫含量。系统在高氨碳比状况下运行时,有利于钝化膜的形成,加氧量可以控制相对低一些;若系统在低氨碳比工况下运行,加氧量就要控制相对高一些。从不同尿素生产工艺的设计要求可以看出:氨汽提尿素生产工艺的氨碳比为3.56,其氧体积含量设计控制为0.25%-0.35%;二氧化碳汽提尿素生产工艺设计的氨碳比为2.89,设计控制加氧体积含量为0.5%-0.8%。许多厂都有明确规定,当系统钝化空气中断一定时间时,装置必须立即停车排塔,主要是防止尿素合成塔发生缺氧腐蚀。根据观察研究,对于氨汽提尿素生产工艺,若系统一直在高氨碳比下运行,一旦发生钝化空气中断现象,只要在30min内能够恢复,一般不会对尿素合成塔造成明显腐蚀,不用停车排塔。

二、强化尿素合成塔的安全生产管理

我国目前运行的数百套尿素装置几乎涵概了世界上所有的尿素生产工艺，除引进技术初期的几台尿素合成塔由国外制造外，通过消化吸收绝大部份尿素合成塔均是国内自行设计和制造，尿素合成塔是腐蚀性很强的高温高压反应容器，与介质接触的承压筒体通常采用单层或多层碳素钢衬不锈钢或者堆焊不锈钢结构，如何确保不让腐蚀介质穿透不锈钢衬里层，实现尿素合成塔安全、使用和维护检修各个环节持续研究的重要课题。

1、扩能改造要重视尿素装置的本质安全。为了企业的发展与市场需求很多尿素工厂都进行了扩能改造，而且大都采用更换尿素合成塔内件即一种“高效塔盘”的技术对装置进行扩能，以提高反应物的混合程度来提高容积利用率，减少部份反应物的弥留和短路，让出塔反应物尽量达到或接近平衡转化率而允许增大反应物的流通量，以达到节能降耗和提高尿素产量，实践证明这一设计理念是正确的。但是，改造后通过尿素合成塔的反应物流通量大幅度增加，反应物在塔内和进、出口部位流速增大，二氧化碳与氨的反应热对设备的塔壁和内件冲刷加强，增大了尿素合成塔中、下部不锈钢衬里和内件的腐蚀强度，塔上部气液相出口管还会因为流速的提高增加引发化学爆炸的风险，因此在对尿素合成塔进行扩能改造的同时，还要认真评估上述的负面影响，对提高生产能力的期望应综合考虑后续系统能力匹配，解决原料消耗和运行成本等诸多问题，以此为基础来确定合适的综合经济效益和扩能降耗。

2、采用二氧化碳气体脱氢技术。生产尿素的原料二氧化碳气体中由于上游工艺的原因都不同程度存在有氢气，为了防腐蚀需要在二氧化碳气体进压缩机加压前都要添加一定数量的空气，使尿素高压设备得到防腐蚀需要的氧，不同的尿素工艺需要加入系统的氧含量是不同的。就目前尿素装置的现状而言，二氧化碳气提法装置加氧量虽然比较高，但在二氧化碳压缩机段间和出口都增设有脱氢装置，可能引起化学爆炸的爆炸气体聚焦点就移至高压甲胺洗涤器填料层上方设置的球型防爆空间，安全问题做到了可控状态;氨气提法工艺的尿素合成塔采用局部补氧的措施，随二氧化碳气体加入防腐蚀用的氧含量较少，可能引发化学爆炸的几率也就较低;而水溶液全循环法尿素工艺引进的第一代尿素装置，其尿素合成塔气液相出口设在含有爆炸性气体聚集区，减压阀压差高达18MPa，反应物流产生的静电效应增强，并且还未设计防爆措施，因此加大了可能引发化学爆炸的安全风险，近些年国内发生的两起尿素合成塔爆炸事故都是这种工艺的装置，虽然目前对事故原因还没有确切的结论，但还是建议新建尿素项目最好不要再选这种落后的生产工艺，对已经建设或运行的尿素装置采用国产铂催化剂的节能型二氧化碳气体脱氢技术，会消除可能引发爆炸事故的氢组份存在。

3、尿素合成塔衬里的致密性试验。氨检漏方法长期以来是世界上主要尿素工艺专利商斯达米卡邦公司推荐的尿素高压设备衬里的查漏方法，国内制造和使用的尿素合成塔衬里检漏工作50多年来一直采用这种方法，具备长期使用的成功经验和形成条文的操作程序，适用于设备制造期间和设备投运后年度大修的衬里检验，氨检漏灵敏度高，检出精度虽不及氦检漏但仍可达到1×10－7cm3/s，它采用显色剂进行缺陷显示容易准确判定缺陷位置，有利于制定检修方案和隐患的消除，当选用氨检漏方法对残留在不锈钢衬里与承压壳体间的氨有腐蚀疑虑时，可增加残留氨排放或抽空的操作程序。目前推荐采用氦检漏对设备衬里进行致密性试验专利商，当检验发现不锈钢衬里焊缝存在泄漏时也要用氨检漏的方法来找出缺陷的具体位置。

加强对尿素合成塔的管理,是从里到外,从开车、停车到检修、检查,一个全方位、全过程的管理,无论哪一个环节,哪一个过程出现失误,都会使尿素合成塔产生不同程度损害,给安全生产埋下隐患。因此,应高度重视尿素合成塔的安全使用和管理问题,以便使每台尿素合成塔都能为企业发挥更好的效能。

参考文献：

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