基于用氨汽提工艺改造水溶液全循环法尿素装置的可行性研究

・50・技改节能

化肥设计

ChemicalFertilizerDesign

第46卷　第4期2008年8月

基于用氨汽提工艺改造水溶液全循环法

尿素装置的可行性研究

刘昭斌,孙素芹

(兖矿峄山化工有限公司,山东邹城　273500)

摘　要:通过对氨汽提法尿素装置和传统的水溶液全循环法尿素装置进行工艺流程、设备规格和参数比较,提出了用氨汽提工艺改造全循环法尿素装置的设想;改造方案为:除高压圈设备外,中低压系统的设备仅将分解塔更换为降膜式结构,其余全部使用全循环法工艺原有设备,尿素装置能力由原6万t/a扩大到13万t/a。对改造方案进行了生产成本核算和经济效益分析,结果表明,各项消耗均可达到氨汽提工艺的指标,投资回收期约为3年。关键词:尿素装置;氨汽提工艺;水溶液全循环工艺;技术改造;可行性

中图分类号:TQ441.41　　文献标识码:A　　文章编号:1004-01(2008)04-0050-03

FeasibilityStudyforUreaPlantofReformingtheWaterSolutionFullCirculationMethodBased

onAmmoniaStrippingProcessLIUZhaoΟbin,SUNSuΟqin

(YankuangFengshanChemicalEngineeringCompanyLtd.,ZouchengShandong　273500　China)

Abstract:Throughcomparingtheprocessandequipment/sizing/parametersforbothammoniastripingmethodureaplantandtraditionalwatersolu2tionfullcirculationmethodureaplant,authorhasproposedtheassumptionforreformingthefullcirculationmethodureaprocessbytheammoniastrippingprocess;thereformingschemeis:Excludingtheequipmentinthehighpressureloop,onlythestructureoftheequipmenti.e.desorberinthemiddleΟlowpressuresystemistobechangedtofilmfallingstructure,alltheotheroriginalequipmentoffullcirculationprocessarestilladopted,thecapacityoftheureaplantcanbeincreasedfrom60000t/ato130000t/a.

Aftercheckingtheproductioncostandanalyzingtheeconomicbenefittheresultindicatesthateachitemofconsumecanreachtotheindexesofam2moniastrippingprocess,theperiodofinvestrecoveryis5years.

Keywords:ureaplant;ammoniastrippingprocess;watersolutionfullcirculationprocess;technicalreformation;feasibility

　　尿素工业经过一个多世纪的发展,生产工艺经过最初的不循环法、半循环法发展到现在的全循环法和汽提法,工艺流程越来越先进,消耗指标也越来越低。在我国尿素生产装置中,水溶液全循环法尿素工艺占绝大多数。目前水溶液全循环法尿素装置的运行水平相差不大,各项消耗指标均达到较好的水平,吨尿素氨耗平均在585kg/t左右,蒸汽消耗在1500kg/t左右,但该水平与汽提法尿素工艺相比仍有较大的差距。

汽提法工艺分为二氧化碳汽提法和氨汽提法。从工艺上讲,氨汽提法尿素工艺更接近于目前普遍采用的水溶液全循环法尿素工艺。我国现有氨汽提装置的吨尿素氨耗均低于575kg/t,蒸汽消耗低于900kg/t。如果利用氨汽提法尿素工艺改造现有水溶液全循环法尿素工艺,不仅可以提高水溶液全循环法尿素装置的技术水平,而且可以进一步节能降耗。笔者针对这种改造思路进行初步探讨。

　工艺流程比较

氨汽提法工艺和全循环法工艺有极大的相似性。从整个工艺流程看,氨汽提法工艺同全循环法工艺一样都具有三段循环,所不同的是氨汽提法尿素工艺二段吸收液采用的是碳铵液,而全循环法尿素工艺采用的是蒸发表冷液。碳铵液使得返回合成塔的甲铵液中尿素的含量极低,使合成转化率得以有效提高,中低压分解的操作条件更加优化。　高压圈

水溶液全循环法尿素工艺高压圈设备仅有合成塔1台。原料液氨、二氧化碳和甲铵液各自经加压至20.0MPa后进入合成塔底部,由下至上经过多块塔板合成尿素,然后经塔顶调节阀减压至1.7MPa

作者简介:刘昭斌(1966年-),男,山东邹城人,1990年毕业于北京化工学院化学工程系,高级工程师,副总工程师,从事化工生产技术管理工作。

第4期刘昭斌等　基于用氨汽提工艺改造水溶液全循环法尿素装置的可行性研究

・51・

进入中压分解系统进行甲铵分解回收。由于全循

环法尿素工艺中合成塔的出料全部进入中压分解系统,故合成压力较高。

氨汽提法尿素工艺高压合成部分设备较多,分别为合成塔、汽提塔、甲铵冷凝器和甲铵分离器。来自合成氨系统的CO2经CO2压缩机加压至16.5MPa直接进入合成塔底部,液氨则经高压液氨泵加压至20MPa,经液氨喷射器与甲铵液混合减压至16.5MPa,在合成塔内3种物料充分混合反应,由塔顶经中心溢流管溢流进入汽提塔。在汽提塔内,通过加热的甲铵进行分解,同时利用分解气的汽提作用,使甲铵液的分解效率更高。分解气进入甲铵冷凝器副产0.6MPa和0.3MPa的低压蒸汽,然后经甲铵分离器、液氨喷射器再返回合成塔。分解后的尿液从汽提塔经减压至1.7MPa进入中压分解系统。

该工艺中85%的CO2在高压部分打循环,从而降低了中低压回收的加水量,降低了返回合成的水量,更有利于合成的操作。　中低压部分2种工艺的中低压部分基本相同,主要区别在设备结构方面。氨汽提法尿素工艺采用的设备绝大部分是降膜式结构,不仅提高了传热效率,而且分解气具有自汽提作用,从而使得氨汽提法尿素工艺中低压设备在同规模装置条件下比全循环法尿素装置相对较小,这也是氨汽提法尿素工艺节能的主要原因。

　物料比较

2种工艺的中低压分解物料组成比较见表1。

斯那姆氨汽提工艺

序号

1

表1　2种工艺的中低压分解物料组成比较

氨汽提法尿素工艺

组分名称中压分解塔进液低压分解塔进液

/kg

w/%

水溶液全循环法尿素工艺预蒸馏进液

/kg

w/%

二分塔进液

/kg

w/%

/kg103.49

w/%

NH3533.4223.88Ur1004.7544.94CO2130.63

5.84

6.391286.4338.38135.278.22

1004.7562.0822.11488.11

1.3730.16

1010.0430.131010.0461.38433.8412.94613.9818.31

52.063.148.227.24

H2O566.9825.36

　　从表1可以看出,全循环法尿素工艺中低压分解的负荷要比氨汽提法工艺大得多,特别是CO2,全循环法工艺比氨汽提法工艺高1倍以上,因而全循环法尿素工艺的中低压分解回收设备比同规模的氨汽提法尿素工艺的中低压设备大得多。将现有的水溶液全循环法尿素工艺装置改造为氨汽提法工艺,不仅能降低消耗,而且可以扩大产量,增加尿素产能,达到既降耗又增产的双重目的。

　其他部分2种工艺的蒸发造粒基本相同,惟一区别是氨汽提法工艺增加一级预热浓缩器,利用中压分解气与碳铵液反应的热量对尿液进行加热,相当于全循环法工艺的蒸发利用段。

　设备比较

如前所述,氨汽提法工艺的主设备和全循环法工艺的设备具有较大的通用性,两者仅在设备构造上有所区别。13万t/a氨汽提工艺和6万t/a全循环装置通用设计的主要设备规格见表2。

表2　13万t/a氨汽提和6万t/a全循环装置通用设计主要设备

全循环工艺通用设计

设备名称一吸塔

规格参数

<1000mm×10475mm×8mm,V=8m3。

设备名称中压吸收塔

规格参数

<950mm,总质量4884kg,H=9900mm,泡罩塔:塔盘4层,间距600mm,泡罩数4×46=184个,加大32%,ΔH=1500mm,V=9.7m3。

2中压惰洗塔中压氨吸收塔

<325mm,H=10966mm,总质量1537kg,浮阀塔:3块板,<25.4mm×1.65mm,管子有效长度

6m,n=42,F=20m2。

惰洗器惰洗冷却器

<1100mm/<450mm×5245mm×6mm

V=18m3,F=38m2。

<600mm×3400mm

二循二冷

<900mm×8110mm×5mm,F=168m2,<2600mm×4000mm×5mm,V=21m3。

3低压惰洗塔碳铵液贮槽

<265mm,H=2150mm,总质量12000kg,浮阀塔:塔盘4层,间距400mm,浮阀数4×4=16个。<2500mm,L=10520mm,V=48m3,蒸汽盘管4×5882mm。

4氨吸收塔/氨塔

<687mm,H=4000mm,填料塔,填料0.73m3。<38mm×38mm×0.8mm,鲍尔环。

卧式贮槽<1500mm,L=6100mm,V=11.3m3。

液氨缓冲槽

<1000mm×3000mm×10mm,V=2.2m3。

5中压分解塔<1100mm/<787mm/<500mm,H=16214mm,

FA/FB=155/48m2。

预蒸馏塔

<1100mm×7805mm×8mm,F=94m2。

・52・化肥设计

续表2　13万t/a氨汽提和6万t/a全循环装置通用设计主要设备

2008年第46卷

序号

设备名称

6

斯那姆氨汽提工艺

规格参数

<750mm/<768mm/<500mm,H=12982mm,

F=120m2。

全循环工艺通用设计

设备名称二分塔

规格参数

A:<600mm/<500mm×8mm,F=77m2。

低压分解塔

710

中压冷凝器低压冷凝器氨冷凝器真空预浓缩器一段真空浓缩器二段真空浓缩器

<508mm,L=5032mm,F=60m2。<675mm,H=5068mm,F=100m2。<8mm,L=7165mm,F=318m2。

<1700mm/<1448mm/<800mm,F=210m2。<406.4mm,H=6325mm,F=92m2。<457.2mm,H=4400mm,F=76m2。

一吸冷却器二循一冷氨冷器(A、B)

闪蒸槽一蒸热利用段一段蒸发加热器一段蒸发分离器二段蒸发分离器二段蒸发加热器

<600mm,F=71m2。

<1000mm×6906mm×6mm,F=307m2。<800mm×7226mm×8mm,F=220m2×2。<700mm×2331mm×8mm,F=120m2。<700mm×7361mm×10mm,F=39.8m2。<2000mm×8mm×6000mm。

<1600mm×8mm×4000mm,F=22m2。<550mm×3140mm×10mm。

11

12

　　从表2可以看出,2种工艺的通用设计设备能力相差不大,仅结构有所区别,而运转设备除CO2压缩机外,二者可以互相利用,因此,从设备方面来讲,全循环工艺改氨汽提工艺具有得天独厚的优势。

　经济效益分析(1)由于各企业生产成本、管理水平参差不齐,故仅从降低成本的角度进行经济效益的计算。

2种工艺的吨尿素消耗比较见表4。

表4　2种工艺的吨尿素消耗比较

项目液氨/t循环水/m3蒸汽/t电/kW・h

氨汽提工艺

0.57900.9115

　改造方案设想用氨汽提法尿素工艺改造传统的全循环法尿素工艺无论从工艺上还是设备上均有较大的可行性,但目前尚未见采用此种改造方式的报道。主要原因可能是各企业所采用的生产工艺较为单一,均在各自的生产挖潜上下功夫,尚未对2种工艺的相似性进行深入研究,同时这种改造方式亦存在一定的风险。

为将改造风险系数降低至最小,改造时除高压圈设备外,中低压分解塔更换为降膜式结构,其余全部沿用原全循环法尿素工艺的设备。改造中原全循环法尿素工艺中拟沿用的替代设备见表3。

表3　改造中拟沿用的全循环尿素工艺替代设备

序号

123456710

全循环工艺

0.61601.7160

价格/元

17000.5600.31

　　(2)生产成本相差:(0.6-0.57)×1700+(160

-90)×0.5+(1.7-0.9)×60+(160-115)×0.31=147.95(元/t)。按年产13万t/a计,改造为氨汽提法,每年降低成本产生的经济效益为:147.95×130000=1923.35(万元)。

(3)改造需新增设备及投资:高压设备(合成圈)3500万元,中压分解塔100万元,低压分解塔100万元,CO2压缩机改造200万元,低压碳铵液槽10万元,土建费10万元,工艺管路及阀门200万元,安装400万元,合计4520万元。

(4)按以上计算,改造后不仅尿素装置的能力由原6万t/a扩大到13万t/a,而且不到3年时间即可回收全部技改投资。

氨汽提设备中压吸收塔中压冷凝器氨冷凝器液氨洗涤槽液氨洗涤塔预浓缩加热器氨预热器(管壳式)

低压冷凝器碳铵液储槽低压惰性气洗涤塔

拟用全循环设备

一吸塔一吸冷凝器氨冷器液氨缓冲槽惰洗器一蒸热利用段氨预热器(套管式)二循一冷、二循二冷一冷、二冷分离器

尾吸塔

　结语

综上所述,采用氨汽提工艺改造现有全循环尿

素装置,不仅能使产量大幅上升,而且各方面的消耗也能达到氨汽提工艺的指标。如果此方案可行,将为小型氮肥装置的技术改造和扩大装置规模开创一条新的路径。

修改稿日期:2008-02-23