脱氢装置在尿素生产中的应用

Use of Dehydrogenation Unit in Urea Production

贺小伟 Xiaowei HE , 许浩 Hao XU

江苏华昌化工股份有限公司江苏张家港 215634 Jiangsu Huachang Chemical Co., Ltd., Zhangjiagang 215634, China

摘要：

分析了尿素生产中的安全性问题，介绍了CO₂汽提法尿素生产中防止放空尾气发生爆炸的2种方法。原料CO₂脱氢装置投用后，使放空尾气中的可爆性气体含量大幅降低，提高了尿素装置的安全性。通过优化操作，提高了高压洗涤器中NH₃和CO₂的冷凝效果，使放空尾气中的NH₃含量相应减少，不仅降低了生产成本，而且保护了环境。

关键词：

尿素; 脱氢; 应用;

Abstract：

The safety problem in urea production is analyzed, and two ways of preventing vent tail gas produced in urea production with CO₂ stripping urea process from explosion are introduced. After dehydrogenation unit of raw CO₂ puts into operation, the explosible gas content in vent tail gas is reduced significantly, safety of urea system equipment is increased. Through optimized operation, condensation effect of NH₃ and CO₂ in high pressure scrubber is increased and NH₃ content in vent tail gas is reduced correspondingly. It not only lowers production cost, but also protects the environment.

Keyword：

urea; dehydrogenation; use;

0 前言

江苏华昌化工股份有限公司150 kt/a CO₂汽提法尿素生产装置建成投产后，通过对系统的逐步完善以及优化操作，目前生产能力已经超过210 kt/a，且各项消耗指标均在低限。该装置在设计建设期间，在原料CO₂进入高压系统前增设了脱氢装置。通过2年多的运行，脱氢装置脱氢效果较好，既为尿素系统的安全生产提供了保证，同时也降低了尿素氨耗，为企业带来了显著的经济效益。

1 尿素生产的安全性

来自合成氨装置的原料CO₂经CO₂压缩机一段和二段压缩后进入脱硫系统进行再次脱硫，脱硫后的CO₂纯度约为98%(体积分数，下同)，还含有体积分数约2%的CO，H₂，CH₄，N₂等，其中H₂的含量最高(分析数据显示体积分数约为1%)。为了防止尿素生产设备、管道等发生腐蚀，在原料CO₂中加入了体积分数约0.8%的O₂，当NH₃与CO₂在尿素生产过程中全部反应后，排出的惰性气体主要含有H₂和O₂。H₂为可燃性气体，当遇到O₂以后，达到其爆炸极限就会发生爆炸，这给尿素生产带来了极大的安全隐患。防止CO₂汽提法尿素生产装置惰性气体爆炸的方法有2种：①在高压洗涤器中，部分冷凝吸收NH₃和CO₂，使惰性气体被NH₃和CO₂稀释为非爆炸性气体，尾气中大量的NH₃和CO₂降压至0.8 MPa后送吸收塔洗涤回收，在剩余的尾气中加入蒸汽再次进行稀释后通过吸收塔气相管排放，以确保尿素系统的安全运行。此方法使部分NH₃和CO₂损失，且消耗大量的蒸汽，所以生产消耗偏高。②增设脱氢装置，使CO₂中的H₂在进入高压系统前被脱除，确保惰性气体中不含有可爆气体H₂，即从根本上解决爆炸问题。

图 1

CO₂脱氢装置工艺流程

江苏华昌化工股份有限公司CO₂脱氢装置设在CO₂压缩机五段出口，其工艺流程如图 1所示。脱氢原理是原料CO₂中的可燃性组分在脱氢催化剂的作用下，于160 ℃左右与O₂发生燃烧反应，脱氢后的CO₂中残余的H₂体积分数＜50×10^-6。因CO₂中的H₂等与O₂反应是放热反应，使CO₂温度上升，故出脱氢反应器的CO₂需经高压CO₂冷却器冷却后再送入CO₂汽提塔。脱氢反应器运行工艺参数如表 1所示。

表 1

脱氢反应器运行工艺参数

H₂体积分数/(×10^-6)		温度/℃
入口	出口	入口	出口
3 585	34	160.2	171.7
3 795	35	165.3	176.5
3 265	30	164.8	174.2
3 454	33	165.2	174.8
3 028	30	163.2	172.5
2 894	31	160.7	171.0
3 125	30	161.0	171.3
3 710	34	160.5	171.5
3 987	36	160.7	172.3
4 206	38	162.3	175.2

脱氢装置投运后，CO₂中的H₂被脱除，为尿素系统的长周期稳定运行提供了安全保障，并为尿素系统的优化操作、节能降耗奠定了坚实的基础。

2 优化操作，降低消耗

2.1 提高CO₂纯度

根据大冢英二测得的CO₂纯度与CO₂转化率的关系，当CO₂纯度提高1%，CO₂转化率可提高0.6%左右。尿素系统脱氢装置投运后，进入CO₂汽提塔的原料CO₂纯度提高，CO₂转化率明显上升。目前，入汽提塔的原料CO₂纯度一般控制在96%左右，在系统操作压力、氨碳比、水碳比无较大波动的情况下，CO₂转化率一般在62%左右，这是尿素系统氨耗较低的原因之一。

2.2 优化高压洗涤器的操作

在CO₂汽提法尿素生产工艺中，合成气相中的NH₃和CO₂主要通过高压洗涤器进行洗涤回收。在没有脱氢装置的工艺中，一般控制高压洗涤器出液温度在160~165 ℃，同时控制高压洗涤器球头温度在135 ℃以上，目的是在高压洗涤器内只吸收一定量的CO₂和NH₃，其余的在吸收塔内完成，以防止出口气体进入爆炸范围。通过相图计算，高压洗涤器出液温度保持在160 ℃以上，气相中NH₃和CO₂体积分数在50%以上，可以避免进入爆炸区；当高压洗涤器出液温度低于155 ℃时，高压洗涤器内吸收量增多，可能形成可爆气体，而控制高压洗涤器出液温度的主要手段就是控制高调水的进口温度及进出口温差。在系统压力13.5~14.5 MPa、氨碳比和水碳比保持正常指标、生产负荷无大幅波动的情况下，一般控制高调水进口温度在128~132 ℃，出口温度在136~142℃，保证高调水进出口温差在8~10 ℃，从而保证高压洗涤器出液温度在160~165 ℃。当原料气中的氢被脱除后，系统的氢含量极少(主要是随液氨带入系统及脱氢后的残余)，大大缩小了爆炸范围，在确保系统安全的前提下，就可以对高压洗涤器进行优化操作，即通过降低高调水进口温度来降低高压洗涤器的出液温度，增强高压洗涤器的吸收效果。但考虑到高压洗涤器在吸收NH₃和CO₂后，浓甲铵液中的NH₃和CO₂质量分数都可升高至38%~40%，从相图上查得该浓度甲铵液的熔点为80~90 ℃，为防止因过度冷凝吸收而导致甲铵结晶堵塞设备，故将高调水进口和出口温度分别控制在115 ℃左右和125 ℃左右，高压洗涤器的出液温度在155 ℃左右，大幅提高了高压洗涤器的吸收效果，高压洗涤器气相放空调节阀HC-202开度只有15%左右，吨尿素氨耗基本稳定在570 kg左右。

3 运行效果分析

原料CO₂脱氢装置投用后，使合成尾气中的可爆性气体含量大幅降低，提高了尿素系统的安全性；同时通过优化操作，提高了高压洗涤器NH₃和CO₂的冷凝效果，使放空尾气中NH₃含量相应减小，既降低了生产成本、增加了经济效益，又保护了环境，减轻了因氨的外排所造成的污染。优化操作后，高压洗涤器的放空量减少20%以上，生产1 t尿素可降低氨耗5 kg，依此计算，年可节约液氨1 050 t左右，液氨价格按3 500元/t计，则年增加效益367.5万元左右。