Cause Analysis and Renovation of Abnormal Working Conditions of Urea Rectifying Tower
Abstract：
Due to the damage to the internal components of the rectifying tower in the low-pressure circulation section of the CO2 stripping urea production unit, the serious corrosion of the Pall ring in the packing layer, and the blockage of the tubes of the circulation heater of the rectifying tower to varying degrees, few problems have been occurred including the high rectification tower pressure, serious liquid entrainment in the gas phase pipeline, partial crystallization of the low-pressure methylammonium condenser tube, and serious imbalance of the water-to-carbon ratio and the ammonia-to-carbon ratio of the high-pressure system. In connection with the these problems, improvement measures have been taken, such as changing the fixing of the internal components of the rectifying tower from bolting to welding, replacing the severely corroded Pall ring, performing high-pressure water gun flushing and chemical cleaning on the less corroded Pall ring, adding a filter screen between the rectification section of the rectifying tower and the circulating heater. With strictly controlling the process parameters of the rectifying tower, the stable operation of the urea unit is ensured.
中海石油华鹤煤化有限公司(以下简称华鹤煤化公司)大颗粒尿素装置采用荷兰斯塔米卡邦公司的2000+工艺，造粒系统采用荷兰荷丰技术有限公司的流化床造粒技术，于2015年正式投料开车。2019年尿素装置低压循环工段精馏塔工况出现异常，主要体现在：精馏塔气相管线带液严重；精馏塔压力偏高，气相安全阀起跳；精馏塔至尿液槽尿液流量大幅减少，造成蒸发造粒系统断料；低压甲铵冷凝器列管发生部分结晶；高压系统水碳比、氨碳比失调严重。华鹤煤化公司通过降低系统负荷并调整高压系统、低压系统、蒸发系统等工艺参数勉强维持生产。2019年利用检修机会对精馏塔进行了全面检查，发现精馏塔精馏段设备部件有不同程度的损坏，填料层中的鲍尔环发生严重的腐蚀，精馏塔循环加热器的列管也因生产过程中的机械杂质发生不同程度的堵塞。通过检修处理了以上各种缺陷后，精馏塔运行工况恢复正常。
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精馏相关工艺流程及设备
根据华鹤煤化公司尿素装置的工艺特点，设置精馏塔的目的有两个：一是加热使甲铵分解成NH3和CO2，主要是通过循环加热器完成；二是提高分解气中NH3和CO2的浓度，减少进入高压系统的水量，此过程在填料段进行。如图 1所示：来自汽提塔的尿素溶液经减压调节阀减压后，促使尿素溶液中的甲铵分解为NH3和CO2，而后进入到精馏塔的伞形阻气板上，沿着环形通道经气液分离板进入填料层进行充分的气液交换，然后进入填料层下部的锥体中，通过一段接管从底部进入循环加热器，加热介质为压力0.43 MPa的低压蒸汽；出精馏塔的尿液质量分数可达66.5%，再经过常压闪蒸器、负压闪蒸器进入尿液储槽中，此时尿液质量分数已达到79%左右；含有一定量NH3、CO2、水的精馏塔气相进入低压甲铵冷凝器中冷凝吸收，最终通过高压甲铵泵送至高压系统循环。
图 1
精馏塔壳体、封头、支座、填料、内部螺栓和螺母、循环加热器列管等采用S22253材质，精馏塔外部螺栓和螺母材质为35CrMoA。精馏塔主要部件：换热列管1 921根，规格Φ 19 mm×2 mm，长度900 mm，间距24 mm；折流板7块，规格为单型号，长度700 mm，切割40%(直径)；填料(鲍尔环)堆积密度800 kg/m3，规格25 mm×25 mm×1 mm，高度750 mm，装填体积2.6 m3。
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精馏塔异常工况原因分析
2.1
精馏塔气相带液
精馏塔气相带液会对整个尿素生产装置产生严重影响，造成系统的大幅波动。在满负荷生产时，精馏塔至常压闪蒸器的尿液流量为116.9 t/h，当出现精馏塔气相带液后，大量的尿液进入低压甲铵冷凝器中，进入尿液储槽中的尿液流量仅为45 t/h左右，蒸发系统被迫进行大幅减负荷操作，运行的造粒喷头由正常的10组减至4组，装置的产量大幅下降，同时蒸发系统的负压较难控制。精馏塔气相带液后，气相含尿素质量分数达15%~35%，甲铵液的熔点随之升高，为了避免低压甲铵冷凝器列管出现结晶堵塞，只能将低调水温度由55~65 ℃提高至70 ℃左右。由于精馏塔气相带液，精馏塔及低压吸收系统的压力升高，精馏塔气相安全阀一旦起跳，大量的氨及二氧化碳就会排放至大气中，不仅造成能耗偏高，而且增大了环保压力。由于进入低压甲铵冷凝器的气液量增大，为了维持其液位稳定，送入高压系统的甲铵液量随之增多，这些甲铵液(含尿素质量分数15%~35%)经高压甲铵泵送回尿素合成系统后，造成池式反应器的氨碳比和水碳比严重失调，导致二氧化碳转化率下降。而池式反应器出液组分发生波动后，又造成汽提塔汽提效率下降、精馏塔负荷增大、精馏塔气相带液量增多、蒸发系统温度和真空度难以控制，致使整个系统发生恶性循环。
华鹤煤化公司精馏塔出现异常工况前后的运行数据见表 1。在停车检修期间，发现精馏塔气液交换孔板的小孔出现堵塞(见图 2)，部分升气帽被吹翻脱落(见图 3)，升气帽上方的气液盖板出现错位或被吹翻。
表 1
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项目 |
高压系统CO2转化率/% |
汽提塔汽提效率/% |
精馏塔气相组成φ/% |
精馏塔出液流量/(t·h-1) |
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尿素 |
氨 |
二氧化碳 |
水 |
|
正常工况 |
58.1 |
82.3 |
0 |
49.4 |
29.6 |
20.9 |
116.9 |
|
异常工况 |
50.3 |
69.5 |
16.2 |
52.3 |
22.8 |
18.6 |
52.3 |
图 2
图 3
尿液通过喷嘴进入精馏塔顶部，闪蒸分解后产生的气体汇同下部加热段来的上升气流夹带着尿液“撞”到挡液板上后，被迫改变流向并从挡液板周围的环形通道上升进入出气管，而打在挡液板上的尿液依靠自身重力下落。当气液交换孔板的小孔发生堵塞时，气相通过面积减小，上升气速加快，极易夹带依靠重力下落的部分尿液，加上出气管前的气液分离装置已损坏或失效，可以很容易地把尿液带入低压甲铵冷凝器；同时，气液交换板上液层增加，最终导致液体充满精馏塔，出现气相带液[1]。
2.2
精馏塔循环加热器列管堵塞
2019年系统开车出料后，精馏塔液相出料温度较正常生产偏低近10 ℃，在低压蒸汽系统稳定的前提下，循环加热器的调节阀阀位全开，仍无法将温度控制在135 ℃。冷凝后的低压甲铵冷凝器出料点温度在60 ℃左右，正常温度为78.5 ℃左右。高压甲铵泵出口流量提高至48 m3/h左右(正常满负荷流量42 m3/h)，低压甲铵冷凝器储槽液位仍处于满液状态，储罐压力偏高，气相调节阀开度由5%增大至65%才能维持压力0.30 MPa左右，气相带液至低压吸收塔中。蒸发系统流量59 m3/h左右，比相应负荷低50 m3/h左右。尿液槽和氨水槽液位从出料后一直处于上涨趋势，尿液槽水封被冲破且冒出大量的工艺气体。对低压冷凝器储槽、氨水槽的取样点进行取样分析，其中尿素质量分数分别为36.98%和10.16%，而正常生产时氨水槽取样分析只有质量分数4.2%~5.3%的氨和1%左右的尿素。解吸水解系统运行情况明显变差，具体表现在解吸气相温度偏高20 ℃左右(正常温度为116.9 ℃)，同时解吸水解后的电导一直处于超标状态，解吸负荷明显降低。
在大检修期间，拆解检查循环加热器后发现，列管发生不同程度的堵塞。造成列管堵塞的原因主要为精馏塔填料鲍尔环发生腐蚀以及其残渣的脱落。
精馏塔循环加热器下管口有1只开孔内径为2.8 mm的分布器，尺寸接近该孔径的机械杂质通过时很容易被卡在孔内。来自高压系统的合成液直接进入精馏塔上部精馏段，合成液压力从13.95 MPa降至0.30 MPa，减压使合成液在精馏塔内的流速快速下降，很容易让物料中的杂质在循环加热器的下端封头处积存，甚至附着在封头上，从而造成列管堵塞。当堵塞的列管数量过多时，精馏塔精馏段的尿液进入循环加热器的量受限，精馏塔精馏段内形成高液位，易引起气相夹带[2]。
3
处理措施
3.1
设备方面
对于精馏塔气液盖板被吹翻或发生错位的问题，一方面将挡板的固定支撑数量由8个增加至12个，另一方面采用焊接的方式代替螺栓固定方式，以防止发生松动和断裂。焊条采用316L材质，有较高的防腐蚀性，同时做好焊渣的清理。
对于升气帽被吹翻脱落的问题，将固定升气帽底座的4根固定螺栓改用焊接方式。
在检修期间一定要检查填料层中的鲍尔环，腐蚀严重的鲍尔环应彻底更换；对腐蚀不是很严重的鲍尔环，先用高压水枪冲洗，然后进行化学清洗，洗脱的铁锈通过底部导淋完全排放干净，清洗完成的依据是导淋出液清澈无杂质。化学清洗时应控制冲洗液的温度为80 ℃左右，同时要控制酸碱度，必要的情况下可以添加氨水进行调配。
建议在精馏塔精馏段至循环加热器之前加装滤网，并设计一旁路，以便发生列管堵塞尿液走短路时可以在线进行清洗，从而避免系统波动出现停车风险。
3.2
工艺方面
首先，必须明确精馏塔所能承受的最大负荷，生产中避免尿素高压合成工段的超负荷运行，防止精馏塔精馏段发生严重的雾沫夹带。其次，控制精馏塔循环加热器的温度不超过136 ℃(正常工艺指标为135 ℃左右)，若温度过高会导致尿液闪蒸量过大，精馏塔精馏段的气液比将失调。最后，为了避免鲍尔环等设备元件发生过快的腐蚀，在装置停车后要用高压冲洗水(温度95 ℃、压力14.00 MPa左右)进行冲洗，直至导淋出液为清水(无白色甲铵液)。
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结语
分析了华鹤煤化公司尿素生产装置中精馏塔气相带液的原因，通过对设备及工艺的优化和改进，消除了气相带液对整个尿素生产过程造成的波动，保证了尿素装置的稳定运行。
沪公网安备 31010702007066号