2021斯塔米卡邦和斯纳姆尿素装置解吸水解技术的对比与分析

斯塔米卡邦和斯纳姆尿素装置解吸水解技术的对比与分析斯塔米卡邦和斯纳姆尿素装置解吸水解技术的对比与分析为了减少尿素生产过程中所产生的工艺冷凝液对环境造成污染，并将其中的NH3和CO2回收利用，不同工艺的尿素生产装置都有与其相配套的尿素工艺冷凝液回收技术。除了引进尿素装置中采用的尿素工艺冷凝液解吸水解技术外，国内也开发了适合于多种尿素生产工艺技术的工艺冷凝液解吸水解技术。这些技术的采用，从根本上解决了尿素工艺冷凝液回收和利用的问题。笔者结合生产实践，针对斯塔米卡邦和斯纳姆尿素工艺冷凝液解吸水解技术的特点，生产运行常见问题以及解决措施进行阐述和分析。1 解吸水解的原理1.1 解吸原理解吸是吸收的反过程，吸收需要的是高压和低温，而解吸需要的则是低压和高温。有关吸收的基本原理也适用于解吸，只是在解吸过程中，NH3和CO2组分在液相中的浓度大于气相中的平衡浓度，所以能够从液相进入气相。离平衡浓度越远，推动力越大，则越容易解吸。为了实现解吸应设法降低解吸组分在气相中的分压，或提高液相的平衡浓度。脱除水中NH3和CO2在许多工业生产过程中都会遇到，例如采用溶液加热汽化法，向液相通入惰性气体的汽提法、减压解吸法、蒸汽直接加热汽提法等。尿素工业常用的是蒸汽直接加热解吸方法。对解吸的要求，一是解吸后的废液应不含氨，以降低尿素氨耗；二是解吸气含水量应尽量少，以利于实现系统的水平衡。为了达到解吸废液中不含氨，首先要从技术经济角度来确定解吸压力。一般解吸塔的操作压力比吸收系统压力高0.05MPa，以便解吸气直接送入吸收系统而得到回收，这样的流程不仅简化，而且操作方便。如果利用副产蒸汽或其他低压蒸汽作为解吸汽提剂，而其压力等于或小于吸收系统压力时，解吸气不能自动进入吸收系统，则可先将解吸气送入解吸冷凝器冷凝成液相，再用泵把此冷凝液送至吸收系统。这样的流程和操作较为复杂，但是解吸和吸收的压力互不影响，有利于工艺系统的稳定运行。解吸压力一经确定，塔底排液温度也就确定。由于排液中含NH3和CO2量很低，塔底温度实际上相当于该压力下纯水的沸点。1.2 水解原理蒸发系统的工艺冷凝液中含有少量尿素，在水解系统中用直接通蒸汽加热的方法，使溶液中尿素分解为NH3和CO2，新鲜蒸汽再将NH3和CO2从溶液中汽提出来，以降低生成物的含量，使尿素水解反应尽可能多地向右移动，尿素含量尽可能降至微量。之后，在解吸塔里进行汽提精馏，以确保废水排放合格。尿素水解反应是尿素合成反应的逆反应，工业上用水解率表示尿素水解程度，公式如下：y尿（U H/U in）100式中，y尿为尿素水解率，；U H为尿素水解量，moLm3；U in为尿素的最初浓度，molm3。尿素浓度和水解温度及时间的关系式：C0Cektk1.13651012e(13698.8T)式中，C0为t0时的尿素初始浓度；C为经过时间t后的残余尿素浓度；k为水解反应常数；t为水解时间，min；T为水解温度，K。由上式可知，水解温度越高则水解反应速度越快，水解所需的时间越短；而要达到较高的水解温度，则必须有相应的较高的压力。2 斯塔米卡邦与斯纳姆解吸水解技术对比2.1 斯塔米卡邦工艺冷凝液解吸水解技术在20世纪70年代我国引进的11套CO2汽提法大型尿素装置中，大部分采用的是后来开发的工艺冷凝液深度水解工艺。该工艺采用先解吸后水解再解吸流程，在0.25MPa压力下解吸，在1.82.5MPa的压力下水解。水解塔的操作温度约180200，停留时间约1.5h，尿素被完全水解成氨和二氧化碳，再经减压。斯塔米卡邦公司的尿素水解采用2MPa的蒸汽进行直接加热，解吸采用0.5MPa的蒸汽直接加热，水解、解吸后溶液中的NH3质量浓度5mgm3，尿素质量浓度5mgm3(设计值)。国内引进的二氧化碳汽提法尿素装置以及部分水溶液全循环法尿素装置的工艺冷凝液处理均采用该技术，其水解、解吸技术还是沿用20世纪70年代引进装置的改版，解吸塔、水解塔采用的是传统筛板结构，其效果并不理想，处理后的废水中NH3和尿素含量均较高，所以大多数厂家难以达到设计要求。斯塔米卡邦工艺冷凝液深度解吸水解技术的水解塔为立式结构，工艺冷凝液与蒸汽在塔内逆流接触，设备结构简单，操作容易，投资较低。斯塔米卡邦工艺冷凝液解吸水解工艺流程见图1。2.2 斯纳姆工艺冷凝液深度解吸水解技术在氨汽提工艺中，工艺冷凝液深度水解解吸也是采用先解吸后水解再解吸的流程。水解采用4.2MPa的蒸汽直接加热，解吸采用0.37MPa的蒸汽直接加热，水解压力为3.43MPa，水解温度为235。水解、解吸后溶液中的NH3质量浓度5mgm3，尿素质量浓度5mg m3(设计值)。国内引进的NH3汽提法尿素装置均采用该技术。沧州大化48万ta CO2汽提法尿素装置于1991年用斯纳姆氨汽提水解解吸技术取代原装置配套的解吸系统，水解解吸处理后废水中NH3的质量浓度为35mgm3，尿素的质量浓度为13mgm3。斯纳姆工艺冷凝液深度解吸水解技术的水解塔为卧式结构，用隔板分成910个小室，蒸汽分别进入每个小室，并配套55层塔板的解吸塔。该技术的优点是工艺成熟稳定，排放废水达标，缺点是其水解塔加热蒸汽为4.2MPa，水解操作压力3.43MPa，这使一些尿素厂难以达到。由于水解塔采用了较高的水解温度和水解压力，水解泵需从国外进口，使得该工艺投资高、设备多，推广应用受到限制。斯纳姆工艺冷凝液解吸水解工艺流程见图2。3 解吸水解技术存在的问题及解决方案3.1 斯塔米卡邦解吸水解技术3.1.1 存在的问题(1)废液外送管路阻力过大。由于外送废液不能及时顺畅地向界外输送，从而导致第一解吸塔和第二解吸塔经常出现泛液现象，造成系统工况波动，外送废液中的氨和尿素含量大幅超标。要改善这种情况，在不增加设备的情况下，应适当提高解吸塔的压力，但是这样操作将会降低工艺冷凝液的解吸效果。(2)解吸水解系统外送废液中氨和尿素含量指标无法达标。从工艺指标的操控情况来看，水解塔进料温度低压设计指标为10，水解塔顶部气相温度低于设计指标约20，底部出液温度低于设计指标510，解吸塔和水解塔的实际液位无法实现稳定控制。(3)水解塔液位难以维持。当解吸水解系统负荷超过22m3h时，水解塔的液位将相应提高，由于塔底加热蒸汽压力低，热量不能很顺畅地传到塔的中上部，溶液中尿素的水解不会很彻底。为了使外送废液中尿素含量达标，需额外增加加热蒸汽的流人量，这样做很容易造成液泛，导致水解塔液位难以控制。3.1.2 解决措施(1)在废液外送管路上增加1台输送泵，以提供动力克服管阻，解吸塔能在较低的压力下获得更好的解吸效果，提高水解塔的水解率。通过改造不仅可以有效地降低外送废液中氨和尿素的含量，而且还能适当地增加解吸水解系统的负荷。(2)对水解塔的蒸气分布器和塔板进行扩孔处理，以增加蒸汽的流入量并降低气流经过小孔的压降，从而使水解塔的温度快速稳定在工艺指标范围内，并能有效减少夹带液泛现象。(3)水解进料上塔管线通蒸气。在水解进料上塔管线上增加1条高压蒸气管线，并对其中的进塔物料加热，不仅可以提高进料温度，保证水解效果，而且可以有效防止水解塔泛液。3.2 斯纳姆解吸水解技术3.2.1 存在的问题(1)工艺冷凝液严重偏离设计值。主要原因：TEC大颗粒造粒过程中产生的粉尘通过粉尘洗涤器加水回收，当回收液中尿素含量达45、氨含量达0.10.3时，送入蒸发系统，增加了蒸发系统的负荷；蒸发系统冷凝器的冷凝效果不佳，导致真空喷射器的动力蒸汽阀全开；低压压力较高，物料经过低压系统时，氨没有被充分闪蒸。(2)水解器给料泵超负荷运行。主要原因：TEC大颗粒流化床造粒工艺所产生的大量尿素粉尘经加水洗涤后，送入蒸发系统，经检测，尿素含量为45，这部分尿液被蒸发后可产生粉尘洗涤液一半量的工艺冷凝液；解吸塔设计过程中，没有考虑大颗粒流化床造粒工艺对该设备负荷的影响，塔内径过小，气、液相流通量不足，导致解吸憋压，部分物料没能充分解吸便进入低压系统，造成水解给料泵超负荷运行。(3)解吸塔塔盘吹翻。主要原因：当解吸并低压、解吸放空或者增压蒸汽大幅波动时，突然减弱或增强的压差对塔盘具有压紧作用，在此交变应力的作用下，塔盘易产生挠动，中间部分与塔壁的固定各有 2个十字头螺钉，其余8个螺钉固定在另外2部分塔盘上，因此中间部分塔盘挠度最大，最容易脱落。3.2.2 解决措施(1)刚开车时，低压压力控制为0.4MPa，(设计值为0.36MPa)，由于低压压力的提高，尿液沸点升高，尿液经低压时易挥发性组分(如CO2、NH3等)不易充分闪蒸，进入蒸发后导致工艺冷凝液组分严重偏离设计值。解决的办法是将压力调整为0.36MPa，氨含量由7.5降至6.5。(2)将TEC大颗粒粉尘洗涤液浓度从45提高到55，可有效减少工艺冷凝液的产量。另外，将解吸给料泵出口部分工艺冷凝液送入低压氨冷器入口，可有效降低水解给料泵的负荷。(3)在原有十字头螺钉固定的基础上，将塔盘与螺钉点焊加固，以避免在交变应力作用下螺钉与塔盘相对运动导致固定失效，最终使塔盘脱落。4 结语(1)斯塔米卡邦解吸水解装置中水解塔为立式结构，其温度和液位不容易控制，尿素水解率不稳定，经常导致外送废水电导超标。(2)斯纳姆解吸水解装置中的水解塔为卧式结构，用隔板分成10个小室，其操作温度和压力相对较高，属于深度水解，废水的处理效果较好，但是对设备的材质要求较高，蒸汽消耗较高。