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垂直筛板型尿素废液深度水解技术运行总结
2012-09-16 11:39:46 来源: 作者: 【 】 浏览:20032次 评论:0

垂直筛板型尿素废液深度水解技术运行总结

李印昌1  冉草原2 

(1.石家庄正元塔器设备有限公司 石家庄 052165;

2.石家庄柏坡正元化肥有限公司 石家庄 050401)

 

 

2005年,石家庄正元化肥有限公司通过技术改造,装置年生产能力扩大到200kt/a合成氨,300kt/a尿素,其中水溶液全循环尿素工序有两套工艺废液解吸装置,一套为φ800系统另一套为φ1000系统,由于采用了垂直筛板内件,解吸效果较好,解吸废液送往解吸废液增浓装置蒸浓,少部分送往造气炉夹套,随着企业的技术改造,解吸废液增浓装置所需外供蒸汽逐渐失去来源,使送往造气炉夹套的废液量逐渐增加,由于其中仍含有尿素,造成夹套底部封头内壁及下部形成腐蚀,水夹套使用寿命明显减短,甚至影响安全生产,基于以上原因,公司决定以自有的垂直筛板专利技术为基础,自主研发一套新的尿素废液深度水解装置,由河北正元化工工程设计公司和石家庄正元塔器设备有限公司承担设计和设备制造,尿素深度水解项目于2011年9月20日建成并开车试运行,投运后达到了设计指标,具有投资少、蒸汽消耗低、运行稳定、可靠、占地面积小的特点,是氮肥生产污水“零排放”的关键技术之一。现将尿素废液深度水解技术及其运行情况、节能减排效果进行小结。

1.尿素水解原理及工艺技术选择

1.1 尿素水解原理

水解是尿素合成的逆反应:总反应式为CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2。首先进行CO(NH2)2+H2O→NH4COONH2反应,然后进行甲铵分解,即进行NH4COONH2→2NH3+CO2反应。

影响水解反应的主要因素为反应温度、溶液停留时间、压力及适当的反应条件。水解温度越高,水解反应速度越快,水解所需的时间越短;适当的压力才能达到较高的水解温度;溶液停留时间越长,水解越彻底;适当的反应条件如:水解反应须有水参加才能进行;水解产物为NH3和CO2,降低产物浓度有利于水解反应进行,采用气提(解吸)水解技术,可使水解产物中的NH3和CO2及时移走,使系统始终向水解方向进行,解吸时则需要降低压力与提高温度,水蒸气可作为解吸提温和气提的主要介质等;因此在设计水解系统时要充分考虑这些影响因素。

1.2工艺技术选择

尿素工艺冷凝液中含有NH36~8%(wt)、CO21~3%(wt)、Ur1~2%(wt)。早期的尿素装置无论是引进的大化肥还是国产装置,工艺冷凝液都是利用解吸系统回收其中的NH3和CO2,也是国内一些水溶液全循环尿素生产企业通常采用的方法,即通过一解吸塔将含尿素废液中所含的NH3、CO2进行解吸后,再将其及所夹带的部分水共同返回到尿素生产系统加以利用,而残液及其所含尿素则排放或送到造气夹套或水处理单元。这一工艺的特点是投资省、设备简单,废液中尿素基本没有处理即排放,严重污染环境而且造成资源浪费。每生产一吨尿素损失尿素3.5~10kg,增加成本8~22元。

随着环保指标的严格,节能降耗技术的进步,大化肥厂开始引进国外的尿素深度水解工艺,部分新建尿素装置配套建设尿素水解系统,以取代原有的尿素解吸装置,所采用的方法为水解—解吸工艺,分为单塔、双塔或水解器加解吸塔组合等不同的流程,典型的有以下几种流程。

图1为单塔流程,该流程中NH3、CO2的解吸和尿素的水解均在一个特殊设计的水解解吸塔内进行,水解解吸气经回流冷凝器冷凝后一部分作为塔顶回流,其余部分和未凝气回尿素生产系统。水解—解吸塔底部排出的废液中NH3、尿素可达到10ppm以下,经换热后可以作为锅炉给水予以回收。

图2为解吸和水解分开在两个设备内进行的含尿素废液的处理流程,解吸塔即可以分为第一解吸塔、第二解吸塔,也有的将第一解吸塔和第二解吸塔合二为一,完成解吸-水解过程,水解解吸气经冷凝器冷凝后一部分作为顶塔回流,其余部分和未凝气回尿素生产系统使用;图3、图4采用的是水解器加解吸塔的组合流程,水解器采用全浸没式,虽然溶液停留时间长有利于尿素水解,但不利于水解产物的解吸;上述两种水解流程的残液经解吸脱除NH3和CO2后可作为锅炉给水用,但也存在一些缺点,主要有:使用的蒸汽压力较高,不适合仅有低压蒸汽的企业采用;解吸和水解的操作压力不同;流程复杂、设备台数较多,操作控制较复杂,投资较高。

按照尿素水解工艺使用的蒸汽压力等级来分,有的采用低压蒸汽(1.3MPa或更低)水解,适合有1.3MPa蒸汽的企业采用;有的采用中压或高压蒸汽(2.5MPa或3.8MPa)水解(见图3、图4),适合有中压或高压蒸汽的企业采用,相应的水解温度也较高(210℃或230℃),存在着泵类气蚀、不打量、填料易损坏等致运转周期短的问题;装置的复杂化和设备要求高,使投资提高,运行效果也是参差不齐,运行较好的企业,每生产一吨尿素氨耗降低5~10kg。

选择尿素工艺冷凝液的工艺技术处理方案,一是看其处理后回收的NH3、尿素能否再利用,二是所采用的工艺技术不应对尿素装置的正常生产产生不利影响,三是处理后排放液中NH3、尿素的含量应低于5ppm,四是投资省,五是要与企业现有的蒸汽等级情况相适应,基于以上因素。

结合企业具有1.3MPa蒸汽的条件以及具有较强的工艺、设备的研发、制造能力,公司决定自主研发垂直筛板型尿素废液深度水解技术,采用低压汽提的工艺方案,采用具有自主知识产权的高效垂直筛板塔内件,对水解解吸塔进行优化,使解吸水解塔合二为一作为水解气提塔,解吸与水解操作压力均为~1.05Mpa,在较低温度下实现尿素的水解,达到水解处理后废液组分NH3≤5ppm、尿素≤5ppm目标,从而实现装置占地面积小、投资少、蒸汽消耗低、运行稳定、可靠的目的。

2.工艺流程及主要设备选型

2.1垂直筛板型尿素废液深度水解工艺流程简介

两套尿素的工艺冷凝液由水解给料泵送至水解换热器,与来自水解塔底部的废液进行换热后送入水解塔上部,与水解塔底部加入的蒸汽逆流接触,经垂直筛板型塔盘水解、解吸、气提后,塔顶得到的NH3-CO2-H2O气体混合物,进入回流冷凝器,一部分冷凝液由回流泵返回水解塔塔顶,作为回流液,另一部分分别送往两套尿素装置的一蒸加热器热利用段,经一吸冷却器进入一吸塔,未凝气送二循一冷器。水解塔塔底排出的废液中尿素含量小于5ppm、氨含量小于5ppm,此废液经水解换热器冷却后可作为低压锅炉补水。

回流冷凝器的操作是根据解吸负荷及生产系统的水平衡情况,通过改变进入水解塔回流液流量来调节水解气的组成,使得随水解气返回生产系统的水量得到适宜的控制。

该技术具有流程简单、热回收效果好、设备较少,塔内气液接触充分,液体停留时间长,有利于水解和解吸进行的特点,其工艺流程简图见图5。

2.2垂直筛板型尿素废液深度水解塔的特点

新型垂直筛板已在多种传质、传热领域中成功应用,它具有阻力小,气液接触充分,传质效率高,空间利用率高、处理能力大、操作弹性大、结构简单、可靠、投资省、抗结垢、防堵塞性能好、板上液面梯度小,液面横向混合好、无流动及传质死区等诸多优势,应用在尿素废液深度水解塔上可以使气液接触充分,液体停留时间长,塔板效率高、有利于尿素的水解和产物的解吸,因此决定采用它作为水解塔传质单元。

垂直筛板型尿素废液深度水解塔的结构和工作原理为:塔板由新型垂直筛板传质单元组成,设置了特殊的结构,保证尿素废液在塔板上的停留时间;由下层塔板上升的气体经升气孔后通过新型垂直筛板传质单元进行传质、传热,塔板上的液层被分散成大量直径不等的细小液滴及气泡,形成很大的传质表面,尿素废液在塔板上的停留时间长,实现尿素的完全水解;解吸产物NH3和CO2则不断地及时移走,完成解吸过程,形成了连续的反应-精馏体系,使反应始终向水解方向进行。完成传质、传热过程后,液滴返回板上液层内,气体继续上升至上层塔板,继续进行水解—气提过程。

2.3主要设备选型

根据流程模拟和工艺计算,确定了主要设备的参数,主要设备选装置的控制采用DCS集中控制,实现了操作控制的自动化,节省了人力成本。

工艺、设备设计相结合,采用了合理的设备材料和结构,对设备制造过程进行优化控制;同时对装置的平面布置、配管、土建等专业的配合进行了优化,装置占地~7000×9000,建设总投资700万元,相比国内同类装置,投资额降低约1/3。

3.装置运行操作控制工艺指标及运行效果小结

3.1装置运行操作控制工艺指标

通过优化、筛选,确定了垂直筛板型尿素废液深度水解装置的运行操作控制工艺指标,主要设计指标与操作工艺指标对比见表2。

2垂直筛板型尿素废液深度水解主要设计指标与操作工艺指标对比

序号

工艺指标名称

指标单位

设计指标范围

实际运行指标

1

水解塔操作压力

MPa

1.0~1.05

1.05

2

水解塔塔底温度

180~185

185

3

水解塔塔顶温度

140~145

145

4

水解塔塔顶冷凝温度

80~85

80-83

5

水解塔CO2加入量

m3/h

1.5

3.2装置运行效果小结

垂直筛板型尿素废液深度水解项目自2011年9月20日在石家庄正元化肥有限公司建成并开车试运行,投运后达到了设计指标,3.3装置运行后改进措施及收到的其它效果

垂直筛板型尿素废液深度水解装置自开车投入运行后,经过操作人员的熟练和工艺探索以及对指标、操作控制的优化筛选后,各项指标运行正常,体现出了操作简单、灵活、安全可靠的特点,同时针对水解回流泵易发生气蚀、不打量、填料易漏等问题,通过攻关和优化工艺操作条件及采取必要的技术手段后,彻底解决了问题,为装置的稳定运行创造了条件。

垂直筛板型尿素废液深度水解装置运行后,原两套尿素装置的各一套工艺废液解吸装置(φ800和φ1000系统)全停,全部负荷由深度水解装置承担,装置也达到了设计最大负荷达到25m3/h,蒸汽消耗为≤300Kg/m3,不仅可回收尿素工艺冷凝液中的氨和尿素,使尿素氨耗下降10-15Kg/t尿素,而且回收的氨和二氧化碳是以甲铵液的形式全部返回尿素装置的中压系统,将有效降低循环系统的负荷,优化尿素装置的操作条件,有利于整个系统的水平衡及氨耗的降低,水解后废水中氨及尿素质量分数5ppm以下,可作为锅炉补充水,达到了设计要求,收到了较好的经济效益。

4.小结

垂直筛板型尿素废液深度水解工艺技术,采用1.3Mpa蒸汽,具有投资少、蒸汽消耗低、水解后废水中氨及尿素含量极低、运行稳定、可靠、占地面积小的特点,有利于尿素系统水平衡及氨耗的降低,尤其适合于水溶液全循环法尿素装置的工艺冷凝液的处理是氮肥生产污水“零排放”的关键技术之一。


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