王 兵

(兗礦魯南化工有限公司 山東滕州 277527)

CO2脫氫裝置技改總結(jié)

王 兵

(兗礦魯南化工有限公司 山東滕州 277527)

在以煤為原料的合成氨、尿素生產(chǎn)系統(tǒng)中，用于生產(chǎn)尿素的原料CO2中含有微量的H2，CH4等可燃性氣體，有可能使尿素裝置放空尾氣進(jìn)入爆炸極限范圍，因此需對(duì)原料CO2進(jìn)行脫氫處理，確保裝置的本質(zhì)安全。針對(duì)原脫氫技術(shù)因加入空氣而導(dǎo)致尾氣放空量增大、系統(tǒng)消耗增加的問(wèn)題，用氧氣代替空氣加入脫氫反應(yīng)器中。改造后，尾氣量減少26.6%，CO2轉(zhuǎn)化率提高0.6%，系統(tǒng)生產(chǎn)能力提高6.3%，噸尿素氨耗降低1.48 kg。

脫氫；尿素；提產(chǎn)降耗

3#尿素裝置是兗礦魯南化工有限公司原料及動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)整項(xiàng)目的配套裝置，采用CO2汽提法生產(chǎn)工藝，包括高壓合成、低壓分解、蒸發(fā)造粒及包裝輸送等工序，具有技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、操作壓力低、產(chǎn)品消耗低、投資省、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)。隨著3#尿素裝置負(fù)荷的不斷提高，脫氫裝置產(chǎn)生了大量的惰性氣體，尾氣放空量增大，嚴(yán)重制約了裝置產(chǎn)能的進(jìn)一步提高。為此，兗礦魯南化工有限公司對(duì)原CO2脫氫裝置進(jìn)行了改造，可減少系統(tǒng)尾氣放空量、提高產(chǎn)能并降低消耗。

1 CO2脫氫的重要性

在以煤為原料的合成氨、尿素生產(chǎn)系統(tǒng)中，原料煤在氣化爐中生成的含有大部分CO和H2及少量CH4，N2，硫化物等雜質(zhì)的水煤氣經(jīng)氣體凈化裝置處理后，將CO與水蒸氣反應(yīng)生產(chǎn)H2和CO2，再經(jīng)吸收分離除去有毒有害的H2S等氣體，制得純凈的H2和CO2氣體，其中H2用于生產(chǎn)合成氨，而CO2則輸送至尿素裝置作為生產(chǎn)尿素的原料氣。

在目前的氣體凈化技術(shù)中，CO2氣體的吸收和分離主要有NHD和低溫甲醇洗工藝，均采用吸收劑在低溫下吸收合成氣中的CO2，在高溫下解吸釋放出CO2。由于吸收劑在吸收CO2的同時(shí)還溶解了一定量的CO，H2，CH4，N2及硫化物等，當(dāng)溶液再生時(shí)，這些氣體隨同CO2一同被解吸析出來(lái)，造成送往尿素裝置的原料CO2中含有微量的H2，CH4等可燃性氣體，而這些可燃性氣體不參與尿素合成反應(yīng)，在整個(gè)尿素生產(chǎn)過(guò)程中極少或完全不冷凝。此外，出于設(shè)備防腐的需要，在尿素生產(chǎn)中需加入防腐空氣，反應(yīng)物料經(jīng)高壓洗滌塔吸收大部分氨及CO2后，氣體混合物中H2，CO，CH4和O2濃度急劇上升，放空尾氣有可能進(jìn)入爆炸極限范圍，一旦出現(xiàn)靜電，將嚴(yán)重危及尿素裝置的安全生產(chǎn)和操作人員的人身安全。

為保證尿素裝置放空尾氣的安全性，在吸取多起惡性爆炸事故教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，20世紀(jì)七八十年代，國(guó)外的尿素生產(chǎn)裝置相繼采用催化燃燒技術(shù)脫除CO2原料氣中微量的H2，以提高裝置的本質(zhì)安全。

2 脫氫原理及對(duì)尿素生產(chǎn)的影響

20世紀(jì)90年代，湖北省化學(xué)研究所(現(xiàn)華爍科技股份有限公司)在CO2脫氫催化劑的研制、脫氫工藝技術(shù)的開發(fā)和CO2精脫硫技術(shù)的開發(fā)等方面開展了大量的工作，先后開發(fā)出TH- 2和TH- 3脫氫催化劑，并在多家尿素生產(chǎn)企業(yè)中得到推廣應(yīng)用，取得了較好效果，兗礦魯南化工有限公司的脫氫裝置即采用湖北省化學(xué)研究所的技術(shù)。

2.1 脫氫原理

CO2脫氫是指在脫氫催化劑作用下，CO2中微量的H2，CO，CH4等可燃性氣體與O2反應(yīng)生成H2O和CO2并放出大量的熱量，從而達(dá)到脫除可燃性氣體的目的，其反應(yīng)方程式如下：

2H2+O2→2H2O

2CO+O2→2CO2

CH4+2O2→CO2+2H2O

2.2 CO2脫氫工藝流程

CO2脫氫工藝流程如圖1所示。

圖1 CO2脫氫工藝流程

來(lái)自CO2壓縮機(jī)的CO2經(jīng)CO2換熱器或開工加熱器提溫使氣體溫度達(dá)到脫氫催化劑要求的溫度(150～220 ℃)后進(jìn)入脫氫反應(yīng)器，CO2中的可燃性氣體在催化劑作用下與O2發(fā)生反應(yīng)，出脫氫反應(yīng)器的CO2(殘余H2體積分?jǐn)?shù)<50×10-6)冷卻后返回CO2壓縮機(jī)，經(jīng)加壓后送尿素裝置。

2.3 CO2脫氫裝置對(duì)尿素生產(chǎn)的影響

脫氫裝置將CO2原料氣中的可燃性氣體轉(zhuǎn)化為CO2和水需要氧氣，因此，需加入大量的空氣用于脫氫。以H2的化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，脫除1.0 mol的H2將消耗0.5 mol的O2，根據(jù)空氣中O2含量，則須加入2.5 mol的空氣，這就導(dǎo)致空氣中剩余的2.0 mol N2等惰性氣體直接隨CO2進(jìn)入高壓系統(tǒng)。這部分氣體不參與尿素合成反應(yīng)，不僅占用了合成塔等的有效體積、降低了CO2轉(zhuǎn)化率，而且增加了從高壓洗滌器放空的尾氣量。原料氣中H2含量越高，需加入的空氣量越多，尾氣放空量越大，隨之帶出的氨及CO2增多，系統(tǒng)消耗增加；當(dāng)原料氣中H2含量過(guò)高而導(dǎo)致尾氣無(wú)法通過(guò)放空管全部排出時(shí)，存在高壓系統(tǒng)超壓的風(fēng)險(xiǎn)，必然引起系統(tǒng)減量，進(jìn)而影響尿素產(chǎn)能。

可見(jiàn)，脫氫技術(shù)的應(yīng)用有效解決了原料氣中可燃性氣體影響尿素裝置安全運(yùn)行的問(wèn)題，提高了尿素生產(chǎn)的本質(zhì)安全，但卻帶來(lái)了其他一些負(fù)面影響，主要有：①導(dǎo)致高壓系統(tǒng)的尾氣放空量增大；②惰性氣體占用合成塔有效體積，降低了CO2轉(zhuǎn)化率；③增加了NH3的放空量，系統(tǒng)消耗增加；④影響尿素產(chǎn)能的提高。

3 CO2脫氫技術(shù)的改進(jìn)

在CO2汽提工藝中，普遍存在尾氣放空量較大及高壓設(shè)備腐蝕較嚴(yán)重的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)采用雙氧水防腐技術(shù)。該技術(shù)是由意大利蒙特愛(ài)迪生公司發(fā)明并申請(qǐng)專利，主要目的是提高高壓系統(tǒng)液相的氧含量，結(jié)合加入少量的空氣，即同時(shí)采用2種鈍化方法(雙相鈍化)，從而強(qiáng)化高壓設(shè)備內(nèi)壁的鈍化膜，減輕設(shè)備的腐蝕。

雙相鈍化技術(shù)開發(fā)的主要目的是為了提高高壓設(shè)備的防腐效果，也在一定程度上減少了加入的空氣量，達(dá)到了降低系統(tǒng)放空量、增產(chǎn)降耗的效果，但也存在著一些不足：①雙氧水鈍化技術(shù)流程較長(zhǎng)，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，增大了操作人員的工作量；②需將雙氧水送入高壓設(shè)備，操作壓力較高，需使用高壓機(jī)泵，投資成本及維護(hù)費(fèi)用較高；③噸尿素約消耗雙氧水1.48 kg，按雙氧水價(jià)格2 000元/t計(jì)算，噸尿素生產(chǎn)成本增加2.96元，再加上電費(fèi)等其他費(fèi)用，尿素生產(chǎn)成本增加較多；④雙氧水防腐僅減少防腐空氣的用量，無(wú)法減少脫氫裝置空氣用量，一旦CO2中H2含量發(fā)生變化，必然需增大空氣用量，尾氣放空量仍會(huì)出現(xiàn)大幅增加，無(wú)法徹底解決問(wèn)題。

經(jīng)綜合考慮，兗礦魯南化工有限公司決定在脫氫反應(yīng)器中加入O2代替空氣進(jìn)行脫氫反應(yīng)，同時(shí)加入一定量的空氣以確保高壓系統(tǒng)各設(shè)備形成良好的鈍化膜，防止系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生腐蝕。此改進(jìn)措施不僅有效解決了尾氣中H2等帶來(lái)的安全隱患，而且減少了系統(tǒng)放空量，同時(shí)可提高尿素產(chǎn)能、降低消耗，具有投資少、成本低、維護(hù)方便、效果明顯等特點(diǎn)。

4 改造后的效果

(1) 改造后，高壓洗滌器尾氣放空量由改造前的約1 440 m3/h降至1 056 m3/h，高壓系統(tǒng)尾氣放空量降幅達(dá)26.6%。

(2) 改造后，合成塔CO2轉(zhuǎn)化率提高了0.6%。

(3) 改造后，尿素裝置的最大產(chǎn)量由改造前的1 002.80 t/d提高至1 266.25 t/d，增產(chǎn)幅度達(dá)6.3%。

(4) 改造前，放空尾氣中含氨體積分?jǐn)?shù)平均值在5.56%；改造后，放空尾氣中含氨體積分?jǐn)?shù)降至0.60%，相當(dāng)于噸尿素可降低氨耗1.48 kg。

通過(guò)技術(shù)改造后，CO2脫氫裝置運(yùn)行穩(wěn)定，高壓洗滌器尾氣放空量大幅減少，裝置產(chǎn)能得到較大提高，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益顯著。

Sum-UpofTechnologicalRenovationofCO2DehydrogenationUnit

WANG Bing

(Yancon Lunan Chemical Industry Co., Ltd., Tengzhou 277527, China)

In ammonia and urea production system using coal as raw material, the raw gas CO2for urea production contains trace amounts of combustible gases of H2, CH4, etc., making it possible that the vent tail gas of urea unit may be within explosion limit range, so it is necessary to carry out dehydrogenation treatment of raw gas CO2to ensure the intrinsic safety of the unit. In connection with problem of original dehydrogenation technology which adds air and causes the increase of amount of vent tail gas and the increase of system consumption, the oxygen is added to dehydrogenation reactor to replace the air. After the revamp, vent tail gas reduces by 26.6%, CO2conversion rate increases by 0.6%, system production capacity increases by 6.3%, and ammonia consumption per ton of urea lowers by 1.48 kg.

dehydrogenation; urea; increase production and lower consumption

王兵(1983—)，男，工程師，從事煤化工生產(chǎn)及技術(shù)管理工作；lnhgwb@126.com

TQ441.41

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1006- 7779(2017)05- 0038- 02

2016- 12- 12)