馮 萍，王 獻(xiàn)

(合肥瑞鑫化工科技有限公司，安徽 合肥 230061)

0 引 言

上世紀(jì)50年代初，新中國(guó)剛剛成立不久，百?gòu)U待興，諸多工業(yè)領(lǐng)域一窮二白，國(guó)內(nèi)沒(méi)有1套尿素裝置；上世紀(jì)50年代中期，第一套尿素生產(chǎn)試驗(yàn)裝置在南京誕生；上世紀(jì)60年代，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)10多套水溶液全循環(huán)法及氨汽提法尿素裝置，在對(duì)引進(jìn)技術(shù)不斷消化的基礎(chǔ)上，上?；ぱ芯吭貉芯块_發(fā)并建造了4套中壓聯(lián)尿裝置；上世紀(jì)70年代，化學(xué)工業(yè)部第四設(shè)計(jì)院(現(xiàn)中國(guó)五環(huán)工程有限公司)研究開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水溶液全循環(huán)法尿素生產(chǎn)工藝(俗稱小尿素裝置)；從上世紀(jì)70年代開始，我國(guó)先后引進(jìn)了多套520 kt/a尿素裝置，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷的消化吸收和革新，而今中國(guó)五環(huán)工程有限公司設(shè)計(jì)的單套尿素裝置產(chǎn)能已達(dá)1 000 kt/a以上；目前我國(guó)已有上百套大型尿素裝置，基本上實(shí)現(xiàn)了大型化，而上世紀(jì)60、70年代國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)建造的小尿素裝置基本上已改造或淘汰。

從工藝流程來(lái)看，國(guó)內(nèi)自建中小型尿素裝置前期以水溶液全循環(huán)法工藝為主，后期中型尿素裝置多采用國(guó)產(chǎn)化CO2汽提法工藝；引進(jìn)尿素裝置主要采用荷蘭斯塔米卡邦的CO2汽提法與意大利斯納姆的氨汽提法，個(gè)別大型尿素裝置采用意大利蒙特愛迪生公司的氨/CO2雙汽提工藝、日本東洋工程公司的節(jié)能型改良C法汽提工藝。當(dāng)前國(guó)內(nèi)尿素裝置大多采用CO2汽提工藝，其優(yōu)點(diǎn)主要是蒸汽單耗較低，生產(chǎn)成本較其他工藝低，但缺點(diǎn)之一是氨的損失較大。CO2汽提工藝氨損失較大的原因在于，低壓吸收塔出口排放氣氨含量較高，常解塔出口排放氣、蒸發(fā)造粒抽真空排放氣、碳銨液槽排放氣、尿液槽排放氣最后匯集到1條放空總管，直接排入大氣中，排放氣中含氨約1%～3%，不僅增加了消耗，削弱了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還帶來(lái)了不良的環(huán)境影響。在節(jié)能減排及大氣污染治理要求日益嚴(yán)苛的背景下，尿素裝置放空總管所排含氨尾氣的治理已刻不容緩。

1 CO2汽提法尿素生產(chǎn)工藝部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)CO2汽提法尿素生產(chǎn)工藝中，放空總管放空氣中的氨主要有兩個(gè)來(lái)源，其一是低壓吸收塔及常解塔排放的惰性氣中的氨，其二是尿素蒸發(fā)系統(tǒng)抽真空時(shí)蒸發(fā)氣中含有的氨。據(jù)《氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)：尿素》[1]，生產(chǎn)1 t尿素所產(chǎn)生的混合放空氣(低壓吸收塔排放氣+常解塔排放氣)為60～66 m3，上游合成氨裝置凈化系統(tǒng)送入尿素裝置中的CO2氣中的O2含量約0.8%，生產(chǎn)噸尿素所產(chǎn)生的惰性氣約7 m3，合計(jì)生產(chǎn)噸尿素產(chǎn)生的放空氣約73 m3，折合生產(chǎn)噸尿素?fù)p失氨約1.8 kg。

(2)尿素蒸發(fā)系統(tǒng)抽真空消耗的蒸汽，一段蒸發(fā)系統(tǒng)約30 kg(約4.6 m3)，二段蒸發(fā)系統(tǒng)約40 kg(約6.25 m3)[1]；據(jù)《氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)：尿素》[1]，生產(chǎn)噸尿素蒸發(fā)系統(tǒng)抽真空損失的氨約為0.8 kg，可忽略不計(jì)。

綜上，生產(chǎn)1 t尿素，低壓吸收塔及常解塔排放的放空氣約73 m3。以1 400 t/d(58 t/h)尿素裝置為例，尾氣放空量約101 616 m3/d，其中，從低壓吸收塔及常解塔排放掉的氨為58×1.8=104.4 kg/h，即2 505.6 kg/d。

2 CO2汽提法尿素裝置放空總管尾氣放空情況

為了解CO2汽提法尿素裝置放空總管尾氣放空情況，2020年4月和2021年10月，合肥瑞鑫化工科技有限公司(簡(jiǎn)稱合肥瑞鑫)派出專業(yè)技術(shù)人員分別對(duì)山西天澤煤化工集團(tuán)股份公司煤氣化廠(簡(jiǎn)稱山西天澤)和奎屯錦疆化工有限公司(簡(jiǎn)稱奎屯錦疆)進(jìn)行了實(shí)地考察，并配合這兩家企業(yè)人員進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣分析，有關(guān)情況具體如下。

2.1 山西天澤尿素裝置放空總管尾氣放空情況

山西天澤2 400 t/d CO2汽提法尿素裝置低壓吸收塔規(guī)格為φ500 mm/φ800 mm、塔高為8 751 mm、塔體材料為00Cr17Ni14Mo2，內(nèi)裝25 mm×25 mm×1 mm的不銹鋼鮑爾環(huán)填料，設(shè)計(jì)壓力3.0 MPa、操作壓力0.1～0.4 MPa，設(shè)計(jì)溫度175 ℃；低壓吸收塔附屬給料泵(離心泵)Q=37.5 m3/h，p入/p出=0.13 MPa(A)/1.35 MPa(A)，配套電機(jī)N=45 kW(380 V)。2020年4月6日10:00和14:00取樣分析，低壓吸收塔出氣氨含量分別為2.86%、3.24%。

山西天澤2 400 t/d CO2汽提法尿素裝置常解塔規(guī)格為φ650 mm/φ1 500 mm、塔高為8 530 mm、塔體材料為00Cr19Ni10，內(nèi)裝25 mm×25 mm×1 mm的不銹鋼鮑爾環(huán)填料，設(shè)計(jì)壓力0.11 MPa、操作壓力 0.3～0.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度150 ℃，出液溫度<70 ℃；常解塔附屬循環(huán)泵(離心泵)Q=82.9 m3/h，p入/p出=0.218 MPa(A)/0.520 MPa(A)，配套電機(jī)N=15 kW(380 V)。2020年4月6日10:00和14:00取樣分析，常解塔出氣氨含量分別為400 mg/m3、850 mg/m3；放空總管尾氣中氨含量分別為1.49%、1.77%。

2.2 奎屯錦疆尿素裝置放空總管尾氣放空情況

奎屯錦疆1 400 t/d CO2汽提法尿素裝置(大尿素裝置)，2021年10月6日10:00和14:00取樣分析，低壓吸收塔出氣氨含量分別為2.56%、2.15%，常解塔出氣氨含量分別為950 mg/m3、1 150 mg/m3。

奎屯錦疆有3套40 kt/a三聚氰銨裝置，三聚氰銨生產(chǎn)中產(chǎn)生的碳銨液，一部分送往小尿素裝置生產(chǎn)尿素，余下的部分送往大尿素裝置(1 400 t/d尿素裝置)的碳銨液槽繼而進(jìn)行深度水解，碳銨液槽排放氣量約4 000 m3/h；碳銨液槽放空氣中的氨含量約3%，氣氨的密度以0.771 kg/m3計(jì)，則碳銨液槽排放氣中氨量為4000×3%×0.771×24=2 220.5 kg/d。

2.3 小 結(jié)

綜上，粗略估算400 kt/a CO2汽提法尿素裝置放空總管日排放的氨約2505.6+2220.5=4 726.1 kg，如遇陰雨天或氣壓低的時(shí)候，整個(gè)廠區(qū)會(huì)氨味彌漫，即使氣壓高氨也會(huì)隨著放空氣飄散幾公里，嚴(yán)重影響環(huán)境?？梢?，尿素裝置放空總管含氨尾氣亟待治理。

3 優(yōu)化技改方案

針對(duì)國(guó)內(nèi)CO2汽提法尿素裝置的生產(chǎn)現(xiàn)狀，合肥瑞鑫技術(shù)人員在查閱有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了“循環(huán)洗滌+酸洗+精洗”的三段式放空氣精洗塔技術(shù)。該技術(shù)可對(duì)低壓吸收塔尾氣、常解塔尾氣及放空總管尾氣進(jìn)行洗滌。具體優(yōu)化技改方案如下。

3.1 增設(shè)精洗塔并采用高效降膜噴射塔盤

增設(shè)1臺(tái)放空氣精洗塔(簡(jiǎn)稱精洗塔)，精洗塔上部為精洗段，內(nèi)設(shè)多層高效降膜噴射塔盤；精洗塔中部為酸洗段，內(nèi)設(shè)多層合肥瑞鑫專利產(chǎn)品——高效降膜噴射塔盤(專利號(hào)ZL 201320340934.0，ZL 201320340931.7)；精洗塔下部為填料段，采用多面球空心填料。高效降膜噴射塔盤主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

(1)負(fù)載能力大。高效降膜噴射塔盤處理氣量是普通塔板(篩板、浮閥、泡罩)的1.5～2.0倍，高效降膜噴射塔盤帽罩結(jié)構(gòu)決定了其氣液呈水平方向噴出，這就降低了液沫夾帶量，從而可提高空塔氣速；另外，進(jìn)入降液管的液體幾乎是清液，降液管內(nèi)液體停留時(shí)間可縮短，同等負(fù)荷下降液管體積減小，可增加塔板的有效傳質(zhì)面積。

(2)傳質(zhì)效率高。與篩板塔板相比，高效降膜噴射塔盤傳質(zhì)效率高出10%～20%，原因在于帽罩內(nèi)的高液氣比，氣液兩相的良好混合和部分液體在帽罩內(nèi)外的再循環(huán)及再分解可達(dá)到良好的傳質(zhì)傳熱效果。

(3)壓降小。高效降膜噴射塔盤氣(汽)相并不像泡沫工況操作的塔板那樣必須通過(guò)板上液層以克服其壓頭，只需克服被氣體提升的那部分液體的重力即可，觀測(cè)表明，被提升的液體厚度僅為板上液層厚度的幾分之一。

(4)塔板間距小。這類塔板的空間利用較充分，塔板上不存在鼓泡層，液面較低且平穩(wěn)，分離空間不要求有很大，一般情況下400 mm左右即可。

(5)獨(dú)特的防有機(jī)物自聚堵塞能力強(qiáng)。高效降膜噴射塔盤上的氣流速度大，具有很強(qiáng)的自沖刷清洗能力，工業(yè)應(yīng)用情況表明其對(duì)有機(jī)物自聚堵塞具有很好的預(yù)防作用；由于塔盤開孔大、無(wú)升氣管且無(wú)其他遮攔件，因而其對(duì)含固體顆粒的物料具有良好的適應(yīng)性。

(6)操作彈性好、適應(yīng)性強(qiáng)。與普通塔板相比，高效降膜噴射塔盤的板孔動(dòng)能因子更大，也不易出現(xiàn)降液管液泛和過(guò)量液沫夾帶等不正?，F(xiàn)象，操作彈性好，與浮閥塔板相當(dāng)；適用于高壓強(qiáng)與較低真空度以及高液氣比與低液氣比工況——在不同工況下，雖然液面波動(dòng)范圍大，但對(duì)塔板效率影響不大，操作條件適應(yīng)性強(qiáng)。

(7)操作簡(jiǎn)便可靠。采用高效降膜噴射塔盤，從系統(tǒng)開工到穩(wěn)定運(yùn)行耗時(shí)很短，并能持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，這與其具有良好的傳質(zhì)效率有關(guān)：精洗塔下部為填料段，使用當(dāng)前國(guó)內(nèi)廢氣洗滌專用填料(多面球空心填料)，填料分兩段，采用大容量的噴頭，洗滌液直接均勻地噴灑在填料上，可提高洗滌液的吸收效果；精洗塔上部補(bǔ)入新鮮脫鹽水，補(bǔ)入量據(jù)精洗塔氣相出口氨濃度確定，一般情況下2～3 m3/h、夏季宜在4～5 m3/h。

3.2 新增運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備等

(1)新增2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)(一開一備)，風(fēng)機(jī)電機(jī)帶變頻調(diào)速，可隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量，主要作用是在精洗塔內(nèi)對(duì)放空氣進(jìn)行汽提，提高氨吸收效果；新增2臺(tái)引風(fēng)機(jī)(一開一備)，主要作用是保持精洗塔內(nèi)的氣體流速，以利增強(qiáng)高效降膜噴射塔盤的吸氨效果。

(2)新增2臺(tái)160 m3/h的循環(huán)洗滌泵(一開一備)、2臺(tái)80 m3/h的酸洗循環(huán)泵(一開一備)、2臺(tái)80 m3/h的精洗循環(huán)泵(一開一備)，分別用于輸送精洗塔填料段、酸洗段、精洗段的噴淋洗滌液。

(3)精洗塔系統(tǒng)采用自調(diào)裝置，調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)均接入尿素裝置主控操作室DCS，便于操作控制。

4 精洗塔系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

來(lái)自尿素裝置放空總管的尾氣(包括低壓吸收塔尾氣、常解塔尾氣、蒸發(fā)系統(tǒng)噴射氣、碳銨液槽尾氣、尿液槽尾氣)，與鼓風(fēng)機(jī)來(lái)的空氣一并進(jìn)入精洗塔的底部，氣體經(jīng)霧化洗滌后，上升至填料層，在填料層由循環(huán)洗滌泵送來(lái)的蒸汽冷凝液對(duì)尾氣進(jìn)行洗滌，當(dāng)氨水濃度達(dá)10%～15%時(shí)，氨水由循環(huán)洗滌泵出口支線送回碳銨液槽，繼而進(jìn)行解吸處理；出填料段的尾氣進(jìn)入精洗塔中段，在高效降膜噴射塔盤層用濃度為0.5%～1.0%的稀酸進(jìn)行洗滌，出塔氣中的氨含量可降至5×10-6以下，酸洗液達(dá)到一定濃度后可由酸洗循環(huán)泵出口支線送往外工段使用或送入儲(chǔ)罐再外運(yùn)處理(若酸洗液在企業(yè)內(nèi)部無(wú)法消納或利用，也可使用脫鹽水或蒸汽冷凝液進(jìn)行洗滌，此種情況下洗滌液可并入循環(huán)洗滌泵進(jìn)口管用作精洗塔下段的洗滌液或回收至碳銨液槽，酸洗段采用脫鹽水或蒸汽冷凝液作為洗滌液時(shí)，出塔氣中的氨含量可控制在30×10-6以下)；出酸洗段的尾氣進(jìn)入精洗塔上部精洗段，由來(lái)自脫鹽水總站的脫鹽水經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)送入精洗塔上段進(jìn)行洗滌，精洗塔上段配套設(shè)計(jì)有精洗循環(huán)泵，當(dāng)吸收液的氨濃度達(dá)到5%左右時(shí)，由精洗循環(huán)泵出口支線并入循環(huán)洗滌泵進(jìn)口管將其用作精洗塔下段的洗滌液，出精洗段的尾氣經(jīng)絲網(wǎng)除沫器除去夾帶的水汽后由引風(fēng)機(jī)送至放空總管排入大氣(精洗塔酸洗段采用稀酸洗滌時(shí)出塔氣氨含量<5×10-6，酸洗段采用脫鹽水或蒸汽冷凝液洗滌時(shí)出塔氣氨含量<30×10-6)。

5 設(shè)備概況及投資估算

靜設(shè)備：精洗塔，1臺(tái)，φ1 500mm、H≈25 000 mm，材質(zhì)為304，內(nèi)件有高效降膜噴射塔盤、填料、氣體分布器、液體分布器、噴頭、支承圈等；酸洗液槽1臺(tái)、精洗液槽1臺(tái)，規(guī)格均為φ1 500mm、H≈2 000 mm，材質(zhì)為304。

動(dòng)設(shè)備：循環(huán)洗滌泵2臺(tái)、酸洗循環(huán)泵2臺(tái)、精洗循環(huán)泵2臺(tái)，材質(zhì)為304；鼓風(fēng)機(jī)2臺(tái)，材質(zhì)為碳鋼；引風(fēng)機(jī)2臺(tái)，材質(zhì)為碳鋼。

其他設(shè)備設(shè)施：管道、閥門，儀表、電器(含調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、電纜)。

據(jù)估算，上述設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、設(shè)備基礎(chǔ)及安裝/吊裝費(fèi)、工藝設(shè)計(jì)及服務(wù)費(fèi)等合計(jì)約300萬(wàn)元。

6 效益分析

以400 kt/a CO2汽提法尿素裝置為例，據(jù)前述計(jì)算，采用合肥瑞鑫開發(fā)的“循環(huán)洗滌+酸洗+精洗”三段式放空氣精洗塔技術(shù)后，可從放空氣中回收氨約4 726.1 kg/d，液氨售價(jià)以3 500元/t、年有效生產(chǎn)時(shí)間以300 d計(jì)，回收的氨年可新增銷售收入4726.1÷1000×3500×300÷10000=496萬(wàn)元；除去蒸氨所需蒸汽、電等運(yùn)行成本及設(shè)備折舊費(fèi)用每年約120萬(wàn)元，本項(xiàng)技改年可為企業(yè)降本增效約376萬(wàn)元。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題突出，環(huán)保政策日趨嚴(yán)厲，近年來(lái)我國(guó)明顯加大了大氣污染治理力度，而《排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范 化肥工業(yè)-氮肥》(HJ 864.1—2017)的實(shí)施，對(duì)氮肥企業(yè)排污節(jié)點(diǎn)、污染物及污染治理設(shè)施都有了明確的規(guī)定，對(duì)廢氣排放的要求越來(lái)越高。就尿素裝置而言，通常業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)是尿素造粒塔尾氣粉塵含量的控制(如增設(shè)或升級(jí)技改造粒塔頂粉塵回收裝置等)，對(duì)放空總管含氨尾氣的控制往往缺少關(guān)注，在建設(shè)綠色工廠的大背景下，尿素裝置放空總管含氨尾氣的治理將會(huì)是大勢(shì)所趨。合肥瑞鑫開發(fā)的放空總管尾氣精洗技術(shù)較為成熟，工藝流程簡(jiǎn)潔、設(shè)備購(gòu)置容易、占地面積小，投資與運(yùn)行成本均較低，不需要額外增加操作人員，本項(xiàng)技改實(shí)施后，既可減輕尿素裝置的環(huán)保壓力，又可助力企業(yè)降本增效，期待在業(yè)內(nèi)得到推廣應(yīng)用。