三种尿素合成工艺及技术特点比较

       作者：刘永坤
 摘 要：尿素是氮肥中含氮量最高的肥料，还可以部分代替蛋白质饲料，也是树脂、塑料、炸药、医药、食品等工业的重要原料。我国尿素装置采用的生产工艺主要有水溶液全循环法、二氧化碳汽提法和氨汽提法3种。本文对它们的工艺及其适用范围进行比较和分析。 
　　 关键词：尿素合成 水溶液全循环法 二氧化碳汽提法 氨汽提法 
　　 
　　 我国目前大多数中小型尿素装置采用的是水溶液全循环法，特点是合成塔内转化率高，未反应物三段减压分解，动力消耗较大，尾气压力、温度均较低，爆炸危险性小，其生产工艺比较成熟。不论采用哪种流程，基本由六个工艺单元，即原料供应、尿素的高压合成、含尿素溶液的分离过程、未反应氨和二氧化碳的回收、尿素溶液的浓缩、造粒与产品输送和工艺冷凝液处理，如图1-1所示。 
　　尿素生产的基本过程相似，但在具体的流程、工艺条件、设备结构等方面，不同工艺存在一定的差异。 
　　 一、3种尿素合成工艺的特点 
　　 1.水溶液全循环法 
　　 水溶液全循环法的特点是合成塔内转化率高，未反应物采用三段减压分解，动力消耗较大，尾气压力、温度均较低，爆炸危险性小，其生产工艺比较成熟，操作可靠方便，机泵和非标设备均为国产化。 
　　 2.二氧化碳汽提法 
　　 二氧化碳汽提法由以下工序组成：高压圈主要包括尿素合成塔、高压洗涤器、高压喷射器、汽提塔和甲铵冷凝器，后工序仅设置了低压分解吸收系统，并设置处理工艺冷凝液的工序，尿液经过真空蒸发后送入造粒工序，其特点是在最佳氨碳比的条件下，使合成压力降到最低。与此同时，在合成压力下，采用进行CO2汽提和冷凝，产生的冷凝液用来副产蒸汽为低压分解和一段蒸发做加热用，并作蒸汽喷射器的动力蒸汽及系统保温。CO2汽提法工艺与氨汽提工艺相比，CO2汽提压力较低、效率高，因此只需低压分解而不需中压分解也能满足生产要求。汽提法工艺改进后，采用高压下原料气体的脱氢技术，杜绝了工艺过程的燃爆危险性，在高压洗涤器后设吸收塔吸收高压工序未凝气，减少了尿素装置的消耗，采用该工艺技术的尿素装置，工艺流程短，设备少，生产稳定，消耗低。近年来，在我国新建的装置和大型装置的改造中，大都采用新型的汽提法新工艺。 
　　 3.氨汽提法 
　　 氨汽提法工艺工序组成：高压圈包括尿素合成塔、甲铵喷射器、甲铵冷凝器、甲铵分离器和汽提塔；中压分解吸收系统设置了中压分解分离器和中压分解加热器，而中压吸收系统则设置中压吸收塔尾气吸收器中压吸收塔外冷器和氨冷器；低压分解吸收系统包含段冷凝器和分解器；真空蒸发系统包括了冷凝和段真空，设置了处理工艺冷凝液工序，经过真空蒸发后的尿液送入造粒工序，此工艺在高压回路中，用甲铵喷射器循环甲铵液，高压回路改为水平布置。与二氧化碳汽提法尿素工艺相比，氨汽提尿素工艺蒸汽消耗较低，但电耗略高，总能耗两者较接近。氨汽提尿素工艺尿素合成塔中采用了高的氨碳比和较高的合成压力及温度。另外，采用钛材或双金属管作为汽提塔的管材料，所需防腐空气量少，高压系统无爆炸危险，在热能回收上，用了一些措施回收热量，比如用中压分解气冷凝热预热原料氨，用解吸塔底部出口废液预热高压碳铵液，用汽提塔的蒸汽冷凝液作为中压分解的热源等等。 
　　 二、几种尿素合成工艺的比较 
　　 1.转化率和氨碳比 
　　 在尿素合成塔中，CO2汽提工艺的合成转化率比氨汽提工艺低，但正是因为氨汽提工艺的氨碳比较高，使其操作压力和温度都比CO2汽提工艺高，所以，氨汽提塔必须使用特殊材质，同时，因为氨汽提工艺氨碳比较高，该工艺需增加中压分解和工段，使工艺复杂设备多，带来许多不便，易造成事故和停车；水溶热全循环尿素法装置，合成转化率较高，后工序负荷较大，但是并没有在高压圈内设置回收热能措施，所以，水溶液全循环尿素工艺消耗高 
　　 2.工艺布置 
　　 CO2汽提工艺因为高压圈的等压操作，物料为重力流动，其高压框架高，但是占地面积较小；而氨汽提工艺和水溶液全循环工艺则只需平面布置，优点是操作和检修方便，但占地面积较大。 
　　 3.能耗 
　　 系统正常运转时，CO2汽提工艺和氨汽提工艺的冷却水消耗、蒸汽消耗和氨耗相差不大；但是对于电耗，因为CO2汽提工艺的循环量比较小，合成操作压力较低，电耗比氨汽提工艺低。以上3种工艺由于高压圈转化率高，它们的甲铵冷凝器副产蒸汽可以用在尿素装置的蒸发和低压分解工序，所以，CO2汽提工艺的蒸汽消耗要比水溶液全循环尿素装置低得多。 
　　 4.加氧量 
　　 改进型CO2汽提工艺加入系统的氧的体积分数到 0.6%就能保证正常运行；虽然氨汽提工艺的加氧的体积分数只有0.35~0.45%，但实践中，CO2氨汽提塔腐蚀严重，塔底须加空压机补充氧量带来的不足，而水溶液全循环尿素工艺中的加氧的体积分数是0.5%。 
　　 5.设备及材料的腐蚀 
　　 CO2汽提工艺中高压圈设备和水解塔最易产生腐蚀，而氨汽提工艺除高压圈设备和水解塔外，中压分解系统的设备也易腐蚀。CO2汽提工艺的尿塔寿命一般在19~25年，CO2汽提塔的使用寿命在17~21年，而氨汽提工艺的汽提塔使用寿命在15年左右。水溶液全循环工艺除尿素合成塔外，中压分解系统的设备也易发生腐蚀。 
　　 6.燃爆可能性 
　　 改进型CO2汽提工艺由于设置了CO2脱氢工序，尿素装置的尾气中不再含有氢，这样就消除了尿素装置产生爆炸的可能性；而水溶液全循环工艺与氨汽提工艺中 低压尾气的组分类似，有可能发生爆炸。 
　　 7.操作弹性 
　　 CO2汽提工艺的操作弹性负荷可在60％上运行，在该生产负荷下，开停车时间短，稳定工艺装置的时间短，氨汽提工艺和水溶液全循环尿素工艺的操作弹性可在 40％负荷上运行，这使得尿素装置的开车平稳，但需要较长的时间，工艺操作回路多，在气温高的生产工况下，中压系统操作不稳定，易引起停车。 
　　 三、 结语 
　　 综上所述，上面比较的 3 种工艺方案各有优劣，水溶液全循环法工艺较落后，消耗较高，对新建的尿素装置来说改进型二氧化碳汽提工艺与氨汽提工艺具有一定的优势 从投资方面相比，改进型二氧化碳汽提工艺由于设备台数少，比氨汽提工艺节省投资15％左右，目前的化肥厂多采用改进型二氧化碳汽提工艺。 
　　 
　　参考文献： 
　　[1]汪家铭. 尿素合成双塔高效组合技术及其应用[J]. 甘肃石油和化工, 2007, (02) . 
　　[2]冯桂晓;尿素合成塔和一吸塔技改小结[J];小氮肥;2007年01期. 

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2019-07-21