尿素的生产技艺及压缩机的选型

　　山西晋丰煤化工有限责任公司是由山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司与山西丰喜肥业（集团）股份有限公司共同出资组建的煤化工企业。公司成立后，按照高起点、高标准、现代化的发展思路，充分利用双方的资源优势、资本优势和管理优势，在山西省高平市和闻喜县两地同时开工建设了高平“3652”（30万t／a合成氨，6万t／a甲醇，52万t／a尿素）项目和闻喜“1830”项目。其中高平“3652”项目一期工程预计在2006年前后建成投产。

　　1合成氨的工艺选择1.1造气本工程以晋城无烟煤为原料，综合考虑技术成熟度、煤种适应性、能耗、投资等各种因素，选用空气常压固定床间歇气化法，并采用成熟的自动加焦及炉况寻优技术来生产合成氨。

　　自动加焦技术利用机电控制使原料煤通过自动加焦机均匀地进入造气炉中，由此达到稳定炉温、提高制气时间、减少煤耗的目的；炉况寻优即随时监视炉内操作情况，并优化调节的技术。这两项新技术的运用，可使造气炉的产气量在原料消耗及设备不变的情况下，提高15％。同时，再使用“过热蒸汽制气”、“入炉蒸汽流量自动调节”、“入炉蒸汽压力微机控制”、“余热集中回收”等有效的节能降耗措施，提高单炉产气量，降低生产成本，使生产运行平稳，安全可靠。

　　14台气化炉（Φ2650mm，煤气产量6000m 3／h￣8000m 3／h）由山东博山化肥机械有限公司制造，生产开12台备2台。该炉型的制气强度大，炉篦气体分布均匀，操作简单，可连续加焦，配套集中余热回收和冷却、除尘工艺，提高了热回收率，减少了冷却、除尘用水，相比Φ3000mm以上大炉型具有造价低、制气强度大的优点。

　　吹风气回收选择Φ7200mm蓄热型燃烧炉1台，并对以往的蓄热层结构进行改进，采取防集灰措施。在烟气的余热利用上，分别设置中、低余热回收器，生产的0.6MPa（25t／h）蒸汽供造气工段用，2.45MPa（8t／h）蒸汽去管网系统。

　　1.2净化1.2.1脱硫工艺合成氨净化脱硫工艺设置：气柜后、压缩机一段入口前及变换后、变换气干法脱硫前，设置湿式脱硫；变换气脱硫后、脱碳前及CO 2压缩机三、四段之间，设置干法脱硫；脱碳后、压缩机四段入口前，设置精脱硫。

　　湿式脱硫，以改良ADA法、栲胶法和DDS法为佳。

　　改良ADA法的溶液性能稳定，技术经济指标较好，溶液无毒，对碳钢无腐蚀作用，但*大的缺点是易堵塔，即脱硫塔内单质硫易沉降在填料或设备上；栲胶法原料易得，脱硫液无毒，活性好，脱硫性能稳定，脱硫效率及气体净化度较高，不堵塔，并可用自吸入空气喷射氧化使溶液再生，具有投资省、效果好、操作方便的特点。在气柜后、压缩机一段入口前采用栲胶脱硫。

　　DDS脱硫技术是“铁－碱溶液催化法气体脱碳脱硫脱氰技术“的简称，是一种湿法生化脱硫技术，由北京大学开发，具有脱硫效率高、溶液循环量小等优点，在变换后，变换气干法脱硫前，采用DDS法脱硫。

　　干法脱硫采用活性炭常温脱硫工艺，优点在于：（1）活性炭对H 2 S的脱除效率大于99％，对有机硫的脱硫效率也较好，而半水煤气中不易脱除的有机硫在变换催化剂的作用下约有90％转化为H 2 S，这些硫化物，包括微量有机硫化物均能脱除，从而有效地保证了原料气的净化度。（2）由于CO 2比H 2 S易被活性炭吸附，因此可保证活性炭的吸附能力充分消耗在对H 2 S的吸附上。同时，H 2 S在变换气中含量比在半水煤气中含量低，据此对活性炭可不考虑再生，而对半水煤气脱硫则必须考虑再生。

　　微量H 2 S是使甲醇化、甲烷化和NH 3合成等催化剂失活的主要原因，合成前应将脱碳气中的硫（H 2 S＜10mg／m 3）脱除到总硫＜0.1×10－6。精脱工艺以往多用ZnO、JTL常温精脱工艺，但此工艺需设置提温、降温装置。为实现常温精脱硫，选用JTL－4新工艺，即T102串T104，其中T102为特种活性炭并添加助剂、稳定剂制备；T104即EZX，为转化吸收型多功能精脱硫剂，对有机硫能很好地吸收，具有较高的工作硫容。JTL－4脱硫剂脱硫精度*高可达＜0.03×10－6。

　　1.2.2变换工艺常见的变换工艺有全低变、中低低和中串低等，本装置采用2.1MPa全低变、无饱和热水塔工艺流程，主要优点有：低变Co－Mo系催化剂的活性明显高于中变Fe－Cr系催化剂，可使其用量大幅度减小；该催化剂使反应远离平衡，加大了反应推动力，提高了反应速度，且可以采用更低的汽气比，从而节约蒸汽耗量；采用预变炉内喷水流程，用水冷激，使用方便、灵敏，在要求达到相同变换率的前提下，可降低变换炉中半水煤气的汽气比，进一步节约蒸汽耗量；克服了部分设备腐蚀现象，同时减小了占地面积。

　　1.2.3脱碳工艺目前所采用的脱除CO 2方法有化学吸收法、物理吸收法以及物理化学吸收法。对于化学吸收法来讲，再生时需消耗较多的热能。采用节能改良的化学吸收法或以MDEA为代表的物理化学吸收法可以降低热能消耗，但仍需消耗一定的热能。若采用物理吸收法，则不需要消耗热能，能耗甚低。而本工程是以煤为原料，变换气中CO 2含量较高，其分压大，这种工况更适宜于采用物理吸收法。

　　物理吸收法中低温甲醇洗净化度高，运行费用低，但操作温度低，需采用低温材质，设备制造难度较大，投资较高。NHD法是近年来由国内自行开发的技术，与国外Selexol法相近，是纯物理吸收法，也是国家重点推广的技术。NHD为多聚乙二醇二甲醚的混合物，沸点高，冰点低，蒸汽压低，挥发损失较小，对H 2 S和CO 2的吸收能力高，热化学稳定性好，不起泡，不降解，无副反应，对碳钢设备无腐蚀，对人及生物环境无毒。在低温低压下，脱碳效果好，操作费用低，溶液吸收能力大，循环量小，减压或气提即可再生，不需再生热量，可降低能耗。

　　本工程NHD脱碳工艺采用脱碳、气提两塔流程，溶液再生采用两级减压闪蒸及空气气提工艺。在流程中设置了气体换热器，充分运用装置的冷量，有利于吸收操作；同时将高压闪蒸槽中含H 2 20％（体积分数）的高闪气返回到压缩机，回收这部分含氢气体。CO 2吸收塔富液，采用水力透平－贫液泵机组，回收总功率约800kW。

　　1.3合成1.3.1压缩机的选用目前，国内外大中型合成氨厂的氮氢气压缩机大多采用离心式和往复式压缩机。

　　离心式压缩机具有运转平稳、机组外型尺寸小、易损部件少、机体内不需润滑、易自动控制等优点；但是排气压力较低、整机或主要部件需进口、投资大，且要求原料气不含油和尘。因此不宜用于本系统。而往复式压缩机运行平稳可靠，排气压力高，国内制造，使用经验丰富，适合我厂以煤为原料，常压固定床间歇造气的合成氨工艺的特点。

　　选用4台由上海压缩机有限公司生产的S6M50－312／320－BX型压缩机，并预留1台厂房位置。机组设压力、液位、运转状态显示及控制和超限连锁停机保护的PLC控制系统。

　　1.3.2双甲精制采用“双甲精制”，即甲醇化、甲烷化脱除原料气中微量的CO和CO 2，使合成氨原料气中CO＋CO 2≤10×10－6。此工艺特点：高压净化精制，电耗少；副产甲醇、甲烷，丰富了产品类型；可调氨醇比，生产操作灵活；对变换工段的要求宽松，容易操作，节省蒸汽；进入甲烷化系统的CO和CO 2含量少，反应氢耗少，生成的CH 4少，气体质量高。

　　为了配合甲烷化反应，醇化过程中必须把CO、CO 2的转化率尽量提高，以保证甲烷化时不超温、含量低，有利于氨的合成节能。设置两个甲醇塔：筒体13.0MPa级，DN1800mm，H净＝16000mm，由长沙化工机械厂制造，醇化内件III－Φ1800mm，由湖南安淳公司制造。**个塔用管式反应器产醇，其温度分布均匀，易于控制，有利于保持催化剂活性和延长寿命，同时副反应少，粗甲醇质量好，操作弹性大，热回收率高，可副产中压蒸汽。第二个塔为绝热固定床式，起净化作用。甲烷化反应器为绝热固定床式，筒体13.5MPa级，DN1400mm，H净＝16000mm，由四川自贡容器厂生产，烃化内件Φ1400mm，由湖南安淳公司生产。三个反应器结构都比较简单，可提高设备和装置的运行可靠性。

　　1.3.3氨的合成合成反应的压力高、低各有利弊：压力高，压缩功高，但有利于反应平衡，设备相对小；压力低，压缩功相对低，设备相对大。本工程按31.4MPa氨合成设计，筒体DN1800mm，由长沙化工机械厂制造，内件选择湖南安淳公司制造的A04－J2152－0000，并设后置式废热锅炉热回收系统。具有塔阻力小，氨净值高，使用寿命长，操作简单稳定、投资少的特点。

　　1.3.4甲醇精馏采用三塔流程，即脱醚塔（SJ32－400）、加压精馏塔（SJ31－402）、常压精馏塔（SJ31－401），以上设备均由山西丰喜化工设备有限公司制造。将粗醇中的杂质分别脱除，不凝气经回收甲醇后送到吹风气回收工段作为燃料。充分脱除低沸点组分后，采用加压精馏的方法，提高甲醇的气相分压与沸点，并减少甲醇的气相挥发。残液经冷却后送“双甲精制”。常压塔可利用加压塔的废热，不需外加热源，降低了低压蒸汽的消耗，同时又节省了冷却水。装置布置全部采用露天布置及框架结构，换热器在框架上层布置，泵、贮槽在框架下面布置，设计上既整齐美观，又便于操作。

　　1.3.5氨、氢回收氢回收是合成氨厂节能降耗的主要措施之一，回收驰放气中的氢，一般可使合成氨产量提高5％￣8％。同时，有效地回收驰放气和储罐气中的氨，不仅可以提高氨的产量，降低能耗，而且可以改善燃料气的质量。

　　目前，氢回收的技术主要有低温冷冻法、变压吸附法和中空纤维膜法。低温冷冻法要求对驰放气进行严格的预处理（NH 3的体积分数必须＜1×10－6），投资和费用较高，氢回收率约为90％；变压吸附法的能耗较低，回收氢纯度较高，可达99.9％（而对于合成氨装置来说，氢气不需很高的纯度），氢回收率较低，约为75％，切换阀频率过高，容易损坏，运行费用高。中空纤维膜法利用了合成放空气本身具有很高压力的特点，不需动力设备，氢纯度和氢回收率均可达85％￣98％，流程简单，装置布置紧凑，占地面积少，故采用膜分离回收氢的技术。

　　对于氨回收系统，由于贮罐气中含有30％￣50％的氨，有必要对其中的氨进行回收利用。采用等压回收装置，操作压力2.5MPa，回收后制得氨水，氨水送尿素车间解吸降低尿素氨耗。氨、氢回收后的尾气送吹风气回收工段燃烧，副产蒸汽。

　　2尿素的生产工艺2.1CO 2压缩机选型选用沈阳石化气体压缩机有限公司生产的4M40－180／146－BX型压缩机2台。

　　2.2尿素生产围绕从尿素合成塔出来的物料中未反应物的分离问题，可将尿素的生产方法分为水溶液全循环法与汽提法两大类。

　　水溶液全循环法与汽提法相比能量利用不合理，消耗较高，流程较长，近几年新建的大中型厂已很少采用该工艺。氨汽提法工艺先进，消耗低，无高框架结构，无爆炸危险；但该工艺需购买国外专利工艺包，装置不能国产化，设备制造周期长，故不采用该工艺。

　　CO 2汽提法高压圈操作压力*低，无中压系统，流程短，设备少，生产稳定，消耗较低，投资较少，在国内有丰富的设计、设备制造和生产经验，且采用脱氢技术，从根本上杜绝了生产中的爆炸危险性，故选用该工艺。工艺流程由以下工序组成：高压圈主要包括尿素合成塔（Φ2680mm，H27514mm）、汽提塔（Φ1900mm，H13030mm）、高压甲铵冷凝器（Φ1600mm，H16016mm）和高压洗涤器（H8492mm），以上设备均来自大连冰山集团金州重型机器有限公司。后工序仅设置了低压分解吸收系统，并设置了工艺冷凝液处理工序，真空蒸发后的尿液送入*终造粒工序。

　　此外，所选的CO 2汽提法还有以下特点：在*佳氨碳比下，使合成压力降到*低，汽提效率较高；在高压洗涤后设低压吸收塔吸收不凝气中的氨，减少了尿素装置的消耗。同时在合成压力下，用CO 2气对甲铵液进行汽提和冷凝，分解的氨和CO 2在等压下冷凝，其冷凝液用来副产蒸汽，供低压分解和一段蒸发用作加热蒸汽，并作为蒸汽喷射器的动力蒸汽以及提供系统保温用。

　　3环保措施除工艺本身配套有造气吹风气回收装置、合成放空气气膜分离提氢、净氨塔脱氨、氨罐驰放气等压回收等既利于生产，又减少环境影响的设施外，工程还特别加强了锅炉烟气、全厂含氨废水、含盐废水、生化废水等废气、废水的尾部治理技术，可达到清洁生产的目的。

　　4结语本设计工艺路线选择合理，技术可靠；设备的选择着眼于技术先进、性能优越、运行稳定的国产设备；药剂的选择则综合考虑了质量、效果和价格等因素；同时，还兼顾了效益和环保的关系。具有较强的实用性和较好的可行性。

　　从本套尿素装置的设计能力来看，各设备富余较大，主要机泵又充分考虑了合理的增产余量，因此达到增产的瓶颈不多。目前，工程正处于试车、开车阶段，相信通过装置操作经验的不断积累和技术管理水平的不断提高，一定会把这套装置开出更高、更好的水平，为企业、为社会创造更大的经济效益。