Q-900水溶液全循环尿素新工艺介绍及装置技改与操作提示
钱镜清
（原湘江氮肥厂，湖南 株洲412005）
［摘 要］中型尿素厂在技改为预蒸馏工艺流程及预分离—预蒸馏工艺流程的过程中，往往由于缺乏对原小尿素装置采用预蒸馏工艺流程工艺设计的了解和认识，在操作时仍采用预分离工艺的技术参数，没有达到应有的效益。结合尿素合成塔、一吸塔、一吸外冷却器、一蒸加热利用段的工况及改造历程，阐述水平衡原则的运用及增产改造不应增加系统运行压力的重要性，并介绍Q-1100工艺（吨尿汽耗1 100 kg）、Q-900工艺（吨尿汽耗900 kg）中系统余热利用的进展情况，为业内提供参考和借鉴。
［关键词］预蒸馏工艺；预分离—预蒸馏工艺；尿素合成塔；一吸塔；一吸外冷却器；一蒸加热利用段；Q-1100工艺；Q-900工艺
［中图分类号］ TQ 441.41 ［文献标志码］ B ［文章编号］ 1004-9932（2016）
1 预蒸馏工艺
1.1 预蒸馏工艺的形成
预蒸馏工艺是1965年在南京化肥厂尿素中试装置上开发的，1973年在南京召开的中型尿素装置第二版设计会审时，由于南京化肥厂的推荐，就采用了预蒸馏工艺流程。
与预分离工艺不同的是，预蒸馏工艺利用原一段分解的160 ℃一分气的热焓在预蒸馏段加热减压至1.7 MPa、温度为115 ℃（NH3/CO2为4.0）的合成塔出液，使预蒸馏液至一分加（一段分解加热器）的温度提升至135 ℃，预蒸馏气出塔温度为125 ℃，因预蒸馏塔顶部精馏段的精馏作用，减少了预蒸馏气中的水分。采用预蒸馏工艺后，明显地减少了一分加的汽耗，且预蒸馏气带入一吸塔的水量（带入/带出或加减水量均以吨尿为基准，下同）减少90 kg，有利于系统的水平衡，一吸塔操作时可多加吸收用水，为一吸塔平稳运行创造了良好的条件。
1.2 预蒸馏工艺相较于预分离工艺的优势
预蒸馏工艺相较于预分离工艺，改善了系统水平衡状况，入尿素合成塔H2O/CO2降到0.65，CO2转化率提至67%。采用预分离工艺，H2O/CO2为0.70时，1980年鲁南化肥厂尿素合成塔CO2转化率为65%，实测汽耗（汽耗及其增减量均以吨尿为基准，下同）为1 500 kg；1981年四川化工厂预蒸馏工艺装置H2O/CO2为0.65，CO2转化率为67%，实测汽耗为1 330 kg，与前者相比，汽耗下降170 kg。
预蒸馏工艺改善了系统水平衡条件，有利于一吸塔的稳定操作。小尿素装置采用预蒸馏工艺时，系统水平衡框图如图1（水量均以吨尿为基准，kg）。
图1预蒸馏工艺水平衡框图
（1）在Q-900工艺中，进一吸塔顶的氨水量为160 kg，二冷加水由原100 kg减至50 kg，使一吸塔顶部精馏板上（塔顶3#板）氨水浓度由98%降至95%。原预分离工艺一吸塔出气温度为45 ℃，这是98%氨水的沸点；预蒸馏工艺一吸塔出气温度为50 ℃，这是95%氨水的沸点。采用预蒸馏工艺时，若一吸塔出气温度仍维持在45 ℃操作，需增加一吸塔顶部的回流氨量，造成一甲液中氨含量增加，塔底温度下降，影响一甲泵的打液量；若一吸塔出液温度降到70 ℃，会使一吸塔出液管结晶堵塞。
（2）在Q-900工艺中，吨尿入一吸塔的二甲液量为380 kg，一冷加水由原50 kg增至100 kg。采用预分离工艺时二甲液中的CO2含量为20%，采用预蒸馏工艺时二甲液中的CO2含量为18.5%；而在Q-900工艺中，由于调整了一、二冷的加水量，二甲液中的CO2含量为14%～15%。由于二甲液中的CO2含量降低，系统操作压力也可相应降低，二分塔压力可降至0.25 MPa，二分（尿液）温度降至135 ℃，从而可节省二分加（二段分解加热器）的汽耗。
（3）由于降低了二甲液的浓度，预蒸馏工艺中，二甲液恢复了先进入一蒸加热利用段然后再进入一吸塔鼓泡吸收段的流程。
原化四院原工艺设计中，一蒸加热利用段只使用一分气的热量及一分气中水蒸气的冷凝热，没有考虑加入二甲液后CO2与一分气中的氨反应生成甲铵释放的热量。因此，只要二甲液先经一蒸加热利用段，必然会提高一段系统的热能回收率，以及增加一吸塔的吸收能力和一段蒸发系统的能力。
采用上述流程后，原小尿素第一版设计40 kt/a装置可增产至60 kt/a；第二版设计60 kt/a装置可增产至80 kt/a，如再增加1台等换热面积（71 m2）的一吸外冷却器，可增产至100 kt/a。
（4）预蒸馏工艺中，二甲液先进入一蒸加热利用段是汽耗降低的主要因素之一。
山西丰喜（肥业）集团临猗分公司的一尿装置，原日产180 t，将二甲液浓度（二甲液中的CO2含量）由18.5%降至16%后，日产可达240 t，这是因为降低了入尿素合成塔的一甲液量，使进尿素合成塔的水量由原380 kg降至330 kg，入塔H2O/CO2降至0.65，其φ1 200 mm尿素合成塔在设计生产强度下CO2转化率达到了67%。
该装置在提高生产强度时，CO2转化率下降至63%以下，当日产提升至240 t时，CO2转化率反而上升至65%。表明在轴流式尿素合成塔中，增至一定的生产强度后，CO2转化率能回升。CO2转化率下降是因原塔内塔板设置得少，塔上段无塔板区间长，尿液因密度差产生的返混现象严重，影响了CO2转化率。而CO2转化率上升1%，一分加的汽耗就可下降40 kg。
2 预分离—预蒸馏工艺
2.1 预分离—预蒸馏工艺的形成
在预分离工艺设计中，在设计压力1。7 MPa下，当NH3/CO2为4.0时，在预分离器中可分离出53%的过量氨，甲铵分解率为10%，预分气的组成为NH3 92%、CO2 3%、H2O 5%，气相温度为115 ℃。此预分气直接进入一吸塔，预分离液则进入一分塔分解加热器。
当大部分中型尿素厂将预分离工艺改为预蒸馏工艺时，取掉了预分离器，增设了预蒸馏段。1983年齐鲁一化时任尿素车间主任的李裕如把取掉的预分离器(φ800 mm×2 600 mm,V=1.3 m3）又放在预蒸馏塔前，安装位差（预分离器出液管口与预蒸馏塔进料管口之间的位差，下同）取18 m，就形成了预分离—预蒸馏工艺。当时中型厂有兰州化肥厂和浙江巨化照此进行了改进，目的是改善系统水平衡条件，因预分气温度为115 ℃，预蒸馏气温度为125 ℃，其水蒸气分压不同，则可藉此减少进入一吸塔的水量，但由于当时的工艺流程中预分离器的容积小，而且没有一吸外冷却器，因此在降低汽耗上没有显著的效果。
在小尿素装置上，1988年山东明水化肥厂在第一套原40 kt/a装置已产80 kt/a、第二套原60 kt/a装置已产100 kt/a的基础上配置了预分离器（φ1 000 mm×3 000 mm），安装位差为12 m（当时山东省化工规划设计院设计的130 kt/a预分离—预蒸馏工艺装置中，其安装位差为12 m），预分气相管管径为133 mm，而预蒸馏气相管管径为159 mm，操作中，设置在预分气相管上的压力调节阀不能全开，仅能开4圈，因此不能取得在1.70 MPa设计压力下的预分离效率，仅一分加的管侧蒸汽压力有所下降，而一分加汽耗的降低和一蒸加热利用段热能回收效率的提升不明显。
2.2 预分离—预蒸馏工艺的优势
更多内容详见《中氮肥》2016年第1期