曹志泽，孔佩佩
（河南能源化工集团中原大化公司，河南 濮阳457000）
［摘 要］河南能源化工集团中原大化公司520 kt/a尿素装置采用SNAM氨汽提工艺，于1990年5月5日建成投产，自2007年开始实行冬季大修。2021年5月尿素装置出现产品水分持续超标事件，而此时蒸发系统真空度只是轻微下降，这与往年生产经验不符。结合尿素装置蒸发系统及关联系统的情况，经分析与排查，症结在于二段蒸发分离器（V108）内部结垢严重，停车热洗V108与在线冲洗V108后，尿素产品水分恢复正常；进一步分析认为，V108结垢（垢物主要成分为缩二脲、OAT、尿素）严重的原因主要在于，随着尿素装置与三胺装置联产且长时间生产车用尿素（颗粒），蒸发系统温度控制较生产普通尿素时偏低，导致V108内部结垢速率加快，V108结垢后占用有效空间而影响气液分离效果，最终导致尿素产品水分升高甚至超标。基于原因分析并结合生产实践经验，提出了减缓V108结垢的管控措施及V108的技改方向。
［关键词］尿素装置；三胺装置联产；产品水分高；二段蒸发分离器结垢；在线热洗；原因分析；管控措施；技改方向
［中图分类号］TQ441.41 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）01-0038-04
0 引 言
河南能源化工集团中原大化公司（简称中原大化）520 kt/a尿素装置（设计日产尿素1 760 t）采用SNAM氨汽提工艺，于1990年5月5日建成投产。尿素装置运行过程中，二段蒸发分离器（V108）易出现结垢现象，且随尿素装置连续运行时间的延长结垢现象持续加重，往年每次停车期间（包括尿素装置大修停车和封塔短停等一切蒸发系统停车的机会）均会对V108进行热洗处理，以保障蒸发系统运行良好。
中原大化尿素装置受（合成氨装置）原料天然气供应限制，自2007年开始实行冬季检修，每年12月至次年1月为大修时间（其他时间不进行大修，若尿素装置被迫停车，只是针对故障设备进行抢修），1月底进入开车程序，每年夏季随着尿素装置连续运行时间的延长，蒸发系统成为尿素装置生产的瓶颈单元：随着循环水温度升高，蒸发系统真空度恶化，导致尿素产品水分高，需利用尿素装置高压设备泄漏停车、合成氨装置故障停车、晃电停车、断蒸汽停车等短停机会联系专业清洗单位清洗二段蒸发表冷器（E154）、一段蒸发表冷器（E151），同时热洗二段蒸发分离器（V108），清洗E154、E151和热洗V108后，尿素产品质量恢复正常。因产品水分超标事件一般出现在夏季，长期以来一直认为是尿素装置大修后随着系统运行时间的延长，蒸发表冷器因循环水水温高、水质差导致其列管结垢堵塞造成系统真空度恶化。但2021年5月尿素装置再次出现产品水分持续超标事件，而蒸发系统真空度恶化缓慢，表现出尿素产品水分与蒸发系统真空度不对应的现象。
1 尿素装置蒸发系统及关联系统概况
中原大化520 kt/a尿素装置（简称大尿素装置）采用塔式造粒工艺。原设计尿液进入尿素造粒塔前，必须经过一段、二段蒸发系统加热分离、减压脱水，将尿液浓度提至99.7%、水含量降至0.3%，但实际生产中尿素产品水分在0.5%左右。在尿液由一段蒸发分离器（V107）进入二段蒸发系统后，尿液浓度由95%浓缩至99.7%的过程中，因二段蒸发系统温度比一段蒸发系统温度高，二段蒸发系统控制压力相比一段蒸发系统更低（即二段蒸发系统真空度更高），导致二段蒸发系统副产物缩二脲的生成速率相较于一段蒸发系统更快，二段蒸发分离器（V108）内部分尿液被气相带至V108顶部周围内壁，很快形成不溶物缩二脲，因闪蒸制冷作用，没形成缩二脲的熔融尿液液滴则形成尿素结块，随系统运行时间的延长，缩二脲和尿素结块不断在V108内壁聚集并形成坚硬的垢层，造成V108气相空间减小，影响气液分离效果，导致尿素产品水分高。
2000年后中原大化连续建设了3套高压法三聚氰胺装置，三聚氰胺（简称三胺）设计总产能60 kt/a，三胺生产中副产的氨和CO2由配套建设的200 kt/a水溶液全循环法尿素装置（简称小尿素装置）转换为尿液后重新被3套三胺装置用作原料，小尿素装置不设蒸发系统及造粒塔，小尿素装置生产的尿液经预浓缩后浓度约70%，送往三胺装置作为原料或送往大尿素装置蒸发系统蒸发后造粒；原设计三胺装置的运行几乎不对大尿素装置产生影响，大尿素装置仅仅为三胺装置和小尿素装置的运行提供尿液和一些辅助原料，但实际生产中由于小尿素装置开车初期所产尿液浓度较低、品质差，为保证三胺装置的稳定运行，此阶段小尿素装置尿液必须送大尿素装置蒸发系统蒸发后造粒，即3套三胺装置所需尿液全部由大尿素装置尿液泵供应（见图1）。三胺装置、小尿素装置与大尿素装置联产后，小尿素装置所产尿液的品质对大尿素装置蒸发系统影响明显；在小尿素装置故障停车时，为保证三胺装置的正常运行，大尿素装置需减负荷运行，大尿素装置中压系统接收三胺装置中压尾气，中压尾气冷凝形成的液相（氨基甲酸铵溶液）也可排至低压碳铵液槽（V106）（见图2）。
小尿素装置来尿液内易含有OAT（三胺生产副产物——一羟基三聚氰胺、二羟基三聚氰胺）杂质，三胺装置来尾气冷凝液（氨基甲酸铵溶液）也会含有少量的OAT杂质，据多年的生产经验，OAT极易在V108内聚集。2011年底、2012年底大尿素装置大修时，未对二段蒸发分离器（V108）进行热洗，打开V108人孔发现内部堆满白色结晶物，分析其成分主要为尿素、缩二脲和OAT。此后每年大尿素装置大修和有机会停车时均会采取热洗方式除去V108内垢层，确保蒸发系统运行良好。
2 问题描述
2021年5月份开始大尿素装置出现成品尿素水分偏高且持续增高的现象——成品尿素水分由日常的0.5%涨至0.8%以上、最高达1.0%，但此时二段蒸发系统压力只是出现了轻微的上涨，由2021年4月份的平均约7 kPa（A）上升至8 kPa（A）左右，而随环境温度和系统循环水温度升高，二段蒸发系统压力出现轻微上升其实属正常现象；为保证产品水分，蒸发系统温度控制偏高，导致成品缩二脲含量也出现偏高现象，由原来的0.7%涨至0.8%左右，中原大化生产车用尿素（颗粒）时对成品颗粒尿素的质量要求为缩二脲含量≤0.8%、H2O含量≤0.7%（注：中原大化大尿素装置除生产普通尿素外，还生产车用尿素颗粒，用户购买车用尿素颗粒后需将其溶于高纯水，经超滤处理，配制成浓度为32.5%的车用尿素溶液），大尿素装置已无法保证出厂车用尿素（颗粒）产品合格率，严重影响公司的信誉和效益。
3 尿素产品水分高的原因排查及处理
据往年的生产经验，从蒸发系统压力与产品水分的对应关系来看，二段蒸发系统压力小于8.5 kPa（A）时，尿素产品水分可以保持在0.7%以下，但此次产品（尿素颗粒）水分超标事件中出现蒸发系统压力与产品水分不对应的现象。针对尿素产品水分偏高问题，中原大化尿素厂开展了大量的原因分析与排查工作：起初怀疑有冲洗水或蒸汽冷凝液进入了蒸发系统，经过10余天的努力，对全系统冲洗水管网、尿液管线夹套蒸汽、真空系统法兰、循环水系统等反复做了大量的排查工作，排除了蒸发系统进水、真空系统存在泄漏和蒸汽进入真空系统的可能性。
3.1 三种可能原因的排查
最终，排查思路主要集中在了3台设备身上：① 二段蒸发表冷器（E154）循环水侧结垢堵塞，影响二段真空度而导致产品水分高，但二段蒸发系统压力只有8 kPa（A）左右，据往年经验属于正常值，且E154和一段蒸发表冷器（E151）循环水属于串联形式，一段蒸发系统压力为60 kPa（A），其数据优于往年同期，故E154循环水侧结垢堵塞引起二段蒸发系统工况恶化致产品水分超标可以排除；② 二段蒸发系统真空浓缩器（E115）列管内漏，若E115列管内漏，壳侧蒸汽在压差作用下进入E115管侧而溶入尿液中，导致产品水分高，其可能性最大，但因E115属于真空设备，在线判断其列管内漏与否缺少依据，最终经公司领导同意，于2021年5月24日系统减负荷运行，停蒸发系统，E115在线交出查漏，E115共查出4根列管上管板角焊缝处存在轻微泄漏，采取堵管消漏处理，但蒸发系统重启后产品水分仍高居不下，超过0.8%；③ 二段蒸发分离器（V108）内部结垢严重，V108内结垢严重时，其内部空间会减小，影响气液分离效果，导致尿液中水分蒸发不充分，造成产品水分超标，因大尿素装置已运行30余年尚未出现因V108结垢严重导致尿素产品水分超标的情况，故当时对V108结垢导致产品水分超标尚存疑，但在2021年5月24日E115查漏期间，曾打开V108人孔观察V108内部情况，发现V108结垢严重，从人孔处观察不到气相空间，整个V108内布满白色垢层，联系中心化验室对V108内垢层取样分析，2021年5月24日垢物成分分析数据为缩二脲21.74%、尿素47.44%、OAT 20.48%，2021年5月25日垢物成分分析数据为缩二脲21.95%、尿素38.79%、OAT 22.86%。
3.2 V108的处理——停车热洗和在线冲洗
更多内容详见《中氮肥》2022年第1期