仲生新
(青海云天化国际化肥有限公司,青海 西宁811600)
[摘 要]青海云天化国际化肥有限公司有2套300 kt/a CO2汽提法尿素装置,汽提塔的运行状况直接关乎尿素装置的安全稳定运行与高产低耗,其中汽提塔超温(或出液温度升高)是CO2汽提法尿素装置运行中的常见问题。收集不同工况下汽提塔的运行数据,理论联系实际(案例),就液体分布器堵塞、液气比失调、汽提塔液位高或满液、高压蒸汽饱和器压力或液位变化、原料CO2温度升高、高压系统水碳比(H/C)升高等致汽提塔超温(或出液温度升高)进行分析与探讨,并总结出一套预防、检查、处理汽提塔超温的应对方案,可为操作与工艺人员提供一些指导与参考。
[关键词]CO2汽提法尿素装置;汽提塔;汽提效率;超温;出液温度升高;原因分析;优化措施
[中图分类号]TQ441.41 [文献标志码]B [文章编号]1004-9932(2024)02-0031-04
0 引 言
青海云天化国际化肥有限公司(简称青海云天化)有2套300 kt/a CO2汽提法尿素装置(生产工艺相同、操作指标基本一样),分别于2010年6月、2011年7月投产,总体运行情况较好,均在投产1a内实现达标达产。CO2汽提塔作为装置的标志性设备与核心设备,其运行状况直接关乎尿素装置的运行效能以及消耗水平。自投产以来,汽提塔由于操作不当、负荷调整等方面的原因,多次出现超温情况,造成负荷后移,出现低压循环系统超压、氨水浓度升高等问题,系统运行陷入恶性循环。为此,收集不同工况下汽提塔的运行数据,分析与梳理各种异常情况产生的原因,制定相应的预防措施及解决措施,理论联系实际,总结出了一套预防、检查、处理汽提塔超温的应对方案,以下对有关情况作一介绍。
1 汽提塔超温的影响
青海云天化尿素装置汽提塔衬里和换热列管材料均为X2CrNiMo25-22-2(尿素级奥氏体不锈钢),设计工作温度≤198 ℃。尿素合成液具有强腐蚀性,若汽提塔温度过高,不仅副反应加快,而且腐蚀会随之加剧,影响系统的安全运行与设备的使用寿命。近年来,青海云天化在检修中发现,一期尿素装置、二期尿素装置汽提塔上/下封头及管箱带极堆焊层、手工堆焊过渡带、接管角焊缝大部分被灰皮覆盖,换热管上、下端部完好,存在均匀腐蚀的情况;列管与管板角接缝成型良好,但上管板箱与筒体焊缝手工堆焊区域出现大小不一的腐蚀坑,下封头堆焊带个别部位存在腐蚀缺陷。检修时将腐蚀缺陷区域表面打磨光滑,用氩弧焊补焊,并经渗透探伤及铁素体检查确认合格,后续检修中需重点关注这些部位。
生产中,来自尿素合成塔的合成液(温度约183 ℃),自上而下在汽提塔换热列管内呈膜状下滑,上端液膜最厚,同时来自高压蒸汽饱和器的加热蒸汽自换热管上端壳侧进入,甲铵刚刚开始分解,壳侧蒸汽移走热量最少,其温度最高;而汽提塔出液测温点在汽提塔的出液管上,测得的是流出汽提塔换热列管、经过CO2汽提、壳侧蒸汽移走甲铵分解热的物料温度,出液温度远低于汽提塔换热列管上部温度。汽提塔出液超温时,汽提塔换热列管进料口下1 m处物料温度已达190 ℃,为防止汽提塔腐蚀加剧,要严格控制汽提塔出液温度。
2 汽提塔超温(或出液温度升高)原因分析
2.1 汽提塔液体分布器堵塞
青海云天化尿素装置汽提塔共有1 733根换热列管,对应的有1 733个液体分布器,每个液体分布器上有3个Φ2.5 mm小孔,用以保证合成液在汽提管内均匀分布。原料NH3和CO2携带的杂质、油污及高压泵(高压氨泵、高压甲铵泵)聚四氟乙烯填料磨损产生的杂质,通过往复泵柱塞的来回运动,穿过柱塞的导向套和柱塞间的间隙进入液氨和甲铵液中,再经高压甲铵冷凝器、合成塔,最后截留在汽提塔汽提管分布小孔,堵塞液体分布器小孔,造成合成液偏流,使得进入各汽提管内的液体流量不同——分布器小孔被堵的汽提管内进液量较少,在该汽提管的上层内部纵向区域形成的液膜较薄甚至没有形成液膜,气体流通阻力相对较小,气体的通过量相应增大,而汽提塔壳侧加热蒸汽压力是恒定的,此时汽提塔出液温度会随之升高;反之,合成液通过分布小孔没有堵塞的汽提管时,形成的液膜厚度会增大,CO2气的流通通道会减小,流过该汽提管的气体量会减少。而CO2进入汽提塔除了起到汽提的作用外,其携带的油污随着时间推移也会堵塞液体分布器小孔,且油污在汽提塔内高温碳化,伴随腐蚀产物在列管表面与液体分布器小孔附着,使得合成液分布不均匀,汽提效率下降,汽提塔超温。
2018年12月,一期尿素装置大修时发现液体分布器小孔堵塞的列管数量为155根、占汽提塔列管总数的8.9%,二期尿素装置大修时发现液体分布器小孔堵塞的列管数量为53根、占汽提塔列管总数的3.1%,且汽提塔管板上均有大量的白色粉末状物质,经分析,其主要离子成分为铁离子、铬离子、镍离子;当时工艺人员使用工厂空气对堵塞的杂质进行吹扫,安装时更换所有液体分布器与汽提管连接处密封垫,回装后开展气阻试验,确保其阻力合格率100%。
2.2 汽提塔液气比失调
据理论计算,进入汽提塔的合成液与原料CO2气最适宜的液气比(体积比)为3.87。实际生产中,受负荷波动、合成塔出液阀开度、系统整体转化率等的影响,液气比会发生波动。液气比低时,有较多的CO2通过汽提管,汽提效率较高,不易出现汽提塔超温;反之,汽提效率较低,汽提塔负荷加重,易出现汽提塔超温。
2018年6月12日,二期尿素装置因合成塔显示满液(位)超过4 h,工艺操作人员为尽快将合成塔液位调整至正常范围内,开大合成塔出液阀进行放液操作,导致汽提塔和低压甲铵冷凝器液位槽均显示满液(位),遂提高高压甲铵泵变频25%,以将更多的甲铵液打至高压系统,汽提塔负荷加重致其气/液相温度涨至180 ℃,低压循环系统超压至450 kPa(压力指标为250~350 kPa);后随着合成塔液位下降,合成塔出液阀开度逐渐恢复正常,汽提塔和低压循环系统运行随之趋于正常。
2.3 汽提塔液位高或满液
2.3.1 汽提塔液位测量及控制原理
青海云天化尿素装置汽提塔液位(LT-2202)采用同位素铯137配上海伯托LB4700T探测器进行测量,放射源发出的γ射线穿过被测介质被探测器接收,其强度因介质的吸收而衰减,衰减程度与被测介质的料位有关——液位越高物料吸收越多,探测器接收到的射线强度越弱,仪表计数率越小;反之,液位越低,探测器接收到的射线强度越强,仪表计数率越大。汽提塔有效液位高度62 cm,液位测量有效直径60 cm。在高压差下,有效液位变化很快,正常生产中,汽提塔液位通过DCS控制系统自动调节,工况稳定的情况下汽提塔的进出料近似平衡状态,LT-2202测量值低于设定值时,经DCS控制系统判断、比较,输出信号减小汽提塔出液调节阀(LV-2202)开度;当LT-2202测量值与设定值相符,LV-2202开度保持不变;当LT-2202测量值大于设定值时,输出信号增大LV-2202开度,直至液位测量值与设定值相符。这个过程是连续的,液位测量数据会有波动,与设定值有一定的偏差,为消除偏差,控制系统通过LV-2202进行调节,但由于汽提塔有效液位高度很小,流量、阀门流通面积变化很小才有利于液位的稳定控制,因而LV-2202的开关幅度要求很小。此外,探测器晃动对计数率的影响也较大,会导致转化的液位示数出现较大偏差,因此,需加固探测器支架以免探测器晃动。
2.3.2 汽提塔高液位或满液的影响
更多内容详见《中氮肥》2024年第2期