郭文龙，张龙，王晓辉，王杰
［阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司，山西 运城044100］
［摘 要］ 尿素工业装置中工艺优化与设备改进的核心目标之一是提高尿素合成塔的CO2转化率。结合阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司多套CO2汽提法尿素装置的实际运行情况，总结分析影响尿素合成塔CO2转化率的因素，采用半经验公式推导CO2转化率以利于指导工艺操作，并就尿素合成塔的设计及生产强度控制、水碳比控制、氨碳比控制、合成系统压力与温度控制、原料液氨与CO2纯度控制、开好回收及解吸水解系统等提出优化措施，以利提高尿素合成塔的CO2转化率，达到节能降耗的目的。
［关键词］ CO2汽提法尿素装置；工艺流程；CO2转化率；算法推导；影响因素；优化措施
［中图分类号］ TQ441.41［文献标志码］ B［文章编号］ 1004-9932（2019）05-0035-03
0 引 言
斯塔米卡邦CO2汽提法尿素生产工艺于上世纪70年代初开始被广泛应用，与水溶液全循环法尿素生产工艺相比，具有流程简单、能耗低、生产成本低、单系统产能大、运转周期长等优点，现已成为国内大中型尿素企业应用最多的生产工艺。阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司（简称阳煤丰喜）共有8套尿素装置，既有水溶液全循环法尿素装置，又有CO2汽提法尿素装置；其中，CO2汽提法尿素装置有4套，产能大都为400 kt/a，目前均运行正常，满负荷生产。值得一提的是，2015年12月山西阳煤丰喜泉稷能源有限公司（简称丰喜泉稷）建成投产的520 kt/a尿素装置，是在原有装置基础上进行的扩容和优化，建成投产后各项消耗指标均有不同程度降低，即尿素产品的完全成本相对较低。
众所周知，尿素工业装置中工艺优化与设备改进的核心目标之一是提高尿素合成塔的CO2转化率。阳煤丰喜多套CO2汽提法尿素装置的良好运行得益于生产中针对提高CO2转化率采取的优化操作与控制措施，现总结如下。
1 CO2汽提法尿素装置工艺流程简介
液氨罐区的液氨经高压氨泵加压后（温度约10 ℃，压力16.0～17.5 MPa）进入高压甲铵喷射器，液氨和被抽吸进来的甲铵液在高压甲铵喷射器内混合后（温度120～135 ℃，NH3含量63%、CO2含量23%）进入高压甲铵冷凝器顶部；来自合成氨装置低温甲醇洗系统的CO2气经CO2压缩机加压后（温度100～125 ℃、压力14.4 MPa，CO2含量96%以上、O2含量0.8%）进入CO2汽提塔（简称汽提塔）底部，自下而上从汽提塔加热管内上升，与沿加热管壁成膜状流下的尿素合成液逆流接触，在加热和汽提的共同作用下，尿素合成液中的NH3和CO2被汽提出来，随汽提CO2一起由塔顶引出（汽提气温度184 ℃，NH3含量29.2%、CO2含量58%、H2O含量2.4%），进入高压甲铵冷凝器顶部。进入高压甲铵冷凝器顶部的2种物料，在高压甲铵冷凝器的列管内冷凝、反应生成液态氨基甲酸铵（简称甲铵），反应放出的热量副产低压蒸汽，通过改变副产蒸汽压力的办法控制甲铵冷凝量，使其维持在80%左右，冷凝的物料（163～170 ℃）全部由高压甲铵冷凝器下部引出，进入尿素合成塔（简称合成塔）底部。
在合成塔内，物料自下而上流动，随着合成塔内物料的上移，甲铵逐渐脱水生成尿素，部分NH3和CO2继续反应生成液态甲铵。合成塔内的物料自下而上温度逐步升高，塔顶合成液的温度为183 ℃，由出液管流出进入汽提塔上部。在汽提塔内，尿素合成液被汽提分解出大量NH3和CO2后，液相物料由汽提塔底部引出（物料中尿素含量58%、NH3含量6.7%、CO2含量8.5%，温度165～170 ℃），经汽提塔液位控制阀减压后送至低压分解系统。汽提分解所需的热量由壳侧2.5 MPa蒸汽供给。
合成塔内未反应的气体（NH3含量68%、CO2含量21%）由塔顶引出，进入高压洗涤器，采用高压甲铵泵送来的甲铵液在高压洗涤器内进行洗涤吸收。洗涤吸收前甲铵液组分为NH3含量28.5%、CO2含量34.5%，洗涤吸收后甲铵液组分为NH3含量37%、CO2含量39%、H2O含量24%，经高压甲铵喷射器送入高压甲铵冷凝器，洗涤吸收过程放出的热量用高压调温水移走；经高压洗涤器洗涤吸收后的尾气由高压洗涤器顶部排出，减压后进入压力为0.35 MPa的低压吸收塔进一步予以吸收。
2 提高CO2转化率的重要性
CO2转化率是指转化成尿素的CO2与进入尿素合成系统的CO2的摩尔比，也即尿素合成率。提高CO2转化率，意味着原料更多地转化为尿素，未反应物料的循环量就会降低，生产效率得以提高，能耗随之降低。所以，尿素工业装置中的工艺优化与设备改进的核心目标之一就是提高CO2转化率。在同样的装置和投料条件下，提高CO2转化率，即可提高尿素产量，不仅可降低原料和能源的消耗，而且可提高资源利用率、降低生产成本，从而提升企业的效益。
3 CO2转化率的算法推导
更多内容详见《中氮肥》2019年第5期