一、技術(shù)名稱：水溶液全循環(huán)尿素節(jié)能生產(chǎn)工藝技術(shù)
二、適用范圍：水溶液全循環(huán)尿素生產(chǎn)裝置改造或新建
三、與該節(jié)能技術(shù)相關(guān)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗現(xiàn)狀：
目前，我國(guó)氮肥行業(yè)的噸尿素產(chǎn)品單耗為：氨580㎏、蒸汽1250㎏、循環(huán)水140m3、電140kWh，合成轉(zhuǎn)化率65%。
四、技術(shù)內(nèi)容：
1．技術(shù)原理
1）高壓合成工序：
來(lái)自氨庫(kù)的原料液氨，經(jīng)液氨泵加壓到20～23MPa后送往液氨預(yù)熱器，被加熱到70℃分為兩路，一路約為總量80%的NH3、103℃甲銨液和來(lái)自CO2壓縮機(jī)20～23MPa的 CO2一起進(jìn)入合成塔塔頂分布器；另一路約20% 的NH3通過(guò)尿素合成塔底部進(jìn)入，在塔內(nèi)完成等溫高壓合成反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物從塔的頂部出來(lái)。
工業(yè)生產(chǎn)尿素的反應(yīng)分兩步進(jìn)行，第一步由氨和二氧化碳反應(yīng)生成中間產(chǎn)物氨基甲酸銨（簡(jiǎn)稱甲銨），其反應(yīng)式為：
2NH3（液）+CO2（氣）=NH4COONH2（液）+ Q1
第二步由甲銨脫水生成尿素，其反應(yīng)式為：
NH4COONH2（液）=CO(NH2)2（液）+H2O（液）－Q2
第一步反應(yīng)是一個(gè)可逆的強(qiáng)放熱反應(yīng)，生成氨基甲酸銨的反應(yīng)速度比較快，容易達(dá)到化學(xué)平衡，且達(dá)到化學(xué)平衡后二氧化碳轉(zhuǎn)化為氨基甲酸銨的程度很高。第二步反應(yīng)是一個(gè)可逆的微吸熱反應(yīng)，需要在液相中進(jìn)行，反應(yīng)速度慢，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到化學(xué)平衡，即使達(dá)到化學(xué)平衡也不能使全部氨基甲酸銨都脫水轉(zhuǎn)化為尿素。
2）循環(huán)回收工序
從合成塔出來(lái)的反應(yīng)混合物先后經(jīng)過(guò)中壓分解吸收（壓力1.7 MPa）和低壓分解吸收（壓力0.3 MPa）后，尿素濃度達(dá)到67%左右，溫度為140℃，然后送入蒸發(fā)系統(tǒng)；尿素尾氣通過(guò)高效安全的尾氣凈氨處理后（氨含量小于1%）放空。
3）蒸發(fā)工序
從低壓循環(huán)系統(tǒng)來(lái)的尿素溶液送入逆流降膜式預(yù)濃縮器，以中壓分解氣作熱源進(jìn)行預(yù)濃縮，將尿液濃度從67%提高到85%；用膨脹蒸汽和蒸汽冷凝液作熱源對(duì)85%尿液進(jìn)行兩段加熱進(jìn)行再濃縮，使尿液濃度從85%提高到95%，完成對(duì)尿素的一段蒸發(fā)。出一段蒸發(fā)器的尿液再經(jīng)過(guò)二段蒸發(fā)加熱器，濃縮至99.6%左右，送至尿素造粒塔進(jìn)行造粒。
4）解吸、水解工序
碳銨液由解吸泵送至解吸水解系統(tǒng)，采用蒸汽加熱氣提，使塔底排出的解吸凈水中尿素及氨含量≤5ppm；解吸水解塔底出來(lái)的188℃解吸凈水、解吸水解塔頂出來(lái)的160℃的解吸氣分級(jí)利用于尿素分解工序，利于節(jié)省蒸汽、維持系統(tǒng)水平衡。
2．關(guān)鍵技術(shù)
1）液相逆流換熱式等溫合成塔和尿素合成塔的優(yōu)化運(yùn)行；
2）二次加熱-降膜逆流換熱應(yīng)用于中壓分解工藝；
3）三段吸收-蒸發(fā)式氨冷-低水碳比尿素中壓回收工藝；
4）一段蒸發(fā)系統(tǒng)低位能熱的利用；
5）尾氣凈氨新工藝；
6）高效尿素低壓分解回收新工藝；
7）節(jié)資-節(jié)能型尿素廢水處理系統(tǒng)。
3．工藝流程
工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1 水溶液全循環(huán)節(jié)能尿素生產(chǎn)工藝流程圖
水溶液全循環(huán)節(jié)能尿素生產(chǎn)工藝流程圖
五、主要技術(shù)指標(biāo)：
1）噸尿素單耗：氨570㎏、蒸汽905㎏、循環(huán)水77m3、電125kWh；
2）合成二氧化碳轉(zhuǎn)化率72%；解吸后凈水中氨和尿素含量＜5ppm。
六、技術(shù)應(yīng)用情況：
該技術(shù)已通過(guò)四川省科技廳的技術(shù)鑒定，并成功應(yīng)用于1000t/d尿素生產(chǎn)裝置，節(jié)能效果顯著，安全環(huán)保，生產(chǎn)設(shè)施先進(jìn)。
七、典型用戶及投資效益：
典型用戶：四川金象化工產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司
1）建設(shè)規(guī)模：400t/d尿素生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造。主要技改內(nèi)容：利用節(jié)能型尿素生產(chǎn)技術(shù)對(duì)日產(chǎn)400噸尿素裝置中低壓分解回收等系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，主要技改設(shè)備包括精洗器、預(yù)蒸發(fā)器和外冷器等。節(jié)能技改投資額960萬(wàn)元，建設(shè)期6個(gè)月。年節(jié)能9145tce，年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益799萬(wàn)元，投資回收期約1.2年。
2）建設(shè)規(guī)模：1000t/d尿素生產(chǎn)裝置新建項(xiàng)目。主要技改內(nèi)容：新建1000t/d尿素水溶液全循環(huán)生產(chǎn)裝置，主要設(shè)備包括液相逆流換熱式尿素合成塔、尿素中壓吸收塔、臥式浸沒(méi)式尾氣吸收器、蒸發(fā)式冷凝器和解吸水解塔等。節(jié)能技改投資額15437萬(wàn)元，建設(shè)期1年。年節(jié)能2.1萬(wàn)tce，節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益2310萬(wàn)元，投資回收期4年。
八、推廣前景和節(jié)能潛力：
水溶液全循環(huán)節(jié)能尿素生產(chǎn)技術(shù)適合新建尿素生產(chǎn)裝置和對(duì)現(xiàn)有水溶液全循環(huán)裝置進(jìn)行節(jié)能增產(chǎn)改造，改造工作量小，投資較低，生產(chǎn)能力有較大提高，并可大幅度降低原材料消耗、消除環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著。在國(guó)內(nèi)水溶液全循環(huán)尿素生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行節(jié)能增產(chǎn)改造，有廣闊的推廣前景。
目前我國(guó)尿素產(chǎn)能約6500萬(wàn)t/a，其中50%是水溶液全循環(huán)工藝，若其中的30%采用水溶液全循環(huán)節(jié)能尿素生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行改造，年可節(jié)能約70萬(wàn)tce。
二、適用范圍：水溶液全循環(huán)尿素生產(chǎn)裝置改造或新建
三、與該節(jié)能技術(shù)相關(guān)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗現(xiàn)狀：
目前，我國(guó)氮肥行業(yè)的噸尿素產(chǎn)品單耗為：氨580㎏、蒸汽1250㎏、循環(huán)水140m3、電140kWh，合成轉(zhuǎn)化率65%。
四、技術(shù)內(nèi)容：
1．技術(shù)原理
1）高壓合成工序：
來(lái)自氨庫(kù)的原料液氨，經(jīng)液氨泵加壓到20～23MPa后送往液氨預(yù)熱器，被加熱到70℃分為兩路，一路約為總量80%的NH3、103℃甲銨液和來(lái)自CO2壓縮機(jī)20～23MPa的 CO2一起進(jìn)入合成塔塔頂分布器；另一路約20% 的NH3通過(guò)尿素合成塔底部進(jìn)入，在塔內(nèi)完成等溫高壓合成反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物從塔的頂部出來(lái)。
工業(yè)生產(chǎn)尿素的反應(yīng)分兩步進(jìn)行，第一步由氨和二氧化碳反應(yīng)生成中間產(chǎn)物氨基甲酸銨（簡(jiǎn)稱甲銨），其反應(yīng)式為：
2NH3（液）+CO2（氣）=NH4COONH2（液）+ Q1
第二步由甲銨脫水生成尿素，其反應(yīng)式為：
NH4COONH2（液）=CO(NH2)2（液）+H2O（液）－Q2
第一步反應(yīng)是一個(gè)可逆的強(qiáng)放熱反應(yīng)，生成氨基甲酸銨的反應(yīng)速度比較快，容易達(dá)到化學(xué)平衡，且達(dá)到化學(xué)平衡后二氧化碳轉(zhuǎn)化為氨基甲酸銨的程度很高。第二步反應(yīng)是一個(gè)可逆的微吸熱反應(yīng)，需要在液相中進(jìn)行，反應(yīng)速度慢，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到化學(xué)平衡，即使達(dá)到化學(xué)平衡也不能使全部氨基甲酸銨都脫水轉(zhuǎn)化為尿素。
2）循環(huán)回收工序
從合成塔出來(lái)的反應(yīng)混合物先后經(jīng)過(guò)中壓分解吸收（壓力1.7 MPa）和低壓分解吸收（壓力0.3 MPa）后，尿素濃度達(dá)到67%左右，溫度為140℃，然后送入蒸發(fā)系統(tǒng)；尿素尾氣通過(guò)高效安全的尾氣凈氨處理后（氨含量小于1%）放空。
3）蒸發(fā)工序
從低壓循環(huán)系統(tǒng)來(lái)的尿素溶液送入逆流降膜式預(yù)濃縮器，以中壓分解氣作熱源進(jìn)行預(yù)濃縮，將尿液濃度從67%提高到85%；用膨脹蒸汽和蒸汽冷凝液作熱源對(duì)85%尿液進(jìn)行兩段加熱進(jìn)行再濃縮，使尿液濃度從85%提高到95%，完成對(duì)尿素的一段蒸發(fā)。出一段蒸發(fā)器的尿液再經(jīng)過(guò)二段蒸發(fā)加熱器，濃縮至99.6%左右，送至尿素造粒塔進(jìn)行造粒。
4）解吸、水解工序
碳銨液由解吸泵送至解吸水解系統(tǒng)，采用蒸汽加熱氣提，使塔底排出的解吸凈水中尿素及氨含量≤5ppm；解吸水解塔底出來(lái)的188℃解吸凈水、解吸水解塔頂出來(lái)的160℃的解吸氣分級(jí)利用于尿素分解工序，利于節(jié)省蒸汽、維持系統(tǒng)水平衡。
2．關(guān)鍵技術(shù)
1）液相逆流換熱式等溫合成塔和尿素合成塔的優(yōu)化運(yùn)行；
2）二次加熱-降膜逆流換熱應(yīng)用于中壓分解工藝；
3）三段吸收-蒸發(fā)式氨冷-低水碳比尿素中壓回收工藝；
4）一段蒸發(fā)系統(tǒng)低位能熱的利用；
5）尾氣凈氨新工藝；
6）高效尿素低壓分解回收新工藝；
7）節(jié)資-節(jié)能型尿素廢水處理系統(tǒng)。
3．工藝流程
工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1 水溶液全循環(huán)節(jié)能尿素生產(chǎn)工藝流程圖
水溶液全循環(huán)節(jié)能尿素生產(chǎn)工藝流程圖
五、主要技術(shù)指標(biāo)：
1）噸尿素單耗：氨570㎏、蒸汽905㎏、循環(huán)水77m3、電125kWh；
2）合成二氧化碳轉(zhuǎn)化率72%；解吸后凈水中氨和尿素含量＜5ppm。
六、技術(shù)應(yīng)用情況：
該技術(shù)已通過(guò)四川省科技廳的技術(shù)鑒定，并成功應(yīng)用于1000t/d尿素生產(chǎn)裝置，節(jié)能效果顯著，安全環(huán)保，生產(chǎn)設(shè)施先進(jìn)。
七、典型用戶及投資效益：
典型用戶：四川金象化工產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司
1）建設(shè)規(guī)模：400t/d尿素生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造。主要技改內(nèi)容：利用節(jié)能型尿素生產(chǎn)技術(shù)對(duì)日產(chǎn)400噸尿素裝置中低壓分解回收等系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，主要技改設(shè)備包括精洗器、預(yù)蒸發(fā)器和外冷器等。節(jié)能技改投資額960萬(wàn)元，建設(shè)期6個(gè)月。年節(jié)能9145tce，年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益799萬(wàn)元，投資回收期約1.2年。
2）建設(shè)規(guī)模：1000t/d尿素生產(chǎn)裝置新建項(xiàng)目。主要技改內(nèi)容：新建1000t/d尿素水溶液全循環(huán)生產(chǎn)裝置，主要設(shè)備包括液相逆流換熱式尿素合成塔、尿素中壓吸收塔、臥式浸沒(méi)式尾氣吸收器、蒸發(fā)式冷凝器和解吸水解塔等。節(jié)能技改投資額15437萬(wàn)元，建設(shè)期1年。年節(jié)能2.1萬(wàn)tce，節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益2310萬(wàn)元，投資回收期4年。
八、推廣前景和節(jié)能潛力：
水溶液全循環(huán)節(jié)能尿素生產(chǎn)技術(shù)適合新建尿素生產(chǎn)裝置和對(duì)現(xiàn)有水溶液全循環(huán)裝置進(jìn)行節(jié)能增產(chǎn)改造，改造工作量小，投資較低，生產(chǎn)能力有較大提高，并可大幅度降低原材料消耗、消除環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著。在國(guó)內(nèi)水溶液全循環(huán)尿素生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行節(jié)能增產(chǎn)改造，有廣闊的推廣前景。
目前我國(guó)尿素產(chǎn)能約6500萬(wàn)t/a，其中50%是水溶液全循環(huán)工藝，若其中的30%采用水溶液全循環(huán)節(jié)能尿素生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行改造，年可節(jié)能約70萬(wàn)tce。
