水溶液全循环法尿素生产工艺节能降耗技术研究

水溶液全循环法尿素生产工艺节能降耗

技术研究

摘要：尿素是一种重要的化工原料，广泛应用于农业、工业等领域。近年来，随着环保要求越来越严格以及能源价格不断上涨，探索新的尿素生产工艺已成为

业内人士共同关注的焦点之一。本文旨在通过对水溶液全循环法尿素生产工艺的

深入探究，挖掘其潜在优势，并从理论上分析其实现过程中所涉及到的相关技术

及其优化措施，以期为实际工程应用提供参考依据。

关键词：水溶液；全循环法；尿素；生产工艺；节能降耗技术

前言：目前，国内外学者针对尿素生产工艺进行了大量的研究工作，提出了

许多新型尿素制备技术。例如，国外某公司开发出一种基于离子交换膜电解技术

的“全循环”尿素生产工艺，该工艺将传统的脲酶水解与离子交换膜电解结合起来，实现了连续化生产，同时大幅度降低了能耗。

一、水溶液全循环法尿素生产工艺分析

（一）内涵

水溶液全循环法是一种新型的尿素生产方法，其主要特点在于采用了“尿液

-高压蒸发”系统。该系统将传统尿素生产中的合成、洗涤和造粒三个步骤合为

一个整体，实现了连续化操作，提高了产能效率。在整个过程中，尿液作为主要

原料之一参与反应，不仅可以减少废水排放量，还能够回收其中含有的氮、磷等

营养物质。同时，由于使用了高压蒸发器进行蒸发，使得产品纯度更高，更加符

合国家标准要求。此外，该方法还具有流程简单、投资成本低等优点[1]。

（二）特点

1.采用了先进的造粒系统，使得颗粒强度高、均匀性好。

2.采用了高效的分

离器和蒸发冷凝器，能够有效地回收蒸汽中的潜热进行再次利用，降低了能源消

耗。3.采用了先进的控制系统，实现了自动化操作，提高了工作效率，减少了人

员数量，降低了劳动成本。4.采用了新型的添加剂，如缓蚀剂等，可以延长设备

寿命并且降低腐蚀程度，进一步降低了维修费用。

二、水溶液全循环法尿素生产工艺节能降耗技术

（一）技术流程

以水为介质，采用水溶液全循环法制造碳酸氢铵的过程称为水溶液全循环法

尿素生产工艺。该方法是将传统的热解和气化反应结合起来，在一个反应器中完

成前驱物（即CO+H2）、中间产物NH4+-N和最终产品（NH4+-N和CO2）的合成。

其基本原理如下：首先，通过加热使得原料液滴入预热器内进行预分解反应生

成CO和H2；然后进入第一个蒸发器，由于温度较低，CO可以继续与蒸汽发生部

分氧化还原反应而消耗一部分能量，同时产生少量的NH3；接着进入第二个蒸发器，此时温度升高至80℃左右，CO已经完全被氧化成为CO2和H2O，因此只需要

提供极少量的热量便可维持正常的蒸发速率，从而降低了能源消耗；最后进入冷

却器，由于高温高压下水的沸点下降，所以会有大量未反应完的原料液体积在冷

却器底部形成固体颗粒，需定期清理以防止堵塞管道。整个过程中产生的废水含

有一定浓度的氨氮和二氧化碳等物质，需经过处理后才能排放或回收利用[2]。

（二）主要设备

1.汽提塔。该装置是将低压饱和蒸汽通过升压、降温后，变成高压过热蒸汽

进入蒸发器中进行换热，然后再返回到汽提塔内继续参加反应的一个过程。在此

过程中，由于温度和压力不断变化，会产生大量的冷凝水。为了减少这部分水资

源的浪费，可以采用在汽提塔顶部设置冷却盘管或直接用水泵将其排放至废水系

统中的方式来实现。2.压缩机。该装置是将气态尿素转化成为液态尿素的核心设

备之一。通常情况下，尿素合成回路需要使用多台压缩机并联工作，以达到提高

产量的目的。但在实际运行过程中，往往存在着某些压缩机长时间低负荷运转或

者不启动等问题，导致能源的极大浪费。因此，应当定期对这些压缩机进行检查

维护，及时发现故障隐患并采取相应措施予以处理，确保其正常运行。3.分离器。该装置是用于分离出液体尿素产品与气体的重要设备。一般情况下，分离器内部

都配备有搅拌器，以防止出现沉淀现象。然而，在实际应用过程中，经常会因为

操作不当而使得溶液出现分层甚至结块的情况，从而影响产品质量。此时，可以

通过调整进料流量、改变加热方式以及增加搅拌强度等方法来解决这一问题。

（三）耗能分析

对其采用的水溶液全循环法制造车用尿素的主要工序进行了详细的能量消耗

分析。其中包括预处理、脱碳、水解、氨化和尿液回收等工序。在预处理阶段，

由于使用了大量的水进行清洗，因此该环节的能源消耗较大；而在后续的脱碳、

水解和氨化过程中，由于反应温度较高且需要加入催化剂促进反应速率，因此也

存在一定的能源消耗。但是相比传统的热解法，水溶液全循环法具有以下显著优势：一是可以利用低温废热水作为加热介质，降低了蒸汽需求量；二是取消了高

温高压设备，减少了设备投资及占地面积；三是通过优化反应条件，可实现更高

效的化学反应，提高产率并降低单位产品的综合能耗[3]。此外，针对不同工序所

涉及到的具体设备以及操作参数，还开展了进一步的分析与讨论。例如，在预处

理阶段，应尽可能地缩短清洗时间或减小废水排放浓度，从而降低水资源的浪费；在脱碳和水解过程中，合理控制反应温度和压力，避免过高或过低导致反应效果

不佳或者产生不必要的副产物；在氨化过程中，适当增加搅拌强度和延长反应时间，有助于提高反应效率并降低系统的运行负荷等等。这些措施不仅有利于提高

整个尿素生产线的经济性和可靠性，同时也符合国家倡导的绿色制造理念。

（四）影响因素

通过对以上的数据分析，可以发现在整个尿素生产过程中，能源消耗主要集

中在以下几个方面：一是压缩空气和冷却水等动力系统；二是合成反应器、洗涤

塔以及换热器等设备；三是泵类机械密封及轴承。其中，动力系统是整个尿素生

产过程中最为重要的一个环节，其能否稳定运行直接关系到后续工序是否顺利进行，同时也决定了整个生产线的综合能耗水平。因此，针对这些问题提出相应的

解决方案是非常必要的。首先，要保证动力系统的正常运转需要从多个方面入手，例如加强设备维护保养、优化操作方式、改进管道设计等等。具体来说，应

该定期检查并清洗相关设备，避免因杂质或堵塞而导致设备损坏或者降低效率；

合理设置进出口阀门，减少阻力损失，提高流量计计量精度；采用高效的过滤器