煤制尿素工艺技术方案

煤制尿素工艺技术
目前，世界上最具有竞争性的尿素合成工艺是荷兰Stamicarbon公司的CO2汽提工艺、意大利Snamprogetti公司的NH3汽提工艺和日本东洋公司的ACES工艺。

它们在世界上建厂数量为：CO2汽提工艺115套，氨汽提工艺80套，ACES工艺9套。

1980以后建厂的工艺以氨汽提工艺居多。

近年来，CO2汽提工艺有很大的发展，Stamicarbon与Sandvik公司合作，推出了一种耐腐蚀性能更优异的专门双相钢材料——Safurex （Stamicarbon A4-18005型BE.06），该材料可以在无氧情况下，能耐高温甲铵液的腐蚀，在中国宁夏用新的CO2汽提工艺成功的改造了NH3汽提工艺，使装置增产50%。

（一）国外尿素技术工艺概况
1、CO2汽提工艺
该工艺由荷兰Stamicarbon公司于1964年开始中间试验，1967年建成第一套工业装置。

该工艺在70年代初期发展迅速，目前己在世界范围内承建200多套尿素装置，总能力大约为50 Mt/a，占世界尿素总能力的45%，设计能力范围在70～3250t/d。

我国也己有18套大型装置在运行，最大的单系列是中海油富岛化学有限公司的2700t/d。

该工艺包括原料压缩、尿素合成及未反应物的高压分解和回收、未反应物的低压分解和回收、尿液浓缩与造粒、工艺冷凝液处理等工序。

该工艺用CO2作汽提剂，在与合成等压条件下将合成塔出料在汽提塔内加热汽提，使未转化的大部分甲铵分解成CO2和NH3蒸出，分解及汽化所需的热量由2.45MPa蒸汽供给。

汽提塔出汽在高压冷凝器内生成甲铵冷凝液，冷凝反应所放出的热量副产低压蒸汽，供低压分解、尿液蒸发使用，汽提塔出液减压后进入精馏塔，将残余甲铵和氨进一步加热分解并蒸出，
然后经真空闪蒸，两段真空蒸发浓缩至99.7%的尿液送造粒塔造粒，或者直接用一段蒸发的96%尿液去生产大颗粒尿素。

2、NH3汽提工艺
NH3汽提工艺由意大利Snamprogetti公司于1967年试验成功并获得专利。

1970年第一套工业装置建成。

最近5年来，世界新增尿素能力70%采用Snamprogetti技术。

80年代，我国也引进了大中型氨汽提法尿素生产装置。

该工艺基本与二氧化碳汽提法一样。

只是提高了合成塔的NH3/CO2摩尔比，使进入汽提塔的合成液中游离氨量增大，以达到自汽提效果。

该工艺包括原料压缩、尿素合成及未反应物的高压分解和回收、过剩氨经冷凝成液氨返回系统、尿液浓缩与造粒、工艺冷凝液处理等工序。

该工艺在与合成等压条件下将合成塔出料在汽提塔内加热自汽提，使未转化的大部分甲铵分解成CO2和NH3蒸出，分解及汽化所需的热量由2.45MPa蒸汽供给。

汽提塔出汽在高压冷凝器内生成甲铵冷凝液，冷凝反应所放出的热量副产低压蒸汽，供低压分解、尿液蒸发使用，汽提塔出液减压后进入中、低压分解系统，将残余甲铵和氨进一步加热分解并蒸出，然后经真空闪蒸，两段真空蒸发浓缩至99.7%的尿液送造粒塔造粒，或者直接用一段蒸发的96%尿液去生产大颗粒尿素。

中压分解气体去冷凝吸收，将过剩氨分离出来返回合成系统。

3、ACES工艺
ACES工艺是日本东洋工程公司（TEC ）开发的节能节资型尿素生产新工艺。

它是将CO2汽提工艺的高汽提效率与全循环工艺的高单程转化率有机结合起来的一种新工艺。

合成塔内氨/碳比高达4.0，可基本上忽略腐蚀问题，在190℃与17.1 MPa的操作条件下，合成转化率达到68%，大大减少了汽提塔用于分解和分离未反应物所需的中压蒸汽量，使其成
为当今工业化尿素工艺中能耗最低的工艺。

其设备选材也有独到之处，主要高、中压设备都采用TEC参与开发的双相不锈钢（DP－3），能很好的解决设备的腐蚀问题。

其缺点是高压圈内设备台数较多，操作、控制比较复杂，高压圈内物料循环靠设备的位差来实现，工艺框架较高，增加了一次性土建费用，设备的操作、维修也不方便。

90年代我国先后引进了2套ACES装置。

该工艺包括原料压缩、尿素合成及未反应物的高压分解和回收、未反应物的中、低压分解和回收、尿液浓缩与造粒、工艺冷凝液处理等工序。

该工艺用CO2作汽提剂，在与合成等压条件下将合成塔出料在汽提塔内加热汽提，使未转化的大部分甲铵分解成CO2和NH3蒸出，分解及汽化所需的热量由2.45MPa蒸汽供给。

汽提塔出汽在高压冷凝器内生成甲铵冷凝液，冷凝反应所放出的热量一部分副产低压蒸汽，供低压分解、尿液蒸发使用，一部分用于加热汽提后的尿液，汽提塔出液减压后进入中、低压分解系统，将残余甲铵和氨进一步加热分解并蒸出，然后经真空闪蒸，两段真空蒸发浓缩至99.7%的尿液送造粒塔造粒，或者直接用一段蒸发的96%尿液去生产大颗粒尿素。

该工艺无过剩氨回收系统。

除上述三种尿素工艺外，世界上典型的尿素工艺还有意大利蒙特爱迪生公司的等压双汽提工艺（简称IDR法）、美国UTI的热循环工艺以及瑞士卡萨利（Casale）公司的HEC尿素技术。

它们都比较适合现有尿素装置的技术改造。

（二）国内尿素工艺技术概况
我国尿素工业的发展始于1957年，在上海化工研究院（以下简称上海院）氮肥室进行尿素生产的理论研究和试验工作。

1958年在南京永利宁厂筹建我国第一套半循环工艺的中试装置（年产3000t），每生产1t尿素排放的尾汽氨量为650 kg左右，1965年2月在中试装置上完成了高效
半循环的试验，但每生产1t尿素尚有尾汽氨量约176 kg。

同年12月上海院在日产2t的实验装置上完成了水溶液全循环的工艺研究和试验工作，为我国自行设计水溶液全循环工艺尿素装置提供了详细充实的技术数据。

1967年上海院在试验装置上采用变换汽汽提制取尿素工艺取得成功，开创了我国中压联尿的新工艺，并由国内设计院完成工程设计及施工图。

1974年和1975年分别在延安东风化肥厂、天津永红化肥厂、江苏六合化肥厂建成年产1万t的中压联尿装置并投入化工试车。

1960年我国引进前苏联的年产1万t的不循环法尿素装置在太原化肥厂投入生产。

1962年南京永利宁厂半循环装置通过国家鉴定，由国内设计的2套年产4万t的半循环装置先后在上海吴径化工厂和浙江巨州化工厂相继投产。

1966年我国引进荷兰Stamicarbon公司的2套8万t/a水溶液全循环工艺装置在沪州天然汽化工厂投产。

利用上海院水溶液全循环工艺技术数据并借鉴进口装置自行设计、设备自制的年产11万t尿素装置于1966年11月在石家庄化肥厂投入生产，标志着我国尿素工业发展进入一个新的阶段。

70年代初至80年代初，我国建成8－11万t/a的中型尿素装置35套。

同时我国又引进了荷兰Stamicarbon公司70年代先进工艺CO2汽提法大型尿素装置13套和日本三井东压公司的东洋高压全循环改良C法2套，每套年生产能力为50－52万吨。

80年代初化四院与荷兰凯洛格－大陆公司联合设计日产1740t的CO2汽提法尿素装置，设备大部分由国内自行制造，第一套装置于1984年9
月在浙江镇海石化总厂投产成功，第二套装置于1986年在新疆乌鲁木齐石油化工厂投产，第三套装置于1988年7月在宁夏化工厂投产，表明我国己具有自行设计、制造大型尿素装置的能力，并赶上国外先进技术水平。

80年代末第一套52万吨/年NH3汽提引进装置在河南中原大化建成投产，90年代初引进的5套年产13万t氨汽提工艺的中型尿素装置先后在河北宣化、北京化工实验厂、河南洛阳、山西原平、陕西宝鸡建成投产。

90年代中期又引进意大利Snamprogetti公司的十几套大中型氨汽提工艺装置和一套日本TEC公司ACES法大型尿素装置，四川泸天化引进意大利IDR双汽提工艺改造原2套水溶液全循环工艺装置。

1986年我国尿素工业发展又掀起了一个新的阶段，即众多小氮肥厂改产尿素的技术改造，使小氮肥厂的技术进步和技术革新发生了质的变化。

相继有100多家小氮肥厂利用水溶液全循环法进行碳铵改尿素。

水溶液全循环工艺虽属60年代技术水平，但由于我国尿素工艺研究和工业生产发展过程中均以该工艺为主，因此积累了工艺设计、设备制造、操作技术和生产管理的丰富经验，为小氮肥厂改产尿素提供了丰富技术，使小尿素装置投产以后即能稳定运行。

小尿素装置发展迅速，是适合我国国情的，充分发挥了原小氮肥厂的优势。

我国现有小尿素装置159套，其中水溶液全循环工艺151套。

目前，部分小尿素装置的生产能力己达6－10万t/a，正向13－20万t/a中型装置发展。

中型装置目前有48套，其中水溶液全循环工艺39套，氨汽提工艺5套，CO2汽提工艺2套，IDR工艺2套。

中型装置尿素产量占全国尿素产量的17%。

随着大、小型尿素装置的兴建，中型装置的产量比例相对减少。

大型装置己建29套，其中氨汽提工艺8套，CO2汽提工艺18套，改
良“C'法2套，ACES工艺1套，其生产能力占我国尿素总产量的40%。

以水溶液全循环工艺为主的中、小型装置有192套，占全国尿素装置总产量的81.7%，其生产的尿素量占全国尿素总产量的57%。

此外，CO2汽提工艺占27%,氨汽提工艺占13.5%，其它工艺占2.5%。

（三）工艺技术方案比较
从国内外尿素技术进展来看，适合大型尿素装置建设的技术只有荷兰Stamicarbon公司的CO2汽提工艺、意大利Snamprogetti公司的NH3汽提工艺和日本东洋公司的ACES工艺。

它们也是在世界上建厂数最多的工艺，代表当今尿素技术的发展方向。

下面就上述三种工艺技术作一比较。

表1-16三种工艺的主要工艺指标的比较（来源于日产900吨尿素的报价）
从上表可以看出，三种工艺的吨尿素消耗指标基本相同。

三种尿素的工艺特点如下：
1、CO2汽提工艺
（1）流程简单。

由于合成工段汽提效率很高，减小了下游工序的复杂程度。

Stamicarbon的CO2汽提工艺是目前唯一工业化的只有单一低压回收工序的尿素生产工艺。

因为流程简单，所以带来许多好处，如操作方便，投资省，可靠性强，运转率高，维修费用低等。

（2）高压圈工艺在优化理论指导下运行。

合成压力采用最低平衡压
力、氨/碳比采用最低共沸组成时的氨/碳比（2.95）、操作压力为13.6 MPa、温度为180－183℃、冷凝温度为167℃、汽提温度约190℃、汽提效率为80%以上，这些参数都比较温和，因而采用316L或25-22-2CrNiMo材料即可达到材质耐强腐蚀性的要求，设备制造和维修都比较方便。

（3）电耗低。

因为CO2汽提工艺操作压力比其他汽提工艺都低，因而高压氨泵、高压甲铵泵的功耗也低。

另外，由于汽提效率高且没有中压回收工段，没有单独的液氨需要循环回收，甲铵液的循环量也少，因而进一步降低了循环氨、甲铵所必须的功耗。

（4）采用池式冷凝器。

采用池式高压甲铵冷凝器是Stamicarbon对其尿素工艺的最新改进。

池式冷凝器作为初级反应器使合成塔的体积减少了约50%，使尿素框架的高度降低了约20 m。

（5）采用脱氢技术。

在脱氢转化器中，通过催化燃烧除去原料CO2中的H2、CO等可燃性气体，使高压和低压放空汽均处于爆炸范围之外，工艺装置安全性高。

（6）工艺冷凝液水解。

工艺冷凝液经水解解吸后，其尿素和氨的含量均小于5ppm，不仅降低了氨损失，也消除了对环境的污染。

CO2汽提工艺具有流程简单，设备总台数少，软、硬件费用也相对较低的优点， 90年代后期，Stamicarbon对其尿素技术作了较大的改进和推广，主要是增加了原料汽脱氢装置，提高了装置的安全性能；合成塔结构改进、采用高效塔板提高了转化率，降低了合成塔高度及体积；将原立式降膜式甲铵冷凝器改为池式冷凝器，并将其用作初级反应器，减少了合成塔的体积，降低了工艺框架的高度。

在此基础上，斯塔米卡邦在1996年5月召开的年会上推出了尿素2000+TM超优工艺，大大地提高了CO2汽提工艺的竞争能力。

新型尿素2000+TM工艺包括若干重大改进，从而使新建尿素工厂的投资成本显著降低。

其中主要的改进包括:优异的合成塔塔板设计、池式冷凝器以及Safurex专门双相不锈钢。

2000+TM工艺的主要特点有:
a、高压合成段的设备数由4台减少至3台；
b、总体高度由52 m降低至26 m；
c、因设备集成，昂贵的高压连接管线及喷嘴大大减少，相应地减少了泄漏和堵塞的几率；
d、在立式合成塔顶部，由于大量气体滞留，在合成塔的液面上存在着逆效应，但这种现象在该水平装置中则完全避免，从而为合成部分简便的全自动控制铺平了道路。

该逆效应在高框架布置中很严重，在中度框架布置中仍有一定程度的存在。

迄今为止，除非采用先进控制，合成段压力以及合成塔的液位都是手动控制的；
e、由于反应器水平布置（如果需要），克服了开车时由分批进料向连续生产转换的困难。

该工厂用水启动后，逐渐稳定过渡到使用正常原料全面运行；
f、池式冷凝使合成部分对氨碳比（NH3/CO2）波动的敏感程度大大降低；
g、在产生同样量低压蒸汽的情况下，冷却面积减少了50%；
h、由于框架降低，并且检查水平池式反应器较检查立式合成塔更加便捷，因而反应装置的安全性能提高；
i、投资节省10%左右。

j、大颗粒造粒技术
自从斯塔米卡邦汽提尿素工艺开发之始，一直就以减少设备数目、降低框架高度为2个主要目标，以便在合成部分既充分利用重力作驱动力，又同时减少投资成本。

经过30年的改进，所需设备总数减少了50%，工厂高度降低了50%，工厂的操作难度至少降低了50%。

原料的消耗值几乎等于氨和二氧化碳的化学计算值，己无进一步减少的余地。

公用工程的消耗也降至相当低的水平，若要进一步降低蒸汽消耗，需要开发新的热交换方法，从而使工艺更复杂，投资更昂贵。

该工艺的废物及废汽的排放量极低，接近于零，再没有重大改进的余地。

2、NH3汽提工艺
（1）合成塔进料NH3/CO2摩尔比较高，CO2转化率较高，从而可减少高压回路以后的循环回收负荷；
（2）由于合成系统NH3/CO2摩尔比较高（3.3-3.6）和设备选材恰当（如汽提塔采用衬锆材料），大大减轻了设备的腐蚀问题，操作条件要求不苛刻，开车无需专门钝化高压系统设备。

另外，即使事故停车，可以封塔几天而无需排放（国内企业反映，封塔时间不宜太长）。

一般封塔3天再开车后尿素产品仍为白色，这样将减少 NH3及CO2的损失，并可快速开车，大大提高了装置的运转率；
（3）中、低压分解加压器均为降膜式，操作过程积液量少，即使停车排放，NH3和CO2的损失量也少；
（4）由于采用了甲铵喷射泵，所有高压设备均可布置在地面上，无需高层框架，可节约投资，大大加快建设进度，施工安装操作维修均安全方便；
（5）由于有中压分解段，增加了操作的灵活性和弹性，还可以通过改变汽提效率和高压甲铵冷凝器的副产蒸汽量来调节整个装置的蒸汽平衡，使之在最佳的条件下操作。

但由于有中压分解系统，也增加了约10台设备；
（6）工艺冷凝液经水解解吸处理后，尿素和氨的含量均可小于5ppm，不但彻底消除了污染，减少了氨和尿素的损失，而且处理后的冷凝液还可作为锅炉给水；
（7）造粒改用转鼓造粒技术，克服了原用喷淋造粒尿素硬度小、粒径小、易结块且从塔顶排放的氨和尿素粉尘污染环境的缺点。

该工艺的最新进展为:
a、低压放空氨回收。

增加吸收塔来回收低压系统放空的氨，可降低尿素装置氨耗，预计每年可回收氨300－500 t，
b、汽提塔换热管由衬锆双金属不锈钢材质代替钛材。

这种材料可有
效地防止冲刷腐蚀；
c、BD放空管线及放空烟筒由不锈钢材质代替目前设计的碳钢材料；
d、柱式高压氨泵以脱盐水来代替密封油，这样每年可节约油20kL；
e、采用转鼓造粒技术，可增强成品的硬度，使颗粒增大，不易结块。

3、ACES工艺
（1）合成塔的操作条件最优化；汽提塔内结构特殊设计以及分解、分离所需的热量不需外部供应，这些促成了ACES工艺能耗最低；
（2）该法NH3/CO2摩尔比高，因而转化率也高；
（3）ACES法在腐蚀性强的地方采用双相不锈钢，各种设备很少被腐蚀，工厂可以连续运转；
（4）采用申请专利的特殊汽提塔，具有高效的CO2汽提效率。

综上所述，近几年来CO2汽提工艺有了很大的进展，无论是设备结构型式，还是节能降耗以及新材料的研发都比另外两种工艺具有较大的优势。

NH3汽提工艺自90年代后期，也有大的实质性的改进，国内在90年代初至90年代中期曾经是NH3汽提热，在不到10年中引进了十几套大、中NH3汽提装置。

ACES工艺在国内建厂数很少。

通过实际的操作，NH3汽提的优势也很明显。