尿素合成塔爆炸原因和对尿塔制造中新规定的讨论

对尿塔制造中新规定的讨论和尿塔爆炸初探

前言

水溶液全循环法中型尿素装置的尿塔塔径（内径）为Φ1400 mm，高压筒体由15 MnVR多层钢板卷制而成。当时由南京化机厂及金州重型机械厂制造。在1986年后众多小尿素厂兴建，小尿塔塔径为Φ1200 mm，制造厂家扩展了，有南京二化机、西南化机厂、广州重型机械厂、兰州重型机械厂等，尿塔设计单位是原化四院，笔者意思是由化工机械专业的技术专家设计，高压容器在化工行业使用，另有化工行业本身的安全特性要求。

近年来由于中型尿素厂河北迁安化肥厂Φ1400 mm塔爆炸，以及去年山东鲁西集团的平阴化肥厂Φ1400 mm塔爆炸，爆炸后外观表象及其相似，而该两塔均系南京化机厂制造，迁安的爆炸是什么性质的爆炸，没有得出最后的结论。据迁安厂认为，爆炸后裂开的筒体焊缝处发现有夹渣，最近鲁西集团尿塔爆炸后，引起众多尿素生产厂家的高度重视，要求必须分析清楚，以吸取经验教训，防范第三次爆炸再度发生，但化工权威系统没有组织讨论，只是在全国化肥信息总站的半官方组织分析，邀请了南京化机厂的技术领导等参加。因时间有限没能充分的分析讨论，也没有得出引起爆炸的真正原因，有部分生产厂家与会代表着重质疑两塔的制造厂都是南京化机厂，从设备制造各个环节上有何值得研讨的疑点。

最近据悉由国家质检总局为主分析讨论尿塔的爆炸的原因，并在其发出给各制造单位造尿塔时，明令尿塔出料管不伸入塔内，只在大盖底面截止，从这个决定中，可明显看出，设备制造系统，认为两尿塔的爆炸是化学爆炸引起，所以在制造中要取消出料管伸入塔内后的气相缓冲层。

在本文中笔者因没有确实的爆炸现场的实际材料，以及缺少高压设备方面的机械知识，不能分析是什么性质的爆炸，现先对制造尿塔的新规定从生产工艺方面来判断应该说是极不正确的，期望现在化工权威部门终止这个新规定。最后据笔者的经验试分析探讨一下尿塔爆炸的起因，期望得出一个正确的结论。

1. 出料管伸入塔内的目的

水溶液全循环法尿塔结构是沿用1966年引进技术时结构型式，出料管是伸入塔内一段长度，目的是使在塔顶上部有一个气相缓冲层，易于控制合成塔的操作压力平稳，出料瞬时流量稳定，从而也使一、二段循环系统的压力稳定。

出料管伸入长度，是会影响合成塔的有效反应容积，在中型尿塔一般都伸入500 mm，即有500 mm的气相层；小尿塔开始时为800 mm，是考虑到小尿素厂当时的操作技术水平，放大气相层避免出现合成塔超压恶性事故，后来在生产中逐步缩短出料管伸入长度，小尿塔也改为500 mm，有的厂缩短到250 mm；因此从目前实际工况出发，既照顾到合成塔增加生产强度的需要，又必须有一定的操作安全因素，笔者认为250 mm的气相层是必须的。

2. 气相层在尿素装置高压段其它设备中的应用

合成塔内顶部设置气相层是保证合成塔在加减生产负荷时，不易发生超压现象，并保持合成塔出料量平稳和压力平稳，是循环一、二段压力稳定的前提条件，若无气相层，则在上述的工况时，液体极易超压；液体超压的危险程度是极大的，如尿塔设备本身强度还足够的话（一般安全系数为100%），大盖目前使用齿形垫及上下接管的法兰垫子都承受不了的，就会嗤开，而且泄漏不会因压力下降而停止，因为密封面被破坏后，塔内物料会继续泄出至完而停止。

液体的瞬时超压，极易超过合成塔设计的强度值，塔体会裂的可能。

高压氨泵入口缓冲罐引进立式高压氨泵与甲铵泵出口也有缓冲罐；国内自制高压甲铵泵入口初期也有缓冲罐，后在泵入口设置一段放大管径1 m长距离，作溶液流动时的缓冲

作用，如泵在加转时，入口液体易被抽空，则极易挥发的液氨及甲铵液极易气化，使泵出口压力不稳，或使某一缸体不作功，而在泵缸体出的气击现象会造成极高的瞬时压力，引起泵缸体的开裂，高压出口缓冲罐的作用，也保持出口压力平衡和入塔物料量的稳定，不因局部压力有变化时引起的系统压力不稳定和物流量的变化。

3. 出料管不伸入塔内从上述的原因分析，是极不正确的措施

江苏某厂要上第二套尿素装置，订制尿塔时，制造厂已接到上级的正式明文指令，即出料管不伸入塔内，使该厂十分为难，把问题提给全国化肥信息总站“尿素技术咨询网”后，转告笔者，笔者用电话告知该厂总工，绝不能接受无出料管伸入塔内的尿塔。该厂已与制造厂协商权衡之计，伸入长度10 mm，以便生产厂自己焊接一段管子伸入塔内。我当即表示，塔内管子上的焊缝受双面腐蚀，像塔内塔板及勾头螺栓一样，年腐蚀量是很大的，由其出料管内的气液混合物的冲刷腐蚀是极严重的，不像纯单相物体的磨损还少些。所以自行焊接一段是不可行的，一旦管路上焊缝蚀穿后，塔内就没有了气相层，同样会发生可怕的后果。

因此合成塔出料管不伸入塔内的举措，此问题的严重性，不亚于两个合成塔的爆炸，期望从事尿素工艺技术的设计，研究和生产单位，极力呼吁有关部门，阻止这种错误的作法。

4. 这种类型的尿塔，在水溶液全循环法尿素生产工艺装置中运行历史已有40年

4.1 在中尿装置生产初期，由于对可爆性气体在尾气系统内发生爆炸的客规条件掌握不够，所以有1/4工段曾在不同部位发生过化学爆炸，大部份在惰性气洗涤器部位，有的在氨冷凝器，有的在尾吸塔内，以及在检修碳铵液槽时因动火制度执行不严使碳铵槽发生爆炸。仅有东北和西北的两个厂在冬季当合成塔短停后的开车过程中，开启塔顶出口截止阀时，发生出料管中的爆炸，一厂把合成塔的基础螺栓拨出使尿塔倾斜，一厂只是出料管阀门连结件爆开。这种爆炸发生的原因，笔者分析，因设计中，塔顶高压截止阀安装在出料管后一段管路中，当短停时，出料管中的氨因冬季大气温度底而逐步冷凝回流至塔中了，管中存留的都是可爆性气体和氧气，当高压截止阀一开启时，由于气流的节流效应发生静电磨擦而引爆了可爆性气体；一段惰洗器的爆炸，也是由于一段超压时开启一段压力调节阀的付线阀时，发生磨擦静电位而引爆。在笔者工作的湘江氮肥厂早就修改了出口高压截止阀的安装位置，直接装在合成塔出口，取消了这一段出料管弯管，以及笔者指导过的尿素工厂都把此能肇事的设计修改了。

在以后的生产中以及众多的小尿素装置投产过程中，吸取了中型厂的修改和操作上防爆的方法，都没有发生过任何的爆炸，说明基本掌握了爆炸的客观规律性。

为确保安全起见，在大尿素装置上早已使用脱除原料CO2气中氢气，用铂钯或铂铑催化剂，在兰州物化研究所在80年代初期已研制成功，在甘肃刘家峡化肥厂试用，近年湖北化学研究所也研制成功，因该催化剂易受H2S的中毒，以煤头气化的工厂很难推广，因H2S含量高，CO2气须先精脱硫H2S含量<1 ppm，在用过程中，CO2气需提前预热至高温反应的温度，反应后又需冷却气体至CO2压缩机的三段入口；催化剂的价格又昂贵，精脱硫和脱氢工艺的复杂，提高了操作费用，在当时的中型厂及现在大多数中、小型厂因提高生产成本是无法承担的。

因此脱氢技术要大面积的推广，现有的高温高压工况下的脱氢技术，可能在以气头的工厂中，因原料CO2中H2S低微，可以使用该技术，对大多数以煤为原料的工厂，渴求研制出低压低温不需要精脱硫的催化剂。

4.2 合成塔防腐用氧，对尾气发生爆炸的影响

合成塔防腐原始设计使用纯氧，因使尾气中氧含量上升，氧是助爆剂，可使爆炸性气体的爆炸范围扩大，查看爆炸相图知道，当尾气中氧含量小于4%时，是可落在爆炸区域之外，后因几个中型厂的爆炸之后，改用空气代氧防腐，目的使尾气中增加氮气成份，以降