用自主创新的节能减排技术改造传统水溶液全循环法尿素装置

・　４８　・　化工设计通讯　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　第３９卷第４期　２Ｏ１３年８月　

用自主创新的节能减排技术　

改造传统水溶液全循环法尿素装置　

沈华民，刘国胜，王世平，李洪涛　

（德州百斯特化工科技有限公司，山东德州　２５３４００）　

摘　要：针对传统水溶液全循环法尿素装置高污染、高能耗等问题，提出了相应的技改原则。三废减　排方面，建议用低压深度水解技术治理废液，用粉尘回收装置治理造粒塔粉尘；节能方面，建议分阶段以　优化调整法或添加设备法，逆流换热全液相合成技术或传统２１法实施改造，并简要计算了此类改造的收益。　关键词：水溶液全循环法尿素装置；节能减排；技改；深度水解技术；粉尘回收技术；逆流换热全液　相合成技术；传统２１法　中图分类号：ＴＱ４４１．４１　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００３　６４９０（２０１３）０４—００４８—０５　

Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　Ｅｎｅｒｇｙ—Ｓａｖｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｒｅｖａｍｐｉｎｇ　ｏｆ　

ｔｈｅ　Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｔｏｔａｌ　Ｒｅｃｙｃｌｅ　Ｕｒｅａ　Ｐｌａｎｔ　

ＳＨＥＮ　Ｈｕａ—ｒａｉｎ，ＬＩＵ　Ｇｕｏ—ｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｓｈｉ　ｐｉｎｇ，ＬＩ　Ｈｏｎｇ—ｔａｏ　（Ｄｅｚｈｏｕ　Ｂｅｓｔ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｄｅｚｈｏｕ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２５３４００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｐｏｓｅ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ　ｒｅｖａｍｐ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　

ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｔｏｔａｌ　ｒｅｃｙｃｌｅ　ｕｒｅａ　ｐｌａｎｔ．Ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ—ｗａｓｔｅ，ｗｅ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄ　ｌｏｗ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｕｒｅａ　ｄｅｐｔｈ　ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｒｅａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗａｓｔｅ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｄｕｓｔ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｕｓｔ　ｆｒｏｍ　ｕｒｅａ　ｐｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏｗｅｒ；ｆｏｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｗｅ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄ　

ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｄｊ　ｕｓｔｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｒ　ａｄｄｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｉｎ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｓｔａｇｅｓ，ｔｈｅ　ｃｏｕｎｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｗｈｏｌｅ　ｌｉｑｕｉｄ——ｐｈａｓｅ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｔｗｏ——Ｏｎｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　

ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．Ｓｉｍｐｌｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅｓｅ　ｒｅｖａｍｐ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｏｔａｌ　ｒｅｃｙｃｌｅ　ｕｒｅａ　ｐｌａｎｔ：ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｗａｓｔｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｒｅｖａｍｐ；ｕｒｅａ　ｄｅｐｔｈ　

ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｄｕｓｔ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｃｏｕｎｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｗｈｏｌｅ　ｌｉｑｕｉｄ—ｐｈａｓｅ　

ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｔｗｏ—Ｏｎｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

０　前　日　

尿素作为重要的化肥品种之一，数十年来已　

经为我国农业增产作出了重要贡献。我国是最大　

的发展中国家，拥有十三亿以上的人口。基于我　

国仍然是农业大国且人均可耕地少这一国情，粮　

食安全至关重要。目前，我国已用世界７　的可　

耕地养活了２０　的人口　在此化肥的贡献是不　言而喻的。毋庸置疑，今后我国政府必然会继续　

支持化肥产业的正常生产和发展。故而，作为肥　

业支柱的尿素产业也仍将继续向前发展。　２１世纪的人类社会，已进入全球化时代。　

对于高污染高能耗的传统化肥产业的继续生产和　

发展，首先必须建立在治理三废污染和减排二氧　

化碳的基础上；同时，化肥产业的发展必须走以　节能为主线的低碳经济发展模式口　。　

收稿日期：２０１３　０５—１０　作者简介：沈华民（１９４０－），男，上海人，教授级高级工程师，研究生导师，长期从事尿素技术的研究、开发　和教学工作。

　第４期　沈华民等：用自主创新的节能减排技术改造传统水溶液全循环法尿素装置　・４９‘　

我国作为负责任的大国，以积极的态度支持　

节能减排为主旋律的低碳经济发展模式。低碳经　

济的重要理念是：发展低能耗零污染的绿色经　济；淘汰高污染高能耗的落后产能。为此，近年　

国务院和工信部公布了严重污染环境、高能耗的　落后产能行业，其中有钢铁、水泥、石化、火电　

等六大行业的部分企业　］。今年我国中东部严重　

的雾霾天气，必然促使加快治理污染的步伐。　作为石化行业之一的尿素产业，生产过程中　

亦有废物排放污染的问题，主要为废水及造粒塔　排出的废气对环境的污染。另外，有些企业还存　

在着以高能耗换取高产量的错误观念，这是与低　

碳经济理念极不相符的。因而，如何继续发展我　国传统的化肥产业，首先要转变观念，转变只重　

视产品产量而忽视产品质量和能耗的错误观念，　这是继续发展我国化肥产业的前提条件。　

我国中小型尿素装置多数是采用传统水溶液　全循环法（以下简称传统法）进行生产的。因而，　

讨论该类装置的节能技改，对于整个尿素产业实　

现低碳经济发展具有特殊的、重要的意义。　传统法尿素技术创建于上世纪五十年代末六　

十年代初，我国于１９６６年引进该技术。在国家　粮食安全保护政策下，上世纪六、七十年代和八、　

九十年代曾先后两次大批量兴建了中型尿素装置　

（８０～１３０　ｋｔ／ａ）和小型尿素装置（４０～６０　ｋｔ／ａ）。这　些装置已成为我国尿素生产的主力军。然而，传　

统法尿素工艺毕竟是第一代水溶液全循环技术，　装置工艺落后，主要问题有两个，其一是合成转　

化率低，ｚ　仅为６０　～６５　；其二是一段分解　压力过低，仅１．８ＭＰａ，导致热利用率差。上述　

两个问题是造成装置能耗过大的主要原因。吨尿　

能耗为，蒸汽１．５～１．８ｔ，冷却水１００～１６０ｍ。，　

电１３０～１５０　ｋＷ・ｈ。　对于尿素装置而言，节能方法有如下两种。　

第一，热量回收节能（属于直接节能法）。　

在尿素装置中，将分解工序释放出来的未反　应物——ＮＨ。和ＣＯ　气体，在回收工序冷凝　

（吸收），并将其冷凝热回收利用，以减少装置能　耗，此即为热量回收节能技术。　

第二，提高合成转化率节能（属于间接节能　法）。　尿素装置中，ｚ　。　越高，生成尿素量越多，　

出塔尿液中未反应甲铵及过剩氨总量也越少，后　续分解工序所需蒸汽量也越少，循环回收未反应　

物所需能耗（电能、冷却水）也越少。因而，－ｚ　ｏ　

的高低密切关联着装置运行的能耗，即ｚｃｏ　越　高，能耗越少。　

因此，提高尿素合成转化率已成为尿素装置　最为重要的节能方法。　

为了提高ｚｃ。　，运行较好的传统法尿素装　置，已在尿塔内安装了高效塔盘，或设计了多种　

新型内件，已使５７１７　提高至６６％～６８　，促使　

装置能耗下降。　但是，由现代工业尿素合成理论分析得知：只　要是从底部进料的尿塔，即使将塔盘再增加，或效　率再高的新塔型，实际ＸＣＯ　不太可能逾越７Ｏ　９／６。　

合成转化率小于７０　，已成为传统法尿素　

装置的瓶颈，最先进的传统法尿素装置的能耗指　标始终徘徊在汽耗约１．３　ｔ（吨尿；下同），落后　

于汽提法尿素装置。　然而，尿素技术已进入合成时代［２］，其典型　

代表为美国ＵＴＩ尿素技术。ＵＴＩ用逆流等温塔　

已将　（）ｎ提高到７５　，也即ＵＴＩ仅用合成节能　法一项，已能使装置汽耗下降至约１．０　ｔ，其先　

进性已能与汽提法媲美。因而，用合成时代的理　

论和实践来改造我国传统法尿素装置，则装置发　生凤凰涅架，实现跨越式发展是指日可待的。　

为此，在工业尿素合成理论指导下，消化国　外先进核心知识基础上，自主创新，开发出两项　

节能新技术，供传统法尿素装置低碳节能发展选　择应用。　其一为逆流换热全液相合成塔，主要针对传　

统法　ｃ（）ｎ低的问题，汲取了美国ＵＴＩ逆流等温　合成塔的先进理念而开发成的新塔型ｌ３　］。　

其二为传统２１法技术，主要针对传统法热　

利用率差、ｚｃｏ　低两个问题，汲取了汽提法先进　理念，结合现代工业尿素合成理论开发出的新流　程　。　

１技改原则及建议　

１．１　技改原则　

（１）应从尿素装置是一个系统工程的整体观　

点来考察，即装置各工序之间是紧密相连的整体　

角度来寻找能耗高的原因，并找出具体节能降耗　

的方法、措施；尤其不能就事论事，从局部出发　

来制订具体措施。

　・　５０　・　化工设计通讯　第３９卷　

（２）对于传统法尿素装置而言，具体的节能　技改措施应以提高．ｚ　为主、热量回收为辅的原　

则。因为提高合成转化率是最好的节能措施。　

ｚ　与能耗之间的关系见图１，该图系笔者　

（沈华民）以传统法尿素装置ＮＨ。／ｃｏ　为４．０时，　

进行数学模拟计算而得出的。　

图１　Ｔ（Ｏ　与蒸汽耗量及合成液未反应物料量的关系　

由图１查得，当　６０　～６５　时，汽耗　

为１．６～１．４　ｔ。实际值为１．８～１．５　ｔ。　

若将　提高到７Ｏ　９／６，系统蒸汽耗量由图１　

查得为１．２　ｔ。可见，在此转化率下后系统若能　回收２００　ｋｇ蒸汽，装置即可进入先进的节能低　

碳行列。　若将　进一步提高到７５　，由图１查得　汽耗小于１．０　ｔ，这时即使后系统不采取任何节　

能措施，装置也已进入先进的节能低碳行列。　

由此可见，传统法尿素装置节能技改措施应　

倾向于合成节能法。　１．２技改建议　我国传统法尿素装置，大致可分为三类。具　

体技改措施亦略有不同。　１．２．１　第一类：运行水平较差的落后产能　

（１）装置概况　①只有解吸系统，经常排放解吸废水；造　

粒塔顶也经常排出粉尘、废气。　

②原尿塔为空筒或设置常规塔板，ｚ　６０　～６３　，汽耗１．５～１．８　ｔ。　

（２）问题讨论　

本类装置在尿素行业中属于高污染高能耗的落　后产能，如果不及时采取措施，最终必然被淘汰。　

环保先行，亟需治理排放的废水、废气，使　

装置的三废达标排放；同时，装置能耗在同行业　中也处于落后状态，也需尽快采取改善措施。　（３）建议　

建议分两阶段进行改造，使装置达到同行业　

先进水平。　①第一阶段　首先需治理污染问题，设置　

水解系统和造粒塔粉尘回收系统，以解决装置污　染问题。对于能耗高的问题，建议将尿塔塔盘改　

为先进的高效塔盘；同时，对全系统进行优化操　

作以及参数调整，以提高　ｎ　来降能耗。　优化调整后使装置　提升至６６　～６７　，　

装置汽耗下降至１．３～１．４　ｔ，以尽快摆脱落后状　态，达到行业中等水平。　

②第二阶段　用逆流换热全液相合成技术　

或传统２１法进行改造，进一步提升　。　＞７０　，　汽耗≤１．０　ｔ，使装置达到行业先进水平。　

１．２．２　第二类：运行水平处于中等偏下游的装置　（１）装置概况　

①水解系统及粉尘回收系统已设置。　②尿塔设有普通塔盘，　。　６４　～６５　，