關(guān)于尿素合成塔安全的討論

關(guān)于尿素合成塔安全的討論摘要：尿素合成塔是尿素生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,其運(yùn)行工況好壞和使用壽命長短直接影響生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)尿素合成塔的實(shí)際使用和維護(hù)情況,本文尿素合成塔生產(chǎn)過程中的保護(hù)問題，提出尿素合成塔的安全生產(chǎn)管理。

關(guān)鍵詞：尿素；合成塔；預(yù)防措施；管理

尿素合成塔是尿素合成裝置的核心設(shè)備，它的主要作用是將甲銨脫水轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩?。我國首次從荷蘭引進(jìn)水溶液全循環(huán)法尿素裝置起，目前國內(nèi)已有數(shù)百套各種不同工藝的尿素裝置在運(yùn)行。除少數(shù)采用進(jìn)口的尿素合成塔外，絕大部分都采用國內(nèi)制造的尿素合成塔，而國內(nèi)制造的尿素合成塔90%以上采用的是多層包扎結(jié)構(gòu)。就不同狀況下如何保護(hù)尿素合成塔、減緩尿素合成塔的腐蝕問題進(jìn)行了探討和研究。

一、尿素合成塔生產(chǎn)過程中的保護(hù)問題

生產(chǎn)過程中,對尿素合成塔的保護(hù)除要避免高壓系統(tǒng)超壓對設(shè)備造成損害外,更主要的是在生產(chǎn)過程中盡可能地減緩尿素合成塔的腐蝕問題。不同的工況對尿素合成塔的腐蝕程度也不同,從日常生產(chǎn)中對合成塔腐蝕影響比較大的操作進(jìn)行分析。

1、操作溫度的影響。從理論上講,介質(zhì)溫度升高會加速對設(shè)備的腐蝕,這是由于溫度升高可以增加金屬活化態(tài)和鈍化態(tài)的反應(yīng)速率,使不銹鋼的鈍化區(qū)變窄,加速材料的活化,即加速了陰極和陽極的氧化、還原過程。在160℃以下時,溫度的變化對不銹鋼腐蝕的影響較小;但溫度在160℃以上時腐蝕速率會逐漸加快。對于使用316L-MOD不銹鋼的尿素合成塔而言,出口溫度控制在188℃是一個極限值,超過該溫度后,設(shè)備的腐蝕速率將成倍的增加。生產(chǎn)中一旦出現(xiàn)有超溫現(xiàn)象,要及時采取有效措施,使溫度盡快恢復(fù)到正常指標(biāo)范圍。

2、氨碳比的影響。氨碳比控制的高低不僅對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率、消耗影響較大,對尿素合成塔的腐蝕影響也非常明顯。氨汽提尿素生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)氨碳比為3.56,二氧化碳汽提尿素生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)氨碳比為2.89,兩種生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)尿素合成塔的出口操作溫度均為188℃,但正常生產(chǎn)中尿素合成塔的腐蝕情況差別較大。前者腐蝕速率一般不超過0.1mm/a,而后者腐蝕速率一般在0.2-0.3mm/a。提高系統(tǒng)的氨碳比有利于減緩設(shè)備的腐蝕,這是由于在高氨碳比時,系統(tǒng)pH值升高,酸性降低,從而減少了COONH-2和CNO-在系統(tǒng)的生成量,縮短了設(shè)備在高濃度腐蝕介質(zhì)內(nèi)的停留時間。為減緩尿素合成塔的腐蝕,現(xiàn)在多數(shù)二氧化碳汽提工藝的尿素生產(chǎn)廠將氨碳比均控制在3.0以上,有的甚至控制在3.1-3.2,這對減緩腐蝕非常有益。從減緩腐蝕的角度,只要裝置的后系統(tǒng)有足夠的承載能力,尿素合成塔的氨碳比應(yīng)盡量控制在指標(biāo)的高限。在氨汽提的一些生產(chǎn)廠中,也出現(xiàn)了另外一種現(xiàn)象,為了節(jié)省蒸汽,方便操作、減少消耗,將系統(tǒng)的氨碳比控制得很低,有時甚至低于指標(biāo)的下限,這是以增大設(shè)備腐蝕為代價的不可取做法,長期下去會對設(shè)備造成很大的損害,直接影響設(shè)備的使用壽命。

3、氧含量的影響。判斷加氧量主要受兩個方面的影響:氨碳比;二氧化碳中的硫含量。系統(tǒng)在高氨碳比狀況下運(yùn)行時,有利于鈍化膜的形成,加氧量可以控制相對低一些;若系統(tǒng)在低氨碳比工況下運(yùn)行,加氧量就要控制相對高一些。從不同尿素生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)要求可以看出:氨汽提尿素生產(chǎn)工藝的氨碳比為3.56,其氧體積含量設(shè)計(jì)控制為0.25%-0.35%;二氧化碳汽提尿素生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的氨碳比為2.89,設(shè)計(jì)控制加氧體積含量為0.5%-0.8%。許多廠都有明確規(guī)定,當(dāng)系統(tǒng)鈍化空氣中斷一定時間時,裝置必須立即停車排塔,主要是防止尿素合成塔發(fā)生缺氧腐蝕。根據(jù)觀察研究,對于氨汽提尿素生產(chǎn)工藝,若系統(tǒng)一直在高氨碳比下運(yùn)行,一旦發(fā)生鈍化空氣中斷現(xiàn)象,只要在30min內(nèi)能夠恢復(fù),一般不會對尿素合成塔造成明顯腐蝕,不用停車排塔。

二、強(qiáng)化尿素合成塔的安全生產(chǎn)管理

我國目前運(yùn)行的數(shù)百套尿素裝置幾乎涵概了世界上所有的尿素生產(chǎn)工藝，除引進(jìn)技術(shù)初期的幾臺尿素合成塔由國外制造外，通過消化吸收絕大部份尿素合成塔均是國內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造，尿素合成塔是腐蝕性很強(qiáng)的高溫高壓反應(yīng)容器，與介質(zhì)接觸的承壓筒體通常采用單層或多層碳素鋼襯不銹鋼或者堆焊不銹鋼結(jié)構(gòu)，如何確保不讓腐蝕介質(zhì)穿透不銹鋼襯里層，實(shí)現(xiàn)尿素合成塔安全、使用和維護(hù)檢修各個環(huán)節(jié)持續(xù)研究的重要課題。

1、擴(kuò)能改造要重視尿素裝置的本質(zhì)安全。為了企業(yè)的發(fā)展與市場需求很多尿素工廠都進(jìn)行了擴(kuò)能改造，而且大都采用更換尿素合成塔內(nèi)件即一種“高效塔盤”的技術(shù)對裝置進(jìn)行擴(kuò)能，以提高反應(yīng)物的混合程度來提高容積利用率，減少部份反應(yīng)物的彌留和短路，讓出塔反應(yīng)物盡量達(dá)到或接近平衡轉(zhuǎn)化率而允許增大反應(yīng)物的流通量，以達(dá)到節(jié)能降耗和提高尿素產(chǎn)量，實(shí)踐證明這一設(shè)計(jì)理念是正確的。但是，改造后通過尿素合成塔的反應(yīng)物流通量大幅度增加，反應(yīng)物在塔內(nèi)和進(jìn)、出口部位流速增大，二氧化碳與氨的反應(yīng)熱對設(shè)備的塔壁和內(nèi)件沖刷加強(qiáng)，增大了尿素合成塔中、下部不銹鋼襯里和內(nèi)件的腐蝕強(qiáng)度，塔上部氣液相出口管還會因?yàn)榱魉俚奶岣咴黾右l(fā)化學(xué)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，因此在對尿素合成塔進(jìn)行擴(kuò)能改造的同時，還要認(rèn)真評估上述的負(fù)面影響，對提高生產(chǎn)能力的期望應(yīng)綜合考慮后續(xù)系統(tǒng)能力匹配，解決原料消耗和運(yùn)行成本等諸多問題，以此為基礎(chǔ)來確定合適的綜合經(jīng)濟(jì)效益和擴(kuò)能降耗。

2、采用二氧化碳?xì)怏w脫氫技術(shù)。生產(chǎn)尿素的原料二氧化碳?xì)怏w中由于上游工藝的原因都不同程度存在有氫氣，為了防腐蝕需要在二氧化碳?xì)怏w進(jìn)壓縮機(jī)加壓前都要添加一定數(shù)量的空氣，使尿素高壓設(shè)備得到防腐蝕需要的氧，不同的尿素工藝需要加入系統(tǒng)的氧含量是不同的。就目前尿素裝置的現(xiàn)狀而言，二氧化碳?xì)馓岱ㄑb置加氧量雖然比較高，但在二氧化碳壓縮機(jī)段間和出口都增設(shè)有脫氫裝置，可能引起化學(xué)爆炸的爆炸氣體聚焦點(diǎn)就移至高壓甲胺洗滌器填料層上方設(shè)置的球型防爆空間，安全問題做到了可控狀態(tài);氨氣提法工藝的尿素合成塔采用局部補(bǔ)氧的措施，隨二氧化碳?xì)怏w加入防腐蝕用的氧含量較少，可能引發(fā)化學(xué)爆炸的幾率也就較低;而水溶液全循環(huán)法尿素工藝引進(jìn)的第一代尿素裝置，其尿素合成塔氣液相出口設(shè)在含有爆炸性氣體聚集區(qū)，減壓閥壓差高達(dá)18MPa，反應(yīng)物流產(chǎn)生的靜電效應(yīng)增強(qiáng)，并且還未設(shè)計(jì)防爆措施，因此加大了可能引發(fā)化學(xué)爆炸的安全風(fēng)險(xiǎn)，近些年國內(nèi)發(fā)生的兩起尿素合成塔爆炸事故都是這種工藝的裝置，雖然目前對事故原因還沒有確切的結(jié)論，但還是建議新建尿素項(xiàng)目最好不要再選這種落后的生產(chǎn)工藝，對已經(jīng)建設(shè)或運(yùn)行的尿素裝置采用國產(chǎn)鉑催化劑的節(jié)能型二氧化碳?xì)怏w脫氫技術(shù)，會消除可能引發(fā)爆炸事故的氫組份存在。

3、尿素合成塔襯里的致密性試驗(yàn)。氨檢漏方法長期以來是世界上主要尿素工藝專利商斯達(dá)米卡邦公司推薦的尿素高壓設(shè)備襯里的查漏方法，國內(nèi)制造和使用的尿素合成塔襯里檢漏工作50多年來一直采用這種方法，具備長期使用的成功經(jīng)驗(yàn)和形成條文的操作程序，適用于設(shè)備制造期間和設(shè)備投運(yùn)后年度大修的襯里檢驗(yàn)，氨檢漏靈敏度高，檢出精度雖不及氦檢漏但仍可達(dá)到1×10－7cm3/s，它采用顯色劑進(jìn)行缺陷顯示容易準(zhǔn)確判定缺陷位置，有利于制定檢修方案和隱患的消除，當(dāng)選用氨檢漏方法對殘留在不銹鋼襯里與承壓殼體間的氨有腐蝕疑慮時，可增加殘留氨排放或抽空的操作程序。目前推薦采用氦檢漏對設(shè)備襯里進(jìn)行致密性試驗(yàn)專利商，當(dāng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不銹鋼襯里焊縫存在泄漏時也要用氨檢漏的方法來找出缺陷的具體位置。

加強(qiáng)對尿素合成塔的管理,是從里到外,從開車、停車到檢修、檢查,一個全方位、全過程的管理,無論哪一個環(huán)節(jié),哪一個過程出現(xiàn)失誤,都會使尿素合成塔產(chǎn)生不同程度損害,給安全生產(chǎn)埋下隱患。因此,應(yīng)高度重視尿素合成塔的安全使用和管理問題,以便使每臺尿素合成塔都能為企業(yè)發(fā)揮更好的效能。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙建國．尿素合成塔的使用安全［J］．石油和化工設(shè)備，2013，9(5):7－9．

［2］戴光，