1、尿素脫氫新技術及其應用陳健 張清建 李木林 雷軍 王先厚 李仕祿 孔渝華 （國家氣體凈化劑重點工業基地）（湖北省化學研究院 武漢 430074） 摘要 介紹了尿素脫氫新技術及其在渣油制氣、天然氣制氣、煤制氣三種氣頭的大中型尿素裝置中10年的工業應用情況，不僅消除了長期制約企業發展的爆炸隱患問題，同時降低氨耗約2kg/t尿素，為企業帶來顯著的經濟效益。關鍵詞 尿素脫氫 新技術 應用1 前言我國現有大、中、小型尿素裝置近200套，尿素生產企業原料氣的來源不同，目前主要有三種生產方法，一是以渣油為原料，二是以天然氣為原料，三是以煤為原料。尿素合成高壓尾氣中未參與反應的H2、CO、CH4和氧氣因濃縮而

2、達到爆炸范圍，存在重大安全事故隱患，發生過幾次重大爆炸事故，損失慘重。在CO2原料氣中采用尿素脫氫新技術，將原料氣中的所含的H2等爆炸性氣體在低濃度下加以脫除是從源頭上有效防范爆炸事故發生，是“安全生產”和“放心操作”的有力保障。 我國于80年代起有尿素廠家采用國外進口與國產化的脫氫催化劑，均為貴金屬Pt(Pd)/-Al2O3體系，使用效果基本滿意，但也存在一些不足之處，如催化劑的耐硫性能、低氧適應性能、制備工藝、使用壽命等都有不同的缺陷。為適應市場需求，節能降耗，湖北省化學研究院做了大量的研發工作，開發了以TH-2、TH-3型脫氫催化劑為核心的尿素脫氫新技術，該技術在國內大、中型30多套次尿

3、素裝置中成功應用，并被中國氮肥行業協會選為培訓教材在全國推廣。2 TH系列尿素脫氫催化劑與尿素脫氫新技術介紹2.1 TH-2、TH-3脫氫催化劑的工作原理為防止尿素合成系統的腐蝕，尿素CO2原料氣中必須加O2 ， CO2脫氫是在脫氫催化劑作用下，使CO2氣中的H2與O2反應生成H2O，使合成后尾氣遠離爆炸范圍，從而徹底消除安全隱患。2H2 + O2 2H2O H 0298= - 483kJ/mol外觀粒 度（mm）強度（N/粒）比表面（m2/g）孔體積（ml/g）堆密度（kg/l）操作壓力 （MPa）使用空速（h-1）使用溫度（）組成灰褐色球形24201802500.20.40.50.7常壓2

4、51500030000110250Pd，特種助劑與穩定劑，Al2O32.2 催化劑主要理化指標2.3 尿素脫氫催化劑對CO2原料氣的要求總硫，ppmO2/ H2Cl，ppmAsH3，ppm0.1>0.50.10.022.4 尿素脫氫新技術尿素CO2原料氣脫氫新技術是由湖北省化學研究院經過近十年在國內30余家尿素企業的應用總結摸索出的針對不同的CO2氣體工況開發的以TH-2、TH-3型脫氫催化劑為核心的尿素脫氫新技術。由JTL-1常溫精脫硫新技術、HC-2型微量硫分析儀、脫油技術與TH系列脫氫催化劑組合使用，可從根本上消除尿素生產系統的腐蝕及重大安全隱患問題，同時大幅度延長脫氫催化劑的壽命

5、。 CO2氣源中含油、含硫工況的尿素脫氫新技術流程示意圖： 常溫精脫硫提溫器 TH-2或TH-3脫氫催化劑脫油塔 CO2氣源 總硫0.1ppm 110250注：若氣源中無油，則可省去脫油塔；若氣源中無硫（如以天然氣為原料）則可省去常溫精脫硫。2.4.2 同時我們又開發了利用脫氫塔產生的熱量回收工藝，有顯著的節能作用，工藝流程示意圖如下： TH-2或TH-3脫氫催化劑110250提溫器 換熱器 3 尿素脫氫新技術在不同氣源尿素裝置中的應用3.1 在鎮海煉化化肥廠中的應用（渣油制氣） 脫氫流程圖（見圖一）： 圖一 鎮海煉化尿素脫氫流程圖3.1.2 流程介紹：該公司尿素年生產能力52萬噸，CO2原料

6、氣氫含量約1.2%，經壓縮機壓縮到14.3MPa，通過蒸汽加熱器提溫到150220，進入脫氫反應器（內徑1130mm，高1500mm，內裝TH-3催化劑1m3），脫氫反應器的溫升約50，出口氫含量<50ppm,合格后進入壓縮機繼續壓縮，最后進入尿素合成工段。硫化物含量的分析是由湖北省化學研究院開發的HC-2型微量硫分析儀檢測（最小檢測量0.01ppm），氫氣含量的分析采用的是氣相色譜分析儀。3.1.3 使用情況（操作數據見表一）表一、TH-3催化劑操作數據一覽表日 期CO2流量Nm3/h入塔含氧,%（v）入塔總硫,mgS/N m3入塔溫度,出塔溫度,出塔含氫,ml/Nm3床層阻力,Mpa

7、2002.04.253279891.21.8915820227.70.0322002.05.08294741.27115319720.0322002.05.15285421.240.7915319720.0302002.05.24290351.250.6815319725.00.0312002.06.05288301.230.6715319720.0292002.06.14291151.280.6715319722.30.0302002.06.25294811.240.715319620.0312002.07.05273261.250.5915319620.0272002.07.1529126

8、1.220.7315319620.0292002.07.25295571.220.761521943.50.0312002.08.05279101.271.221531941120.0292002.08.15270711.250.6415319547.80.0272002.08.26251561.280.8115619810.20.0242002.09.05238901.270.8215619823.20.0222002.09.15241911.280.961561971870.0232002.09.25261491.181.721581994490.0252002.10.05228271.2

9、40.916120535.50.0222002.10.15278221.250.671602063390.0282002.10.25291001.250.671642072670.0303.1.4 使用效益（1）該公司的脫氫反應裝置在運行的4400小時內，出口氫含量均小于50ppm，反應器床層阻力降基本保持在0.03Mpa，床層溫升均在50左右。（2）該公司的CO2原料氣中有約1ppm的總硫，由于多種原因，未上精脫硫裝置，TH-3脫氫催化劑可使用12年。（3）脫氫裝置為該公司尿素系統創造經濟效益：鎮海煉化年產尿素52萬噸， TH-3脫氫催化劑用量0.93m3 噸尿素節氨1.5kg則年節氨520

10、000×1.5/1000=780噸設每噸氨售價1500元，每年產生的價值為780×0.15=117萬元 一次投資（設備費、工藝安裝及催化劑費）為64萬元產生的經濟效益分別為：117-51 = 66萬元 （51萬元為年消耗費，包括每年的設備折舊費，催化劑消耗，加熱冷卻能耗及人工費等）。3.2 在川化集團第二化肥廠中的應用（天然氣制氣） 脫氫流程圖（見圖二）：壓縮機一段出口 脫氫塔空氣壓縮機三段壓縮機二段 CWCWCWCW壓縮機四段圖二 川化集團第二化肥廠尿素脫氫流程圖 流程介紹該公司尿素年生產能力60萬噸，CO2原料氣氫含量約1.0%，CO2原料氣經過日本三菱公司產無油潤滑壓

11、縮機一段、二段壓縮，與補加的適量空氣一起進入壓縮機三段，三段出口設計壓力經壓縮機壓縮到8.0MPa，溫度164，然后進入脫氫反應器（內徑1800mm，高1600mm，內裝TH-3催化劑2.0m3），進行催化脫氫反應，將原料氣中的H2含量脫除至50ppm以下，合格后進入壓縮機繼續壓縮，最后進入尿素合成工段。采用北京分析儀器廠產3400型氣相色譜儀，熱導檢測器，高純Ar為載氣，用于分析CO2原料氣中的O2、N2、CH4、He 、H2（H2的最低檢測限<70ppm）；四川儀表九廠產SC-200型氣相色譜儀，用于分析CO2原料氣中CO、CO2。3.2.3 使用情況（操作數據見表二）表二、TH-3

12、脫氫催化劑的工業操作數據參數日期入口溫度()出口溫度()入口氧含量(%)入口氫含量(%)出口氫含量(%)2004-2-27136.92155.910.511.00未檢出2004-5-17135.41157.760.511.00未檢出2004-6-2143.90159.580.521.00未檢出2004-8-26151.19176.820.500.98未檢出2004-10-13138.86150.170.550.99未檢出2004-10-28141.40160.200.541.10未檢出2005-2-6147.17163.600.490.95未檢出2005-3-7144.20171.800.55

13、1.00未檢出2005-4-5147.00176.000.501.10未檢出2005-4-6146.20172.900.490.92未檢出2006-2-14148.31177.580.491.00未檢出2006-3-10147.20170.000.520.96未檢出2006-4-5148.00173.000.501.09未檢出2006-10-9143.00172.000.490.92未檢出注：表中未檢出表示H2含量<70ppm 使用效益（1）以上數據可以看出,催化運行效果十分理想，脫氫塔出口氫含量低，現有分析數據顯示均為未檢出（即<70ppm）。經過近三年時間的運行，催化劑的性能仍

14、很穩定，2005年1月對脫氫催化劑進行了檢查，結果顯示脫氫催化劑無明顯粉化，經過重新裝填、過篩，現運行效果良好，阻力也很低（<0.05MPa）。（2）天然氣制氣的CO2原料氣中總硫<0.1ppm ， TH-3催化劑的使用壽命已超過3年，雖然活性還相當好，但考慮到生產的安全性，于2006年6月更換了一爐新的催化劑。3.3 在四川美豐化工有限公司中的應用（天然氣制氣） 脫氫流程圖（見圖三）圖三 四川美豐化工有限公司尿素脫氫流程圖流程介紹該公司一套年產15萬噸尿素的生產裝置2000年6月投產，氫氣含量約1%，本裝置采用了湖北省化學研究所氣體凈化中心開發研制的TH-2脫氫催化劑，其流程為來

15、自脫碳工段的原料二氧化碳氣，配入適當空氣后經二氧化碳壓縮機升壓至14.5MPa進入高壓二氧化碳加熱器，經殼側高壓蒸汽加熱至140150后進入脫氫反應器，溫度升至170190，氫含量降至300ppm以下，再經高壓二氧化碳冷卻器冷卻，溫度降至105110后去二氧化碳汽提塔。 使用情況（操作數據見表三）表三 脫氫催化劑工業應用數據日 期入塔溫度出塔溫度進出塔壓差MPa入塔氫含量ppm出塔氫含量ppm2000.08.20150.1182.50.0296751852000.09.15150.2181.20.0316458902000.10.21150.0184.30.02971431452000.11.

16、25148.3182.20.0306925972000.12.18150.0180.10.0316270752001.01.16150.2183.30.03068961252001.02.19151.2180.50.03061041132001.03.20150.5182.00.02965621232001.04.21150.3181.80.03065601082001.05.22145.6170.90.03155912202001.06.20147.9172.70.02957132252001.07.20150.2175.60.0305235218以上結果表明：（1）TH-2型脫氫反應器溫升

17、一般在2535左右，H2可脫至300ppm以下，其脫氫活性較理想，有效地防止了合成尾氣進入爆炸范圍，確保了裝置安全運行。（2）催化劑床層阻力長期穩定在0.031MPa以下，表明該催化劑無粉化現象，其強度較好。（3）由于原料CO2氣中的氫含量不是很高，因此入塔溫度不需控制太高(一般在140150左右)，即可將H2脫至工藝指標(300ppm)，這樣也可延長脫氫催化劑的使用壽命。（4）2001年5月份以后，由于脫氫副線閥有內漏，少量原料CO2未走脫氫系統，致使出塔氫含量有所上升。TH-2脫氫催化劑使用了超過6年時間，脫氫效果較好，為安全生產起到了重要作用；同時可降低氨耗0.51.5kg/tUr，有著

18、顯著的經濟效益。3.4 在張家港華昌化工有限公司中的應用（煤制氣）3.4.1 脫氫流程圖（見圖四）： 110250精脫硫后CO2原料氣凈化后CO2氣 加熱器 脫氫反應器 冷卻器圖四 張家港華昌化工有限公司尿素脫氫流程圖3.4.2 流程介紹該公司的尿素年生產能力15萬噸，CO2原料氣氫含量0.50.6%，JTL-1常溫精脫硫放在壓縮即二段出口保證總硫<0.1ppm（HC-2型微量硫分析儀對精脫硫系統進行監測），然后氣體從壓縮機五段出來（壓力15.5MPa），進入再脫氫反應器（內徑1800mm，內裝TH-3催化劑0.4m3）。再提溫使氣體溫度達到脫H2催化劑所需溫度110250，而后進入脫氫

19、反應器，出脫H2反應器的CO2氣中殘余氫含量<50ppm。出反應器的熱CO2氣經冷卻后去CO2壓縮機或直接送往尿素二氧化碳氣提塔。3.4.3 使用情況TH-3脫氫催化劑運行平穩，溫升明顯，開車2年3個月后溫升逐漸減小，2007年11月脫氫催化劑更換一次，運行至今效果良好。由于氫分析方法的局限，在開車時測定了一些數據，脫氫催化劑溫升比較平穩，操作數據見表四。表四 TH-3脫H2催化劑操作數據日 期入塔溫度，出塔溫度，入塔氫含量，ppm出塔氫含量，ppm進出塔壓差，KPa2005-7-21621815300未檢出272005-10-221601785200未檢出282006-1-271621

20、765000未檢出302006-4-241721805100未檢出312006-7-10185186545035312006-10-25162182570038332007-1-26168183495045322007-4-26169175480053312007-7-26175178447065352007-10-26185186412083352008-1-261621815020未檢出342008-3-261651804830未檢出352008-5-261701824580未檢出362008-7-261751835220未檢出362008-9-261781855200未檢出373.4.4 使用效益1）從上表可以看出：華昌公司尿素CO2脫H2后氣體中H2含量最高達83ppm。尿素CO2脫H2通用的標準是將H2脫除至50ppm，實際工廠操作中為了延長脫H2催化劑的壽命，降低操作費用，將H2含量提高至50ppm以上甚至達100ppm。根據計算CO2氣體中H2含量達到100ppm時，