部分料浆转鼓造粒与熔体塔式造粒的工艺比较

Comparison of Partial Slurry Drum Granulation Process and Melt Prilling Process

孟亚利 Yali MENG , 吴爱国 Aiguo WU

上海化工研究院上海 200062 Shanghai Research Institute of Chemical Industry Shanghai 200062

摘要：

介绍了部分料浆转鼓造粒工艺和熔体塔式造粒工艺的成粒原理和生产流程，以及尿素熔融和尿液输送过程中控制缩二脲含量的方法。熔体塔式造粒装置投资较大，产品无需进行干燥，单位产品能耗较低；部分料浆转鼓造粒装置投资较小，产品需进行干燥，单位产品能耗较高。前者适合生产高氮复混肥，而后者适合生产w(N)≤20%的复混肥，2种工艺在产品规格上互为补充，企业应结合自身情况、资金状况及目标销售市场要求选择合适的工艺路线。

关键词：

部分料浆转鼓造粒; 熔体塔式造粒; 比较;

Abstract：

An introduction is given to granulation principle and production flow of partial slurry drum granulation process and melt prilling process, and control method of biuret content in urea melting and urea melt conveying process. The investment of melt prilling tower device is larger, its product does not need dry, and energy consumption per unit product is smaller; while the investment of partial slurry drum granulation device is smaller, but its product needs dry, and energy consumption per unit product is higher. The former is suitable for production of high nitrogen fertilizer, and the latter is suitable for production of low or middle content of nitrogen fertilizer [w(N)≤20%], these two technologies complement each other in product specification. Enterprises should select appropriate process according to its own circumstance, capital position and requirement of target sales market.

Keyword：

partial slurry drum granulation; melt prilling process; comparison;

针对尿素(尿液)-磷酸铵-氯化钾体系，由上海化工研究院研发的部分料浆转鼓造粒及熔体塔式造粒成套工程技术分别于1998年和2004年在国内生产装置上得到成功应用，标志着国内复混肥工艺生产技术进入到一个新的阶段^[1-6]。这2项技术各有其特点，在选择时应结合现场情况综合考虑。

1 部分料浆转鼓造粒工艺

1.1 成粒原理

复混肥转鼓造粒过程原理可分为团聚成粒和涂布成粒两大类。

团聚成粒：粉状肥料的团聚成粒是靠肥料盐类自身产生的溶液在一定水分含量和温度下形成液相量，将粉粒表面润湿，物料在翻动料床中相互挤压与摩擦作用下，团聚成一定粒度分布的物料，然后通过干燥形成具有较高机械强度的颗粒，再经冷却、筛分得到粒度符合《复混肥料(复合肥料)》(GB 15063—2009)要求的成品，大颗粒破碎后与细粉一起返回转鼓造粒机内重新造粒。

涂布成粒：料浆喷涂在造粒物料表面，形成厚度均匀且含水量适宜的薄膜，通过干燥使其中的水分蒸发；经反复涂布和干燥，颗粒层层增厚长大，最后经冷却、筛分得到物性良好、化学组成均匀的成品颗粒，大颗粒经破碎后与细粉一起作为返料返回造粒机。

部分料浆转鼓造粒过程中既有团聚成粒的特点又兼有涂布成粒的作用，操作过程中具有如下特点：①成粒率高，返料少；②产品颗粒外观圆润，抗压强度较高；③利用尿液在造粒过程中释放出的结晶热来提高造粒温度，可降低蒸汽消耗量，利于降低能耗。

1.2 转鼓造粒过程的影响因素

1.2.1 液相量

在转鼓造粒过程中，造粒原料必须具有适当的黏附性和流动性，这就要求具有一定的液相量。对于尿素、磷酸铵及氯化钾等水溶性盐类肥料，其液相量与溶解度呈正相关，溶解度随温度升高而增大，增加水分含量和提高温度都能使液相量增加。因此，根据原料种类，造粒过程应在适当的水分含量和温度范围内进行，针对某一特定的肥料体系选择合适的操作条件，方能取得良好的造粒效果。

1.2.2 盐类的化学反应

部分盐类在造粒时会产生化学反应，使水溶性低的化合物转变为水溶性高的化合物，有利于提高造粒物料成粒率。如尿素-磷酸铵-氯化钾混合物中，用磷酸一铵作为磷素来源时，磷酸一铵本身的溶解度较低，不能提供足够的液相量，造粒时较难与其他物料团聚成粒。此时可在配料中加入少量碳酸氢铵(或在造粒过程中通氨), 使部分磷酸一铵与碳酸氢铵(或氨)反应生成磷酸二铵，控制造粒物料的NH₃与H₃PO₄物质的量比在1.35~1.50(图 1)，相应的pH在6.0~6.5。

图 1

NH₃-H₃PO₄-H₂O体系的溶解度

1.2.3 造粒原料的破碎作用

在造粒过程中，由于一般盐类达到饱和需要一段时间，故固体盐类的液相溶解速率是值得考虑的问题。在成长初期, 粒子处于固体、液体和空气相互作用的低密度成核阶段；在后期，由于料层的挤压和温度升高，使其中固体盐类向液相中溶解而达到该温度下的饱和状态，从而形成含有液固两相并由表面张力而连结在一起的颗粒。因颗粒在造粒机内的停留时间仅10 min左右，因此，加快固体物料的溶解速率往往是提高造粒效果的重要措施之一，这可通过提高原料的比表面积来实现，即必须将造粒原料先破碎至某一个粒度后再送入造粒机。

1.2.4 提高造粒温度的方法

(1) 蒸汽在相变过程中转变成冷凝水并释放出潜热，可提升造粒温度，其特点是在不改变基础原料配比的情况下获得所需热量。通过调节蒸汽用量以改变造粒机床层的温度和湿含量，可使造粒机出口成粒物料的化学组成保持稳定。

(2) 在造粒过程中添加硫酸、磷酸、氨等物料，利用化学反应热提升造粒温度，可在不增加水分含量的情况下获得所需热量。

(3) 尿素在温度120~140 ℃下能制得高浓度溶液或熔体，在造粒过程中加入尿液，利用其释放出的结晶热以获得所需热量。

1.3 工艺流程

部分料浆转鼓造粒工艺流程见图 2。

图 2

部分料浆转鼓造粒工艺流程

原料尿素拆包后经提升机送至振动筛，筛除杂物后送入尿素贮斗，然后经计量进入熔融槽，熔融后的尿液泵送至造粒机。粉状磷酸铵、氯化钾、填充料等分别进入对应的原料贮斗，然后经计量皮带输送机计量后与返料一起进入造粒机。在造粒机内，物料按一定的轨迹运动，在挤压、摩擦力的作用下团聚形成颗粒。造粒机料层上方设有尿液和水喷管，料床中埋有蒸汽喷管。出造粒机的物料(温度约为60 ℃，含水质量分数在2.5%~3.5%)经皮带输送机送入干燥机，由升举抄板升举抛撒在干燥机的空间，使物料与来自燃烧炉的热气流充分接触，完成物料的脱水干燥过程。干燥后的物料由提升机送至大粒筛，得到的粒度大于Φ 4.5 mm的大颗粒经破碎机破碎后返回造粒机，粒度小于Φ 4.5 mm的颗粒进入成品筛。经成品筛得到的粒度小于Φ 2.5 mm的颗粒返回造粒机，筛出的Φ 2.5~4.5 mm的成品送至冷却机，经室温空气冷却至45 ℃左右后送至成品料斗，再经计量、包装后入库。

来自造粒机、干燥机、冷却机的含有少量肥料粉尘和烟尘的尾气经干法除尘后由风机送至洗涤器，经湿法除尘后达标排放。干法除尘得到的固体物料经返料皮带输送机返回系统；湿法除尘得到的洗涤液进入沉降池，一部分自身循环，其余作为造粒工艺用水。

2 熔体塔式造粒工艺

2.1 成粒原理

根据尿素与氯化钾可形成低共熔物的特点，可制得具有良好流动性的熔体料浆。该熔体料浆通过特制的差动造粒装置喷洒在造粒塔的圆形截面中，料浆流体在运动过程中断裂成液滴，在重力和浮力作用下自然降落并与造粒塔内上升的常温空气逆向接触以进行传热及传质，自身得到冷却并自动收缩成球形固体颗粒，即可得到颗粒状尿基复混肥产品。

熔体塔式造粒工艺过程的特点：①产品化学组成均匀，成粒率高；②颗粒表面光滑、圆润；③无需干燥过程，大大降低了能耗。

2.2 工艺流程

熔体塔式造粒工艺流程见图 3。

图 3

熔体塔式造粒工艺流程

原料尿素拆包后经提升机送至振动筛，筛除杂物后进入尿素贮斗，然后经计量进入熔融槽，熔融后的尿液送入混合槽。粉状氯化钾、磷酸一铵和填充剂分别进入对应的贮斗，然后经原料筛去除大颗粒并经计量后进入加热器，加热后的物料进入混合槽与尿液充分混合，出混合槽的氮磷钾熔体料浆进入差动造粒机。从造粒塔塔顶喷洒下来的熔体料浆通过空气冷却后凝固成固体颗粒，在塔底收集后经皮带输送机输送至冷却机，颗粒肥料得到进一步冷却后由提升机送至成品筛，成品分级后送入包裹机进行防结块处理，再经包装后送至成品库。含有少量肥料粉尘的冷却尾气经干法除尘后达标排放。

3 尿液输送及固体尿素熔融过程中缩二脲含量的控制

缩二脲是由尿素的异构化作用形成，其生成速率与温度、停留时间等因素密切相关，温度越高、停留时间越长，缩二脲的形成速率越快。肥料中缩二脲含量过高对农作物的生长、发育会产生危害，因此，国家对尿素及尿基复混肥中的缩二脲含量作出了规定。上述2种工艺流程均涉及到尿液输送及固体尿素熔融过程，故在设计及操作过程中须严格控制缩二脲的含量，确保产品不对农作物产生危害。

(1) 尿液输送

对于尿素生产企业，可直接从尿素生产装置引出温度为120~140 ℃、质量分数为95%~99%的尿素溶液送入复混肥生产装置。在设计时，应尽量缩短尿液输送距离、停留时间；在操作过程中，尿液输送管的保温蒸汽温度略高于尿液温度即可，以避免尿液温度在输送过程中大幅上升。

(2) 固体尿素熔融

固体尿素的熔融应采用快速熔融设备，以缩短尿液的停留时间；同时，尿素溶液温度应控制在120~140 ℃，质量分数控制在95%~99%。尿素可与多种物质形成低共熔物，如氯化钾、氯化铵等，在条件许可的情况下，在固体尿素熔融过程中添加上述物质，有利于降低尿素熔融温度，从而抑制缩二脲的生成。

4 工艺比较

以200 kt/a生产装置为例，熔体塔式造粒与部分料浆转鼓造粒工艺的比较见表 1。

表 1

熔体塔式造粒与部分料浆转鼓造粒工艺的比较

项目		熔体塔式造粒	部分料浆转鼓造粒
注：1)水的压力为0.35 MPa；电的规格为380 V，50 Hz；蒸汽压力为0.6 MPa；煤的热值约为23 000 kJ/kg。
设备投资/万元		约2 500	约1 500
生产车间占地面积/m²		约4 000	主车间单层4 000(其中加料区1 000) 主车间双层2 500(其中加料区1 000)
造粒返料比		0.0~0.3	1.5~2.0
能耗¹⁾	水/(t·t^-1)	少量	0.10
	电/(kW·h·t^-1)	20	20
	蒸汽/(t·t^-1)	0.10	0.04
	煤/(t·t^-1)		0.03
操作弹性		较大	大
产品规格调节能力		适合生产高氮[w(N)≥20%]的复混肥料，不宜生产中低氮规格产品	适合生产低中氮[w(N)≤20%]的复混肥料，不宜生产高氮规格产品
产品外观		颗粒光滑、圆润，中间带小孔，平均粒径约为Φ 2.3 mm	颗粒的光滑度和圆润度稍差，平均粒径约为Φ 3.0 mm
三废排放		无废水、废渣排放，含尘废气经处理后可达标排放	无废水、废渣排放，含尘废气经处理后可达标排放
技术成熟程度		国内已有上百套类似生产装置投运，技术成熟、可靠	国内已有几百套类似生产装置投运，技术成熟、可靠

5 结语

选择熔体塔式造粒与部分料浆转鼓造粒工艺技术时，需要考虑下列因素。

(1) 由于造粒塔投资较大，相同规模的熔体塔式造粒装置的投资较大，但无需干燥过程，单位产品能耗较低。部分料浆转鼓造粒装置投资较小，但需干燥过程，单位产品能耗较高。

(2) 熔体塔式造粒装置适合生产高氮复混肥，不宜生产中低氮规格产品。部分料浆转鼓造粒装置适合生产w(N)≤20%的复混肥，不宜生产高氮规格产品。2种工艺在产品规格上互为补充，生产企业应结合自身情况、资金状况及目标销售市场要求选择合适的工艺路线。

ckwx 参考文献

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