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前言
从1970年开始,大颗粒尿素造粒工艺经国外工程技术公司的研发有了较大的发展并形成了各自的专利技术,其中具有代表性的工艺技术有挪威海德鲁公司的雾化流化床造粒工艺、日本东洋工程公司的喷射流化床造粒工艺、美国田纳西流域管理局的料帘涂布法造粒工艺、埃尼农用化学公司的双降幕转筒造粒工艺、挪威海德鲁公司的高温盘式成粒工艺、法国卡尔滕巴赫-蒂林有限公司的转鼓流化床造粒工艺等。与转筒、盘式及转鼓等造粒工艺相比,流化床造粒工艺具有生产能力大的特点,能够与大型化的尿素合成装置相配套,是世界上大颗粒尿素造粒工艺的主流。
根据笔者在设计规模为1 000 t/d日本东洋工程公司喷射流化床尿素造粒装置上的生产经历,现就该工艺探讨如下。
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发展概况及国内应用业绩
该工艺研发前期为流化床造粒技术,试验装置规模为50 t/d,后扩建为200 t/d,1979年获得专利授权。采用该造粒技术的第1套工业化生产装置于1983年在新西兰卡普尼石油化学公司建成投产,设计生产能力470 t/d,原料为质量分数99.7%的尿素溶液[1]。到目前为止,在世界范围内采用该技术建成18套装置,其中8套采用改进后的喷射流化床造粒工艺,最大设计生产能力为3 460 t/d的生产装置于2010年在伊朗设拉子建成投产[2]。
该技术在国内的应用业绩如下:
(1) 1997年10月,中石油宁夏石化公司改扩建工程1 740 t/d大颗粒尿素装置采用TEC工艺技术,并首次采用质量分数95%的尿素溶液为原料。该装置于1999年9月投产,投产后因产品水分含量高而增设二段蒸发系统。
(2) 1999年5月,四川泸天化(集团)有限责任公司在二尿车间改扩建2 000 t/d大颗粒尿素造粒装置采用该技术,于2000年6月投产。
(3) 2002年,云南云维集团沾益化肥厂由塔式造粒改为600 t/d大颗粒尿素造粒装置采用该技术。
(4) 2006年,中石油宁夏石化公司二化肥扩能改造项目新增1套870 t/d大颗粒尿素装置采用该技术。
(5) 2007年12月,山西兰花科技创业股份有限公司采用该技术新建的1 000 t/d大颗粒尿素装置投产。
(6) 2010年5月,中石油塔里木石化公司采用该技术新建的2 640 t/d大颗粒尿素装置建成投产。
日本东洋工程公司喷射流化床尿素造粒装置工艺流程如图 1所示。
图 1
来自一段蒸发分离器质量分数为96%的尿素溶液在熔融泵出口管线上的尿液静态混合器内与加入的质量分数37%甲醛溶液混合,然后经调节阀PV607将压力调整至0.8~1.2 MPa后通过喷嘴送入造粒机内。进入造粒机的尿素溶液在自身压力和132 ℃喷射风的作用下喷洒至造粒机多孔板上正处于流化状态的尿素晶种表面迅速冷却并凝固,同时尿素溶液中的水分被蒸发。尿素晶种在流化床各级间传送,经过相连的三级造粒床和多个喷嘴的作用不断长大形成大颗粒尿素。成粒后的尿素颗粒在造粒机冷却室内被冷却至85℃后经造粒机出口振动给料机被送至称重皮带,疤块尿素由溜管进入地池,其余尿素颗粒和造粒机溢流口出来的尿素直接被送至称重皮带,再经斗提机进入筛分装置。
经筛分分离出粒径符合要求的大部分尿素颗粒通过产品冷却器冷却至45 ℃以下后经包装入库,其余尿素颗粒与筛分分离出的超大颗粒尿素经超大颗粒冷却器冷却后进入破碎机,被破碎后与筛分分离出的细小颗粒尿素一起被送入造粒机作为造粒晶种。疤块尿素被筛分至平面筛尾部,由溜管进入地池溶解后回收至蒸发系统。造粒机、超大颗粒冷却器、产品冷却器内的尿素粉尘随气相由洗涤引风机抽至粉尘洗涤器,而称重皮带、斗提机、平面筛、破碎机等处排出的含尿素粉尘气体由除尘风机抽入粉尘洗涤器。所有含尘气体在粉尘洗涤器内与质量分数48%的尿素水溶液在填料床上逆流接触,再用工艺冷凝液洗涤回收,洗涤后尾气由洗涤引风机抽至造粒放空筒放空。粉尘洗涤器内的洗涤液经循环增浓后送至造粒装置一楼地池,用于溶解造粒机出料中的少量疤块尿素和来自筛分装置的疤块尿素,然后被地池回收泵送至尿液槽与新鲜尿液混合后再次蒸发。
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技术特点
20世纪90年代末,日本东洋工程公司进一步改进了造粒机的设计,将喷射床与流化床相结合的喷射流化床应用于造粒机中,以降低能耗、提高产品颗粒质量。进入喷射床的空气使晶种保持悬浮状态,出雾化喷嘴的尿素溶液喷涂包覆在悬浮的晶种表面,即颗粒的包覆是一个喷淋液在晶种四周逐层反复包涂-冷却的过程,故颗粒逐层长大。由于进入造粒机的空气不仅形成喷射床,而且流化床也促进颗粒的冷却和干燥,故可以将质量分数96%的尿素溶液送入造粒机得到颗粒产品。
日本东洋工程公司喷射流化床尿素造粒装置具有以下技术特点:
(1) 造粒喷嘴采用一般压力式喷嘴,结构简单,数量少,单台处理能力大,不易堵塞结疤,操作弹性大。
(2) 流化床内的晶种依次在串联的小室内被喷射的尿素溶液液滴包裹而长大,且流化床层较薄,有利于粒子的形成,造粒时间较短,造粒效率高,生产能力大[2]。
(3) 正常生产时,通过调节返料比(0.5~1.0)即可生产出合格的产品,其生产控制方案可靠、简单;当生产负荷发生变化时,只需增减运行喷嘴的数量即可[2]。
(4) 尿素溶液利用自身压力通过喷嘴喷射,无需压缩空气进行雾化,热空气流量和压力低,故能耗较低;晶种在较高的温度(接近85 ℃)下循环,实现对冷却空气和移除热量需求的最小化;独特设计的填料床型除尘器压降较小,因此引风机能耗较低。
(5) 造粒生产负荷在40%~100%范围时,造粒机内流化床床层高度仅400~650 mm,较低的床层高度使造粒机的压力降仅为53.33 kPa;由于流化床阻力小,所需流化空气的风机压力低,因此电耗较低。
(6) 喷射及流化的气体不仅带走了尿素的凝固热,而且使喷射的尿素液滴及颗粒尿素中所含的水分得到蒸发,具有冷却和干燥的双重作用;尿素溶液或熔融尿素进料干燥固化迅速,停留时间短,缩二脲的生成可以忽略不计;晶种颗粒在造粒过程中悬浮在喷射床上,喷射床与流化床的最佳组合有利于生产出圆润、均匀的颗粒;优化的喷射床气速减少了造粒机内粉尘的生成量。
(7) 造粒机、粉尘洗涤器等均为静止设备,无运转磨损部件,可长期运行;转动设备中的风机等为离心式设备,运行周期长,且介质为空气,无磨损和腐蚀;斗提机、振动筛、破碎机等运行条件较温和,可靠性取决于设备质量。因此,造粒装置年运行330 d是有保障的[2]。
(8) 喷射床和通过造粒机自由板区域的最佳气流速度使造粒机中的粉尘形成最小化;粉尘回收采用集中收集和高效湿式洗涤吸收,排放尾气中尿素粉尘质量浓度小于30 mg/m3(标态),实际运行中的监测值在12 mg/m3(标态)以内。洁净的排放尾气不仅可以减少损失,而且满足了环境保护的要求。
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主要工艺指标和参数
日本东洋工程公司喷射流化床尿素造粒装置吨尿素工艺消耗指标(产品规格为Ф 2.00~4.75 mm大颗粒尿素)、工艺控制指标以及成品尿素指标如表 1~表 3所示。
表 1
项目 |
指标 |
质量分数96%尿素溶液/kg |
1 061.8 |
质量分数37%甲醛溶液/kg |
12.5 |
0.35 MPa低压蒸汽/kg |
60 |
工艺水/kg |
180 |
冷却水/kg |
580 |
返回尿素溶液/kg |
93.5 |
电/(kW·h) |
30.4 |
表 2
项目 |
指标 |
一段蒸发压力/MPa |
0.033 |
一段蒸发温度/℃ |
132 |
造粒机压力/kPa |
-0.5~-0.2 |
造粒机温度/℃ |
110~118 |
流化风压力/kPa |
2.5~3.2 |
流化风温度/℃ |
40~75 |
喷射风压力/kPa |
2.7~3.5 |
喷射风温度/℃ |
130~135 |
表 3
项目 |
指标 |
喷头压力/MPa |
0.8~1.2 |
成品夏季最高温度/℃ |
43 |
成品冬季最高温度/℃ |
26 |
w(N)/% |
46.5 |
w(水分)/% |
0.43 |
w(缩二脲)/% |
0.83 |
w(甲醛)/% |
0.53 |
Ф 2.00~4.75 mm颗粒质量分数/% |
93.4 |
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主要设备
日本东洋工程公司1 000 t/d喷射流化床尿素造粒装置主要设备(只包含造粒装置的动、静设备,不含蒸发、甲醛装置的设备)如表 4所示。
表 4
日本东洋工程公司1 000 t/d喷射流化床尿素造粒装置主要设备
类别 |
名称 |
规格、型号 |
数量 |
流化床 |
造粒机 |
11 850 mm×3 300 mm×10 700 mm |
1台 |
超大颗粒冷却器 |
1 900 mm×550 mm×3 800 mm |
2台 |
产品冷却器 |
8 500 mm×2 000 mm×5 230 mm |
1台 |
贮槽 |
粉尘洗涤器 |
8 000 mm×8 000 mm×11 000 mm×8 mm,V=704 m3 |
1台 |
破碎机料斗 |
V=4 m3 |
2只 |
开车贮斗(晶种筒仓) |
Φ 2 000 mm×4 000 mm,V=12.5 m3 |
1只 |
地槽 |
7 000 mm×3 000 mm×2 100 mm×8 mm,V=44.1 m3 |
1座 |
放空筒 |
Φ 3 100 mm×50 000 mm,δ=12 mm |
1座 |
换热器 |
流化风加热器 |
F101A,1 600 mm×1 600 mm×1 800 mm,S=740 m2 |
2台 |
F101B,1 700 mm×1 700 mm×1 500 mm,S=470 m2 |
喷射风加热器 |
2 100 mm×2 150 mm×2 300 mm,S=1 365 m2 |
1台 |
风机 |
流化风机 |
Q=212 180 m3/h,电压6 kV,功率800 kW |
1台 |
喷射风机 |
Q=44 052 m3/h,电压380 V,功率160 kW |
1台 |
洗涤引风机 |
Q=481 700 m3/h,电压6 kV,功率800 kW |
1台 |
冷却风机 |
Q=145 597 m3/h,电压6 kV,功率250 kW |
1台 |
除尘风机 |
Q=7 713 m3/h,电压380 V,功率22 kW |
1台 |
泵 |
洗涤循环泵 |
Q=720 m3/h,H=36 m,功率132 kW |
2台 |
地池回收泵 |
Q=15 m3/h,H=40 m,功率5.5 kW |
2台 |
粉体输送设备 |
破碎给料机 |
给料能力6.25 t/h,功率1.5 kW |
2台 |
辊式破碎机 |
4PGH250×1300,破碎能力7 t/h,功率22 kW×4 |
2台 |
斗提机 |
能力120 t/h,电压380 V,功率30 kW |
1台 |
振动筛给料机 |
给料能力60 m3/h,功率0.75 kW |
2台 |
振动筛(平面旋转筛) |
生产能力60 m3/h,筛网2层,功率7.5 kW |
2台 |
超大颗粒尿素振动给料机 |
给料能力30 m3/h,功率0.18 kW |
2台 |
造料机出料器 |
能力88 t/h,功率0.75 kW |
1台 |
开车贮斗振动器 |
能力50 t/h,功率0.75 kW |
1台 |
称重皮带 |
输送能力100 100 m3/h,带宽1 000 mm,功率5.5 kW |
1台 |
产品输送机 |
输送能力50 t/h,带宽650 mm,功率18.5 kW |
1台 |
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改进措施
与塔式造粒工艺相比,流化床造粒工艺的生产成本相对较高。若能在现有工艺的基础上加以改进,以减少投资、降低成本、提高产品质量,则可获得良好的经济效益和社会效益。
(1) 通过造粒机和喷嘴的改进,提高喷头雾化效果,以降低成品水分含量和返料比(循环量与最终产品之比)、减少超大颗粒和粉尘量、提高尿素产品的成粒率,有助于降低斗提机、筛分系统和破碎机的负荷,从而进一步降低电耗。
(2) 原设计甲醛经计量泵计量后送至熔融泵出口管线上的尿液静态混合器内与尿素溶液混合,其存在的问题:①计量泵打液量不稳定或注入处止逆阀关闭不严时,极易造成尿素溶液倒流而堵塞甲醛管道且不易疏通;②受熔融泵和计量泵出口压力差波动的影响,造成甲醛加入量不稳定。在实际生产中可以取消混合器和甲醛计量泵,将甲醛储槽置于与一段蒸发器同一水平面的主框架四楼(即+19 m平面),利用静压通过甲醛流量调节阀将甲醛加至尿液泵进口,这不仅够能利用尿液泵将甲醛与尿液充分混合,少开2台动设备,而且甲醛与尿液混合后经一段蒸发器脱除水分再进入造粒机,减轻了造粒机负荷。该方案的缺点:①当甲醛大量加入时易造成尿液泵出现气缚,故改造后投加甲醛应缓慢,忌大幅度调节;②一段蒸发气相冷凝液中含有微量甲醛,造成解吸废液COD升高。
(3) 原设计上箱体上部空间悬挂不锈钢丝网以防止顶部结块尿素脱落而砸坏造粒喷嘴和多孔板,在实际运行过程中予以拆除。其原因:①造粒机长期运行后,造成部分不锈钢丝网堵塞,增大了阻力,影响造粒机的真空度;②由于床层与床层间的隔板较低,即使运行中顶部结块尿素脱落,也会被流化风从造粒机出口吹出。
(4) 造粒机出口采用振动器和溢流管相结合的方式出料,出料流入称重皮带,然后经斗提机提升送入平面筛,粉尘块和爆米花状结晶尿素均经过平面筛进入地池,这就增大了平面筛的运行负荷,且因造粒机出料温度较高(约85 ℃),会缩短称重皮带和斗提机皮带的使用寿命。建议借鉴其他流化床造粒装置的经验,在造粒机出口处增设1台安全筛,把粉尘块和爆米花状结晶尿素直接送入地池,成品、晶种、大颗粒尿素经安全筛进入冷却器,冷却至45~50 ℃后再经斗提机提升送入平面筛。
(5) 流化风加热器和喷射风加热器布置位置太低(在一楼),造成冷凝液回水不畅,会对管道产生液击。2010年,通过提高加热器进口蒸汽调节阀位置,保证蒸汽由高到低进入加热器,同时降低蒸汽冷凝液的回水阻力,使液击问题得到解决。当然,在设计新建项目时,可以将流化风加热器和喷射风加热器安装于8~13 m平面,使蒸汽冷凝液的回水借助位差顺利流回布置在尿素主框架的蒸汽冷凝液槽。
(6) 因粉尘洗涤槽位置低于洗涤循环泵,每次倒泵时都需在备泵进口灌入引水。新建装置可以将循环槽布置在洗涤泵之上,倒泵时就不需要灌入引水。
(7) 流化床造粒设计的初衷是采用质量分数95%~97%的尿素溶液作为原料,尿素溶液只需经过一段蒸发浓缩即可,从而省去二段蒸发浓缩系统,不仅可节省二段蒸发加热和抽真空所消耗的蒸汽,减少二段气相冷凝所需的冷却水,简化流程,节省投资,而且工艺冷凝液量也相应减少,水解和解吸负荷也有所降低。但仅山西兰花科技创业股份有限公司和中石油塔里木石化公司采用一段蒸发,且均对一段蒸发系统进行了扩容。
(8) 与其他流化床造粒工艺相比,由于造粒机高度较高,清洗比较费时费力。是否可降低造粒机上箱体的高度,仍有待论证。
(9) 开车料仓内放的是粒度小的晶种,开车后需经过较长的时间才能得到要求粒度的产品,即采取延迟开启造粒机出口振动给料器的措施,让造粒机出料全部通过溢流进行循环,延长晶种在造粒机内的停留时间。为此,可以在平面筛成品出料管至晶种筒仓增设管线,在刚开车时将粒度偏小的尿素产品送入筒仓,粒度达标后再转入成品溜管。
(10) 北方冬季大雾天气易出现各风机进口滤网结冰堵塞问题,造成风量下降。根据该情况,可选用目数稍小的进口滤网并在滤网前增设蒸汽伴管,以提高此处的空气温度,防止潮气在滤网上因低温而结冰。
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结语
综上所述,日本东洋工程公司的喷射流化床尿素造粒工艺先进、成熟、可靠,流程和设备简单,但建成装置不多,特别是采用质量分数95%的尿素溶液为原料的装置较少,故仍需进行技术改进以提高喷头雾化效果,降低尿素成品水分含量并提高产品粒度合格率。