复合肥生产装置燃煤热风炉环保现状分析及改造方案

Analysis of Environmental Protection Status and Modification Scheme of Coal Fired Hot Blast Stove for Compound Fertilizer Production Unit

何指挥 Zhihui HE

河南心连心化肥有限公司河南新乡 453000 Henan Xinlianxin Fertilizer Co., Ltd., Xinxiang 453000, China

摘要：

从环保角度出发，对传统的复合肥生产工艺中存在的环境污染问题进行了分析，并借助氮肥-复合肥工业园区共有的资源，将燃煤热风炉加热空气改造为蒸汽通过换热器加热空气。改造方案实施后，实现了复合肥生产装置尾气中污染物的超低排放，具有显著的环保价值。

关键词：

燃煤热风炉; 改造; 复合肥;

Abstract：

From the view of protecting environment, the environmental pollution problems existing in traditional compound fertilizer production process are analyzed, and with the aid of shared resources in the nitrogen fertilizer and compound fertilizer industry park, the coal fired hot blast stove heating air is transformed into heating the air by steam through heat exchanger. After the implementation of modification scheme, the ultra-low emission of pollutants in the exhaust gas of compound fertilizer production unit is realized, which has significant environmental protection value.

Keyword：

coal fired hot blast stove; modification; compound fertilizer;

1 改造前情况

1.1 工艺流程

河南心连心化肥有限公司复合肥分公司现有3条150 kt/a旋转造粒生产线，其生产工艺流程为尿素、磷酸一铵、氯化钾、添加剂等原料按比例掺混后送入破碎机进行破碎，破碎后的物料送至造粒机中并喷入适量的蒸汽和水使物料黏结成粒，出造粒机的湿颗粒进入卧式旋转筒干燥机与热风逆向直接接触换热。热风热源由燃煤热风炉提供，所用燃煤为赵固块煤，含硫质量分数低于0.4%。正常情况下的燃煤热风炉炉膛燃烧温度在600~700 ℃，出炉膛的高温烟气进入尾部烟室，与吸入的冷风掺混后温度降至200 ℃以下，随后经烟道进入引风机；烟道上设置有冷风吸入口，通过调节冷风吸入量使进入干燥机的热风温度保持在170 ℃以下，短时生产全固体配方肥料时干燥温度需达300 ℃；经干燥机后携带粉尘的热风温度降至45~70 ℃，通过风机抽出后依次经旋风除尘器、重力沉降室、文丘里洗涤器，最后经由50 m高的烟囱排放。

1.2 工艺参数

干燥机进口热风温度170 ℃，当生产全固体配方肥料时为300 ℃(根据销售订单确定运行时间)，进口热风流量60 000~80 000 m³/h。单条生产线最大产能(只存在于个别配方，并取最好状态)27 t/h。吨复合肥耗煤量11 kg，燃煤热风炉平均耗煤量约120 kg/h，最大耗煤量300 kg/h，燃煤发热量约28 464 kJ/kg(6 800 kcal/kg)。平均年运行时间为7 560 h，参考历年耗煤量情况，3台燃煤热风炉平均年耗煤在2 750 t左右。煤炭价格按照810元/t进行计算，年燃煤成本约为223万元。

1.3 排放烟气检测数据

2016年10月，对复合肥装置外排尾气进行了检测，检测结果分别如表 1和表 2所示。

表 1

复合肥装置排放尾气检测数据

项目	烟道内	烟道外
注：1)检测仪器为德国菲索STM225型检测仪
烟尘质量浓度/(mg·m ^-3)
烟煤模式	25	22
褐煤模式	16	13
氮氧化物质量浓度/(mg·m ^-3)	＜10
烟气温度/℃	31
含氧体积分数/%	20.4
一氧化碳体积分数	7×10 ^-6

表 2

复合肥装置排放尾气中固体颗粒和气态污染物检测数据

滤筒	初始质量/g	采样后质量/g	净质量/mg	采样体积/L	烟尘质量浓度/(mg·m ^-3)
注：1)按照《固定污染源排气中颗粒物和气态污染物采样方法》(GB/T 16157—1996)采样； 2) 检测仪器为崂应3012H型自动烟尘(气)测试仪 3) 烟气流量约80 000 m³/h，氮氧化物、二氧化硫未检出，含氧体积分数20.9%； 4) 滤筒内部无可见杂质成分，增加的质量主要来自于干燥过程中携带的肥料细微颗粒及尿素挥发产生的气溶胶类物质
1^#	1.077 1	1.092 0	14.9	537.2	27.7
2^#	1.082 2	1.126 4	44.2	536.8	82.3
3^#	1.099 3	1.147 7	48.4	536.8	90.2

1.4 存在的问题

复合肥生产项目环评备案时的烟尘排放执行《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)，烟尘排放限值为120 mg/m³，原始设计烟囱高度为30 m，实际建成高度为50 m。2015年对环评进行了修订，将烟囱高度调整为50 m。2015年3月24日，新乡市环保局对项目组织了环保验收，验收标准为旋转造粒、烘干工段烟尘、二氧化硫、氮氧化物执行《工业炉窑大气污染物排放标准》(GB 9078—1996)，烟尘、二氧化硫排放限值分别为200 mg/m³和850 mg/m³，验收结论为合格，但并未明确是实测值合格还是折算值合格。根据GB 9078—1996规定，过量空气系数为1.7，换算成基准氧含量为8.6%(体积分数，下同)。

2015年，河南省颁布了地方标准《工业炉窑大气污染物排放标准》(DB41/ 1066—2015)，规定在用炉窑自2017年1月1日起，烟尘、二氧化硫以及氮氧化物的排放限值分别执行30，200和400 mg/m³，按照基准氧含量9%分别计算折算值。但因此次检测烟气中氧含量接近大气中氧含量，折算系数高达120，即使实测浓度降至超低排放标准也无法保证烟尘、二氧化硫和氮氧化物的折算值达标。

2 原因分析

针对复合肥装置存在的问题，其原因分析如下。

(1) 复合肥装置采用旋转造粒生产工艺，决定了系统处于常压下运行，干燥机采用开口进料、负压工作，不可避免要吸入大量的空气，从而造成氧含量升高。

(2) 热风炉耗煤量较少，产生的高温烟气与大量的冷空气掺混，大大稀释了燃煤产生的烟尘、二氧化硫和氮氧化物，再经干燥、旋风除尘、重力除尘、文丘里洗涤除尘等工序后，排放尾气中的污染物浓度已经很低，重量法检测的粉尘主要来源于干燥过程。

(3) 工业炉窑是指直接用高温烟气加热工质、与粉状物料间接接触、不用空气稀释，从严格意义上讲，旋转造粒工艺不应执行《工业炉窑大气污染物排放标准》，执行《大气污染物综合排放标准》更为合适。

3 改造方案

根据河南心连心化肥有限公司复合肥分公司的生产现状，制定了2种改造方案并分析了各自的优缺点。

3.1 方案一：燃煤改燃气

此方案是将燃料由燃煤改为燃气，即采用氮肥生产系统的弛放气作为燃料。燃煤改燃气通常采用燃烧机，具有自动化程度高、安全可靠的优点。结合湖南岳阳创新炉窑燃烧设备制造厂生产的设备，制定了燃煤改燃气方案。

3.1.1 主要参数

1 m³(标态)弛放气低位发热值15 069 kJ(3 600 kcal)，燃气燃烧器平均燃气消耗量为914 m³/h(标态)，动态燃气压力5~8 kPa，供热能力12 557 555 kJ/h(3 000 000 kcal/h)，燃气温度为常温，安装燃烧器1只，燃烧效率≥95%，单台燃烧器价格约7万元，供货周期20 d。

3.1.2 燃气成本

3台热风炉消耗弛放气2 752 m³/h，弛放气价格0.27元/m³，燃气成本约为743元/h，年燃气成本约562万元。

3.1.3 优缺点对比

优点：燃烧弛放气热效率较高，产生的烟尘、二氧化硫和氮氧化物浓度较低，利于环保达标。

缺点：改造难度较大，需对热风炉本体进行改造，铺设的管线较长，改造投资较大；弛放气属于危险气体，使用不当容易发生爆炸事故；燃气热风炉仍需按照GB 9078—1996执行，而旋转造粒工艺不可避免地要吸入大量空气，氧含量与大气基本相同，折算系数非常高，无法达到标准要求；受氮肥生产系统波动的影响大，一旦氮肥装置停车，弛放气停止供应，热风炉无法运行。

3.2 方案二：改蒸汽加热

3.2.1 改造流程及投资

使用压力为1.3 MPa、温度为190 ℃的饱和蒸汽通过翅片式换热器加热空气，将空气由常温(冬季最低-10 ℃)加热至170 ℃，50 000 m³/h(标态)的冷空气需消耗蒸汽6 t/h，需换热面积2 200 m²，换热后蒸汽变为190 ℃的饱和水，换热器尺寸为2 800 mm×2 000 mm×1 700 mm，空气侧阻力为450 Pa，3台翅片式换热器的价格约为40万元。

目前，河南心连心化肥有限公司复合肥分公司二分厂造粒使用压力为1.3 MPa、温度为220 ℃的过热蒸汽，3条生产线最大用汽量为8~9 t/h，改用同样压力的饱和水即可满足造粒要求，由此测算新增蒸汽耗量约9 t。蒸汽价格按照80元/t计，用汽成本约720元/h，换热后的饱和水返回除氧器，可抵消部分成本。

3.2.2 优缺点对比

优点：改造简单，改造工期较短；省去热风炉，污染物排放不必执行《工业炉窑大气污染物排放标准》，可按照现行的《大气污染物综合排放标准》执行，目前排放浓度符合标准要求；可以取消热风炉操作岗位，降低操作人员的劳动强度，改善作业环境；受氮肥生产系统的波动影响较小；资源可以回收利用，符合清洁生产要求。

缺点：受蒸汽温度限制，无法满足更高的热风温度要求，需增设电加热装置，生产全固体配方肥料时将热风温度由170 ℃提高至300 ℃，消耗电能1 511 kW。

3.3 改造方案的确定

方案二不仅使工业园区内的资源得到了合理利用，而且是清洁能源，蒸汽产生的冷凝液可循环利用。因此，利用2016年11月生产淡季停车检修机会，采用方案二进行了改造。

4 改造后运行情况

自2016年11月29日河南心连心化肥有限公司复合肥分公司一车间和二车间生产装置开车后，蒸汽换热器相继投入使用，各温度数据统计如表 3所示。

表 3

蒸汽换热器投运后温度数据统计

车间	肥料类型	生产配方	测温点	温度/℃
一车间	尿基配方	30-5-5	蒸汽换热器进口	160~165
		28-5-5	干燥机进口	130~136
		26-10-12	干燥机出口	43~57
	全固体配方	17-17-17S	蒸汽换热器进口	165~168
			干燥机进口	136~142
			干燥机出口	50~57
二车间	尿基配方	28-10-12	蒸汽换热器进口	160~165
		18-15-13	干燥机进口	130~136
			干燥机出口	43~57

由表 3可知，6个配方的复合肥分为尿基和硫基2种类型，除了全固体配方肥料17-17-17S外，其余均为尿基配方肥料。

生产尿基配方肥料时，蒸汽换热器的蒸汽进口阀开度约为2丝，平均台时产量在13 t左右，干燥机进口空气温度可达130 ℃以上，产品中水分质量分数可控制在0.38%~0.96%，平均控制在0.56%左右，产品颗粒强度在22.01~30.31 N/颗，达到指标要求。当水分质量分数低于1%时，继续降低水分含量的难度大大增加，即生产尿基配方肥料时，干燥机进口空气温度无需过高，控制在115~125 ℃即可，既可保证产品水分含量及强度满足要求，又可降低蒸汽消耗，从而降低生产成本。另外，在生产18-15-13尿基配方肥料时，台时产量可达16 t，产品中水分质量分数在0.7%~1.0%，产品颗粒强度在22~25 N/颗，各项工艺指标均能达到指标要求。因此生产尿基配方肥料时可尽量多使用尿液，既可提高物料温度和成球效果，同时产品外观有光泽、色泽较为均匀，而且含氮质量分数18%~20%、低磷配方肥料可采用全尿液生产。

生产全固体配方肥料时，干燥机进口空气温度控制在136~142 ℃，台时产量可维持在12 t，产品含水质量分数可控制在0.54%~1.08%，平均控制在0.8%左右，平均颗粒强度在24 N/颗左右。因本次生产的17-17-17S全固体配方肥料以硫酸钾为原料，未添加氯化铵，且磷酸一铵和硫酸钾的黏性较强，造粒效果较好，无法代表所有全固体配方肥料的生产状况，需要通过生产添加氯化铵的全固体配方肥料作进一步的观察。根据产品水分测定结果，采用普通粉状尿素，蒸汽量控制在660~990 kg/h，台时产量可提高1~2 t，预计水分质量分数可保持在1.1%左右，颗粒强度可达到20 N/颗以上。

5 结语

采用蒸汽换热器替代燃煤热风炉，不但实现了复合肥生产装置尾气中污染物的超低排放，而且通过清洁能源的合理利用，实现了使用前资源的共享、使用后资源的可持续循环利用，杜绝了燃气与燃煤产生的二次污染，具有显著的环保价值，值得推广。