塔式熔体造粒机是生产球形复合肥的关键设备，其成粒质量直接影响产品的市场竞争力和生产成本^[1]。然而，传统的造粒技术面临着诸多瓶颈。一方面，含固相物的熔体(其中磷、钾粉体质量分数达30%~60%)黏度极高，如平衡肥配方时其黏度可高达上万毫帕秒，这使得熔体的流动性极差，喷头频繁堵塞；另一方面，液滴断裂具有很强的随机性，产品粒径分布范围较宽(1~4.75 mm)^[2]，筛分后的返料量可达30%。上述问题严重制约了高塔复合肥的生产效率和产品质量，亟待解决。

塔式熔体造粒工艺是利用物质的相变特性进行生产，其原理为：经造粒设备喷孔射出的细流状熔融液受到射流运动速度、流体在空气中的波动特性、空气阻力以及熔液自身的黏度、表面张力和重力等多种因素的综合作用，迅速断裂成体积在一定范围内的液滴；这些液滴经收缩冷却相变后，成为固态球状颗粒。根据物理化学原理，液滴的体积决定了成品颗粒的圆球直径。因此，液滴体积的均匀度直接决定了成品颗粒大小的均匀度。

与纯尿素或纯硝酸铵的造粒工艺不同，复合肥塔式熔体造粒工艺的熔体中含有一定比例的磷、钾等固态粉体物料，因此其黏度比纯尿素或纯硝酸铵溶液的高出数千甚至上万倍，传统造粒装置无法满足这一工艺要求。故在20世纪末，差动造粒机^[3]和差动造粒喷头应运而生。由于差动造粒喷头产出的液滴体积存在一定的差异，并且该差异不可避免，我国结合生产的经济性，在制定的国家标准中对复合肥料颗粒的直径范围给出了明确的规定，即直径在1~4.75 mm范围内的球形颗粒占总量的90%为合格品。1 mm圆球的体积与4.75 mm圆球的相差100多倍，这使得粒径范围差异非常显著。因此，在市场竞争的压力下，许多肥料生产企业将复合肥颗粒的粒径定为2~4 mm，甚至更窄，这就对造粒设备提出了更高的要求。现有的塔式熔体造粒机无法满足这一要求，企业只能通过筛分手段来满足复合肥颗粒粒径的要求，但过度筛分必然会产生大量返料，导致生产效率下降、生产成本增加。因此，提高成品合格率对生产企业和设备制造商都具有重大的意义。

在化工行业，振动造粒的研究始于20世纪。20世纪90年代，在国产小尿素装置造粒喷头的改型设计中，出现了一种利用流体产生微型振动的弹性布料机构^[4]。20世纪末，天津大学公开了振动喷流造粒的机理研究成果^[5-6]。通过人为给造粒喷头施加特定的机械振动，具有振动功能的造粒装置的产品合格率可提升至92%。在俄罗斯及东欧许多国家的塔式熔体造粒工艺中，振动造粒技术被广泛应用，如离心式旋转振动造粒机和多孔硝酸铵固定式振动造粒机，其中俄罗斯开发的离心式旋转振动造粒机可制得颗粒直径偏差小于5%的尿素。近年来，国外化工产品资料中也频繁出现类似技术，如德国Brace公司在陶瓷液滴凝胶化微球生产中采用振动造粒技术，可制得粒径范围极窄的凝胶微球^[7]。

为突破高黏度熔体均匀造粒的难题，早在10多年前，在复合肥差动造粒装置上增设振动机构的差动-振动耦合造粒技术就已被创造性地提出^[8]。通过人为控制造粒喷头的振动频率和振动幅度，使造粒喷头的射流在振动作用下更均匀地断裂成液滴。同时，振动还能显著提升高黏度熔体的流动性能，可满足高黏度的平衡肥工艺对于熔体流动的要求。

常见的振动发生源有振动电机、电子脉冲振动器、磁致伸缩振动器、超声波振动器等，这些振动发生源技术成熟，其振动幅度和频率可根据实际需求进行人为设定和调节。在实际应用中，振动发生源产生的特定机械振动通过造粒机的弹性支撑结构纵向施加至水平旋转的造粒喷头上，使造粒喷头在水平旋转的同时还能进行垂直往返振动。这种复合运动使得熔体射流在离开造粒喷头时受到特定机械力的切割，使液滴的断裂更加均匀。通过调节振动发生源的振动幅度和频率，能够满足不同复合肥配方(黏度)对成品颗粒合格率的要求。

振动造粒技术的核心是在造粒喷头上施加特定的机械振动。当熔融液离开喷头时，受到特定机械力的切割作用，可获得更为均匀的液滴。这些液滴在降落过程中与冷媒进行换热，逐渐冷却凝固，最终形成圆球形的固体颗粒。通过精确控制振动频率和幅度以调整液滴的体积，可提高颗粒的均匀性和产品的合格率^[9-11]。振动造粒技术在高塔复合肥工艺上应用具有以下特点。

(1) 通过造粒机的刚性材质将振动传递至旋转的造粒喷头，使熔体射流在离开喷头的瞬间受到周期性的机械力切割。这种切割作用使得射流能够更加均匀地断裂，形成尺寸较为一致的液滴。

(2) 振动引发的流体动力学变化对减小液滴的体积差异具有积极作用。在振动的影响下，流体的流动状态发生了改变，使得液滴在形成过程中更加均匀，进一步提高了液滴的均匀性。

(3) 在振动状态下，高黏度熔体的流动性能显著提升。振动使熔体内部的分子结构发生变化，降低了熔体的表观黏度，使其更容易通过造粒喷头，为形成均匀的液滴创造了有利的条件。

(4) 振动能够有效防止熔体在喷头孔内部发生堵塞。在振动的作用下，熔体在喷头孔内的流动更加顺畅，避免了因熔体堆积而导致的堵塞问题，提高了造粒过程的连续性和稳定性。动态能量平衡能够抑制喷头堵塞和磨损，延长喷孔的使用寿命。

(5) 振动有效避免了大颗粒的生成。在相同的喷头转速下，液滴的飞行轨迹更有利于避免发生液滴粘附在塔壁上的事故。

(6) 在振动作用下，颗粒内部的物质排列更加紧密，使复合肥颗粒具有更高的抗压强度，提升了产品的质量。

(7) 从技术原理来看，振动造粒技术改变了复合肥熔体在下落过程中的受力状态和运动轨迹。振动使熔体液滴在形成颗粒的过程中，能够更均匀地分散和凝固，减少颗粒出现黏连、变形等问题，从而提高颗粒的规整度和合格率。

10多年前，宝鸡秦东流体设备制造有限公司(以下简称秦东流体公司)将振动造粒技术应用至复合肥高塔熔体造粒工艺上，专门研发了一套试验装置，并在四川天农农资有限公司开展了振动造粒工业化试验，试验现场的振动试验装置见图 1(a)，振动造粒和未施加振动造粒的颗粒对比见图 1(b)。图 1(b)中左边是采用振动造粒装置生产的颗粒，右边是未采用振动造粒装置生产的颗粒，均为同一配方和产量的未经筛分的取样颗粒。试验结果表明，振动造粒技术可以提高复合肥成品的颗粒均匀性。

图 1

试验现场振动试验装置及颗粒对比

但由于当时试验装置的结构存在诸多设计缺陷，加上用户和研发者对振动在造粒中的关键作用认识不足，未能充分理解其突出的性价比，因此早期的试验仅停留在技术尝试或技术储备层面，研发团队仍将主要突破口放在对造粒喷头的改进上。此外，生产企业大多不愿承担创新风险，认为依赖筛分只要能够满足市场需求，损失部分经济效益也是可以接受的。因此，在当时的行业环境下，振动造粒研发未能获得行业支持，研发者也未能坚持，最终错失了发展机遇。

早期的振动造粒试验装置存在明显缺陷，主要表现为在每台造粒机驱动电机的上方需要另外加装一个专用支架来安置振动电机，同时需在造粒机与切换支架底座连接的部位安装数组压力弹簧。这种方式在试验装置中是可行的，但在工业化大生产中暴露出诸多弊端：一方面，由于振动电机与底座弹簧之间存在较大的垂直高度距离，振动电机发出的振动传导至造粒喷头时，除了会产生垂直振动外，还会产生水平状态的偏移，这种偏移会破坏造粒喷头的振动稳定性；另一方面，每台造粒机均需单独配置振动发生源和弹簧装置，不仅增加了差动造粒机的装置成本，还明显增加了装置的体积和质量。同时，由于独立振动装置的调试与维护流程烦琐，尤其是难以保证每一台造粒机的振幅和振频的一致性，操作人员操作困难，甚至出现抵触情绪。上述问题是振动造粒技术未能实现工业化应用的重要原因之一。

经过10多年的行业实践与持续探索，研发者逐渐认识到，单纯针对造粒喷头寻求突破，可行性受到限制。纵观国外，通过对造粒设备施加振动来提升塔式熔体造粒装置的生产效率已实现工业化甚至常态化。在此背景下，研发一款适配复合肥塔式熔体造粒工艺的振动装置，已成为打破发展瓶颈、推动行业进步的关键路径之一。

虽然目前我国的高塔复合肥生产尚未应用振动造粒技术，但从国内外已经公开的技术信息以及前期的试验结果来看，振动造粒技术在高塔复合肥生产中必定会展现出多方面的优势。如：对高塔复合肥的生产用户来说，能够稳定产品质量，显著提升生产效率并降低生产成本；对于设备制造商而言，该技术蕴含着装置升级的商业潜力和机遇。在其他化工领域，振动造粒技术已有不少成功应用的案例，这些案例也为高塔复合肥行业应用振动造粒技术提供了有益的参考和借鉴。

在行业趋势的推动下，近年来，秦东流体公司已经投入了大量的资源，进行振动造粒技术在高塔复合肥造粒中应用的专项研发。针对前期试验性质的振动造粒装置在运行中暴露出的问题，已进行了深入研究与分析。目前，研发出了一款全新的复合肥专用振动造粒装置，为该技术的推广奠定了坚实的基础。新型高塔复合肥振动造粒平台的结构及差动造粒机装置示意见图 2和图 3。

图 2

新型高塔复合肥振动造粒平台的结构

图 3

差动造粒机装置示意

新型高塔复合肥振动造粒平台的关键设计特点：

(1) 集成化振动源。将独立振动源改为集中式设计，仅在工作造粒机底座下方设置一套振动平台及发生装置，适配“1开1备”“1开多备”等多种切换系统。

(2) 杠杆传动系统。杠杆摇臂采用C型钢刚性焊接结构，通过支点轴与底座支耳连接，形成省力杠杆(动力臂F1＞阻力臂F2)，可采用小功率振动电机驱动，能耗降低20%~30%。

(3) 定向振动设计。阻力点设置在与造粒机轴线垂直相交的重心位置，确保振动仅为纵向垂直运动，无水平偏移。

(4) 弹性支撑系统。振动平台外缘均匀分布6~12组支撑弹簧总成，提供稳定的弹性支撑，保障振动传递平稳一致。

新型高塔复合肥振动造粒平台的性能优势：

(1) 经济性。单套振动系统可适配多台造粒机，设备购置成本降低50%以上。

(2) 可控性。通过变频器调节振动频率，通过调整电机轴端偏心块角度控制振幅，满足不同配方熔体的造粒需求。

(3) 通用性。底座结构可适配空气冷却、液体冷却等多种化工熔体喷淋造粒工艺，以及适配旋转喷淋、固定喷盘等造粒方式。

展望未来，随着振动造粒技术的不断完善与成熟，振动造粒将在高塔复合肥造粒工艺中实现工程化应用。这不仅能够为高塔复合肥生产带来全新的变革，还将为整个化工造粒行业注入新的活力，创造更多的发展机遇，引领行业迈向更高质量的发展阶段。

为了更好地推动振动造粒技术在高塔复合肥行业的发展，企业正在加强与高校、科研机构的产学研合作，共同开展技术攻关，深入研究振动造粒过程中振幅以及振频对复合肥熔体造粒质量的影响，进一步优化装置设计和工艺参数，使该项技术真正成为推动高塔复合肥行业高质量发展的核心力量，切实为生产用户带来经济效益和社会效益。

振动造粒技术具有创造性和新颖性，将该技术应用在高塔复合肥造粒工艺上可有效提升复合肥产品的市场竞争力，为企业带来经济效益。同时，该技术也具备在其他球形颗粒化工熔体造粒工艺中的推广价值。