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大颗粒尿素技术的现状和发展
1.  尿素成粒原理
     大颗粒尿素(机械造粒尿素)与小颗粒尿素(造粒塔造粒尿素)的成粒原理是不同的。简单地说,大颗粒尿素是依靠机械方法将尿素熔融物雾化为细小液滴,在特定环境下以固体尿素颗粒为晶种,多个细小液滴结晶固化在一粒晶种上,使这个固体颗粒越长越大,最终成为大颗粒尿素。大颗粒尿素粒子形成是多次结晶的结果,结晶的方向交错分布,成粒的大小与细小液滴数量(结晶次数)相关。
     小颗粒尿素(造粒塔造粒尿素)是利用旋转的尿素造粒喷头(也可使用固定的尿素造粒喷头,但尿素熔融物要有一定的静压头)的小孔将尿素熔融物以液柱形式喷出,尿素熔融物的表面张力使液柱断裂,形成球型液滴。在造粒塔中球型液滴与空气逆流接触降落,降落过程中冷却结晶,结晶的方向单一,成粒的大小与冷却过程相关,由于造粒塔高度有限,粒子不能过大,否则落到塔底还未固化,就无法完成造粒过程。相比较可以看到:
     ⑴ 大颗粒尿素(机械造粒尿素)的结晶方向交错分布,小颗粒尿素(造粒塔造粒尿素)的结晶呈单一方向,这个差别使两者的颗粒强度明显不同。
     ⑵ 大颗粒尿素成粒的大小只与结晶次数相关,从工程角度看,没有约束条件,小颗粒尿素成粒的大小与尿素造粒塔高度相关,从工程角度看,存在硬性约束条件,这个差别使两者的颗粒大小不同。
大颗粒尿素的优越性是无庸置疑的:颗粒强度高,破碎少;表面粗糙,可与磷钾等颗粒肥料混配;氮素利用率高等,是市场欢迎的化肥品种,但是大颗粒尿素制造成本高于小颗粒尿素,影响了用户使用的积极性。作为化肥生产企业,选择一个好的技术,以较小的投资,较低的运行成本,给用户提供质量优良、价格合理的产品是我们义不容辞的责任。
2.  国外的两种大颗粒尿素技术简介
     生产大颗粒尿素的方法主要有流化床造粒、转鼓造粒、圆盘造粒、钢带直冷造粒等。这些方法大多是成熟的,有效的。以下重点介绍两种能力比较大,有工业装置的国外工艺。
2.1 挪威海德鲁公司的流化床造粒
      挪威海德鲁公司(Norsk Hydro) 的流化床造粒器为矩形设备,由上室、下室、多孔分布板和溶液喷嘴组成,上室用档板隔成若干部分,档板的作用是防止尿素粒子返混;多孔分布板起到均匀分配流化空气的作用;溶液喷嘴位于多孔分布板上方,具有一定高度,并和器壁保持一定距离,防止尿液雾滴粘附在器壁上。95% ~ 96%的添加有甲醛的尿液经喷嘴被低压空气雾化后喷洒到流化床内形成一个倒锥形的细雾区,为避免喷嘴堵塞,雾化用低压空气需先加热到略高于尿液的结晶温度;返料的细粒尿素被流化空气吹起在流化床内剧烈搅动形成一个沸腾区;2 个区域互相交错,尿液细雾即喷涂在尿素粒子上,经冷却与干燥作用,成为一个较大的粒子。在流化床搅动的过程中,又产生另一个喷涂过程,使较大的粒子不断增大成为大颗粒尿素,大颗粒尿素由于重力作用沉降到底部多孔分布板上,借助于流化空气在多孔板锥形孔产生的水平推力进到下一室。根据所需的粒径要求,可在若干个室内依次喷涂、依次沉降后推到下一室,直到达到要求的粒径,再从造粒器内排出。
     挪威海德鲁技术的优点是推出的历史长久,建设装置业绩多,技术成熟,缺点是投资高,能耗高。适于新建大型装置。
2.2 日本东洋工程公司的喷射流化床造粒
      日本东洋工程公司(TEC )开发的喷射流化床造粒器由喷射床、多孔板、流化床、喷嘴、空气分配管和气室组成。喷射床被多孔板上的流化床所环绕,一个喷射床有一个喷嘴,根据各装置生产规模可以在造粒器内布置多个喷射床,喷射床由喷射空气形成,能使尿素粒子与尿液充分混合,使产品形状更加圆整、大小均匀,且喷射床合适的空间也不会使颗粒结块;流化床由流化空气形成,喷射床和流化床的优化组合对颗粒不仅能产生有效的冷却作用,而且由于带压尿液直接经喷嘴喷淋在喷射床上,可减少雾化空气加热需要的能量。TEC技术的能耗略低于海德鲁技术,但是工业业绩少,投资高,投入产出比不甚合理。
3. 北京达立科公司的双转鼓流化床技术
以下介绍我公司具有自主知识产权的双转鼓流化工艺(DDG)及相关技术新的进展。
3.1双转鼓流化床技术概况
      国外的大颗粒尿素技术是成熟的,但也有一些局限性。例如床造工艺复杂,投资和能耗都比较高,这个两高,限制了国内大颗粒尿素的生产,也影响了科学施肥工作的进展。
     1998年我公司提出了双转鼓流化床技术的基本方案,与清华大学的院士、教授一起研究完善,并共同申请了由双方共同所有,我公司独家经营的国内专利(一种尿素转鼓造粒装置 ZL98249040.2;一种尿素转鼓冷却装置 ZL98250394.6;一种净化含尿素粉尘气体的方法ZL99121906.6;大颗粒尿素组合转鼓造粒工艺及设备ZL99122286.5),该专利在清华大学进行了造粒转鼓的验证性试验。2001年,在洞庭氮肥厂建成公称1.2万吨/年试验装置,开车后基本达到设计预期目的,全面验证了专利流程的合理性和两台专利设备的科学性。该技术具有的突出特点是:流化床与转鼓结合、空冷与水冷结合,流程简单、设备效率高、能耗低、投资少。在老厂改造中应用双转鼓流化工艺,较其他生产方法有无可比拟的优越性;在新厂建设中,在投资、能耗方面也有很强的竞争性。
      2002年2月第一套5万吨/年工业化双转鼓流化装置在山西丰喜肥业集团首次投入生产后,装置运行的技术经济指标令人满意,丰喜肥业集团又建设了一套15万吨/年装置,并于2003年投入生产。2003年在华鲁恒升30万吨/年尿素大颗粒工程总承包国际招标中,我公司以能耗低于国外公司1/3,投资也低于国外公司1/3的绝对优势中标,该装置于2004年2月21日化工投料,当天即达到设计指标。
      以下是我公司技术的业绩表:
1
5万吨/年
山西丰喜肥业集团临猗分公司
2002年1月
生产良好
2
10万吨/年
山西丰喜肥业集团临猗分公司
2003年4月
生产良好
3
30万吨/年
(一期15万吨)
山东德州华鲁恒升化工股份有限公司
2004年2月
生产良好
4
20万吨/年
(一期10万吨)
山东·滕县鲁南化肥厂
2004年7月
生产良好
5
15万吨/年
河北沧州大化集团股份有限公司
2005年7月
生产良好
6
5万吨/年
山东鲁西化工股份有限公司
2005年10月
生产良好
7
15万吨/年
石家庄柏坡正元化肥有限公司
2006年6月
生产良好
8
5万吨/年(两套)
山东鲁西化工股份有限公司
2006年7月
生产良好
9
10万吨/年
山东鲁西化工股份有限公司
2006年10月
生产良好
10
15万吨/年
(第二套)
河北沧州大化集团股份有限公司
2006年12月
生产良好
11
15万吨/年
内蒙古乌拉山化肥有限公司
2006年12月
生产良好
12
15万吨/年
烟台巨力化肥有限公司
2007年4月
生产良好
13
15万吨/年
河南心连心化工有限公司
2007年4月
生产良好
14
5万吨/年
黑龙江农垦博兴化工有限责任公司
2007年10月
生产良好
15
10万吨/年
山西丰喜肥业集团临猗分公司
2008年6月
生产良好
16
5万吨/年
山东联合化工股份有限公司
 
正在建设
双转鼓流化工艺(DDG)基本工艺过程的简单描述:
     如原则流程图所示,有三股尿素物料进入双滚筒流化工艺的第一个转鼓——流化造粒转鼓:熔融尿素从尿素熔融泵来,晶种颗粒尿素从破碎机来,尿素返料从筛分机来,在特殊设计的流化造粒转鼓中,雾化的熔融尿素与颗粒尿素不断碰撞并结晶,使颗粒尿素逐步长大。结晶热由流化空气移走。尿素颗粒一边长大,一边向出口运动,并逐步流出流化造粒转鼓。此时尿素的温度为90—110C,进入两层丝网的筛分机。小颗粒尿素返回流化造粒转鼓,超大颗粒的尿素经破碎机破碎后也返回流化造粒转鼓。为使粒度合格的大颗粒尿素进一步冷却,从筛分机流出的大颗粒尿素进入接触冷却转鼓,在此转鼓中,冷却风和冷却水移走尿素的显热,使尿素的温度低于50C,至此合格的大颗粒尿素称重包装出厂。流化造粒转鼓和接触冷却转鼓的尾气经排风机送往洗涤系统经洗涤合格后排放。
     有些老厂已有造粒塔,由于有造粒塔尿素作为晶种,可不上破碎机,超大颗粒尿素数量很少(小于1%)可直接作为产品出厂,也可粉碎后送地下槽。
3.2双转鼓流化床大颗粒尿素技术(DDG)的新发展
3.2.1整体布置的优化:
     从1998年专利研究阶段开始,DDG技术就有两种布置方式:平面布置和框架布置。经过多次工业实践和反复的方案比较,我们推出了最新的优化设计方案:
     a、20万吨/年及以下装置,包括20万吨/年、15万吨/年、10万吨/年、5万吨/年优先推荐平面布置方案,典型的布置,如图1所示。 
                                                                            图      1
 
     平面布置的优点是:投资省,一般节约5~10%;建设周期短,一般4个月可建成;可充份利用原有场地(例如栈桥下的空地等)。缺点是占地面积较大,一般占地多出30%左右。  全套工程(交钥匙工程的全部内容)造价估算值为:
能   力
造价估算值
能  力
造价估算值
20万吨/年
1100万元
15万吨/年
900万元
10万吨/年
700万元
5万吨/年
450万元
 b、30万吨/年及以上装置,30万吨/年、40万吨/年、50万吨/年、60万吨/年优先推荐框架布置,如图2所示。
     立面布置的优点是:能力大于20万吨/年,必须设置2台或以上的造粒转鼓,框架布置有利于节约占地,且使物料运行更为顺畅。由于随着装置能力的增加,土建费用所占比例逐步下降,与平面布置相比较,投资差距已不明显。缺点是:建设周期长,建设周期一般要7个月左右,全套工程(交钥匙工程的全部内容)造价估算值为:
能  力
造价估算值
能   力
造价估算值
30万吨/年
1800万元
40万吨/年
2200万元
50万吨/年
2800万元
60万吨/年
3000万元
3.2.2装置的局部改进
a、转鼓出料方式
传统的转鼓一般在出料器底部出料,与斗提机配合时必须为斗提机设置地坑。经过反复试验,我公司专利设备造粒转鼓和冷却转鼓均采用新技术措施,达到了高位出料的目的,可使与之配套的斗提机设置于平面,不必置于机坑之内。
b、粉尘沉降室
在粉体工程中,含尘气体运动过程中粉尘的沉降是不可避免的,在不适当位置沉降将造成系统堵塞。为带走气体中的固体微粒,提高气体流速又会增加能耗。为了合理地解决这个问题,我们在专利设备造粒转鼓中设置了沉降室。在沉降室中,将含尘气体中的固体微粒予以区分,较大的微粒沉降下来,用机械方式送往地下槽。这样即节约了气体输送能耗,又可防止管道堵塞。
c、安全筛
在大颗粒尿素生产过程中,不规则大块出现的概率较小,但仍有出现的可能。为此流程中均需设置安全筛。为了简化流程,DDG技术将安全筛设于专利设备之内,收到了很好的效果。
3.3新型尾气洗涤器
为了进一步净化含尘尾气,降低能耗,我公司与天津大学共同研制了新型尿素尾气洗涤塔,并已申请了专利,如图3所示。
      新型尾气洗涤器的吸收方式与其他设备不同,传统的吸收塔都是气液逆流操作,容易发生液泛,气速受到限制,使得设备本体庞大。而新型尾气洗涤器的设备本体可大大缩小。在新型尾气洗涤器内含尘气体在一定的气速下通过冲喷洗涤装置与水流经过上下两次充分混合建立起动态平衡的交换场,高效进行质量传递和热量传递,气液混合物先   通过填料床层近一步传质并初步分离后,经过由规整填料做成的捕液吸能器进一步充分分离,分离后的液体向下流入母液槽中,气体向上经过高效丝网除沫器后达标排放到大气中。
      整个洗涤器为立式结构,上下封头,封头形式根据现场情况可采用平型、锥型、椭圆型、碟型等,使得设备的平立面布置更加灵活方便。在满足环保要求的条件下,与其他装置相比,同等条件下压力降降低超过50%,一次投资降低40%,水电消耗大幅降低。 
  3.4与DDG相关的技术发展
3.4.1 DDG与造粒塔相结合,DDG和造粒塔的全部尾气均可洗涤。DDG的优势之一是造粒转鼓内流化床床层很低,只有200mm左右,对流化风的要求不高;冷却转鼓内装有特殊结构的水冷器,因此每吨大颗粒尿素产品产生的尾气量比造粒塔和其它大颗粒技术产生了尾气都要少,大约少30%左右。经过缜密的技术分析,我们提出了结合DDG技术改造原有造粒塔尾气的方案。如下图所示。将造粒塔的能力降至原有能力的20%,采用新型低能力喷头,生产φ2mm的造粒塔尿素作晶种。(此喷头已研制成功)将80%的尿素融熔物与20%的φ2mm的尿素颗粒送入DDG装置生产大颗粒尿素。将DDG与造粒塔的尾气均送入洗涤器,洗涤后放空。 
 
      通过这样的技术改造,需要洗涤的尾气(造粒塔尾气和DDG尾气总量)比原造粒塔尾气减少了20%,同时全部尿素产品均为大颗粒尿素,可以以较少投资和较低能耗完成尾气洗涤和产品结构调整两大目的。
3.4.2造粒塔尾气洗涤的新设计
      为了解决造粒塔洗涤问题,我们与清华大学共同研究,精心设计了新的造粒塔洗涤系统,并申请了专利,如图所示
      造粒塔含尿素粉尘气体通过风机和风管进入汽雾室,在汽雾室内与雾化的洗涤水充分接触,润湿后经填料层和除沫器分离水分,经百页窗排入大气。排入大气的气体中所含尿素粉尘将减少75%左右。汽雾室内的补充水是由尿素装置的工艺系统送来,与循环水一起经水洗喷头雾化,雾化后的水与经风管送入的尿素粉尘接触,将尿素粉尘溶入水中。在不断的溶解循环过程中,水中的尿素含量越来越高,当浓度接近饱和时,部分接近饱和的含尿素溶液在泵后排出,送往尿素装置。
     洗涤粉尘的补充水来自于尿素装置(一般来自于水解后的排放液),而接近于饱和的尿素溶液又返送回尿素装置,重新经过蒸发、造粒后成为产品。这个造粒塔尾气粉尘的洗涤过程是一个循环的过程,与前部尿素生产装置有机地合为一体,即减少了尿素粉尘对大气环境的污染,又提高了尿素的产量,是一举两得的技术设备。图中所示的技术设备采用7台固定式尿素喷头,造粒塔顶设有与排放区相分隔的隔离区,尿素喷头、泵和水槽均置于隔离区内。
      本设计还可采用一台旋转式尿素喷头,造粒塔顶不设隔离区,只设尿素喷头小室,并将水槽、泵设在造粒塔壁外侧。这种新式造粒塔的优势是解决长期困扰尿素行业的造粒塔尾气对大气环境的污染问题。由于洗涤部分的荷载问题,本设计一般只用于新建造粒塔,但也可考虑老塔改造,改造效果略低于新建造粒塔。
 
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