尿素造粒塔粉塵回收技術芻議

王 獻

（合肥瑞鑫化工科技有限公司，安徽合肥 230061）

0 引 言

隨著社會經濟的快速發(fā)展，能源危機、環(huán)境污染日趨嚴重，尤其是以PM2.5為代表的顆粒物污染問題受到了大家的廣泛關注。因此，近年來，國家不斷加大大氣污染的治理力度。

尿素造粒塔是尿素生產（塔式尿素造粒裝置）中的關鍵設備，尿素造粒塔內通過自然通風和機械通風使造粒噴頭噴出的融熔尿素在下落過程中凝固成型并冷卻，而在尿素造粒塔頂排放氣中會夾帶不可忽視的尿素粉塵，這些尿素粉塵大部分將降落在附近數(shù)公里范圍內，對區(qū)域環(huán)境和周邊人員造成損害；同時，這部分尿素白白地排放掉增加了裝置的消耗，也削弱了企業(yè)在市場中的競爭力，制約了企業(yè)的生存和發(fā)展。因此，對尿素造粒塔粉塵進行回收已勢在必行，既有利于提升企業(yè)的競爭力，又有利于節(jié)能環(huán)保。

1 尿素造粒塔粉塵產生的原因及危害

1.1 尿素粉塵產生的原因

尿素造粒塔粉塵的產生有多方面原因，一般認為主要有以下幾方面的因素。

（1）熔融尿素成粒過程中會發(fā)生一些化學反應，會產生一些粉塵。

（2）尿液從造粒噴頭噴出以后，與來自塔底的冷空氣在造粒塔內相遇，由于尿液本身的向下運動以及冷空氣的向上運動，使尿素液柱斷裂，形成長度不等的液柱短節(jié)，該短節(jié)的長度取決于尿液的內在粘性，由于尿液表面張力的存在，液柱短節(jié)最終會形成近似于球形的尿素顆粒。由于尿素液柱斷裂的隨機性，必然會形成一部分細小的尿素顆粒和粉塵，當上升的空氣流速大于這些粒子的沉降速度時，這些細小的尿素顆粒和粉塵就會隨上升空氣一同排至塔外。

（3）當尿液中的水分超標時，尿素顆粒中的水分從內部向外部蒸發(fā)，會造成顆粒的二次破裂，產生不規(guī)則的尿素粉塵；當尿液中的游離氨超標時，造粒過程中由于游離氨的分離，也會造成尿素顆粒的碎裂而產生粉塵。

（4）熔融尿素溫度過高，容易產生粉塵和空心現(xiàn)象。

（5）造粒噴頭上開有許多規(guī)則的圓形小孔，如果系統(tǒng)中有雜質，如金屬碎片、毛刺、密封盤根碎片等，就會堵塞噴頭小孔，造成小孔通道的不規(guī)則，如此極易產生粉塵。

（6）造粒機的工況不穩(wěn)定，如造粒機軸彎曲或擺動、振動等，都會導致尿液出現(xiàn)不規(guī)則運動，使尿素顆粒發(fā)生碰撞而產生粉塵。

（7）造粒塔的通風狀況不良，如通風偏流、風量過大，尿素顆粒的運行軌跡就會發(fā)生變化，尿素顆粒就會相互碰撞而產生粉塵（有時會導致顆粒粘連，形成不規(guī)則的顆粒）。

（8）據 《氮肥工藝設計手冊——尿素》，1 kg尿素所需要的冷卻空氣量約為7.23 m3，即噸尿素所需要的冷卻空氣量為7 230 m3，通常設計時噸尿素所需冷卻空氣量取8 000～10 000 m3，則φ19 m造粒塔最大自然通風量為6×105m3／h。生產中，造粒塔的通風量可根據系統(tǒng)的生產負荷、環(huán)境溫度進行調節(jié)，若通風量過大，易造成塔頂?shù)姆蹓m量過大；通風量過小，冷卻空氣量不足，尿素顆粒得不到充分冷卻，易造成尿素粒子粘連和尿素顆粒溫度過高，繼而易產生粉塵。

1.2 尿素粉塵的危害

尿素造粒塔粉塵治理是長期困擾尿素企業(yè)的一大難題。由于國內大部分尿素裝置原設計并沒有考慮粉塵治理的問題，因此目前大部分造粒塔的粉塵仍采取直排形式排放，未作任何處理。環(huán)保監(jiān)測數(shù)據表明，較高濃度的尿素粉塵在自然通風的高流速下直排大氣，帶來以下諸多問題。

（1）污染周邊環(huán)境。尿素粉塵排放，對廠區(qū)周邊的農作物和花草樹木的生長會造成嚴重影響，道路和建筑物被腐蝕，周邊居民生活及健康狀況也會受到影響；尤其是每年春秋季氣壓較低時，由于風速小，尿素粉塵不易被風帶走，從而容易沉降積聚在廠房周圍，使周邊環(huán)境遭到較嚴重的污染。

（2）粉塵超標排放。雖然目前尿素造粒塔粉塵的國家環(huán)保排放標準還沒有正式頒布，但2017年12月13日在北京召開的全國氮肥綠色發(fā)展會議上，環(huán)保部及中國氮肥工業(yè)協(xié)會已初步形成共識，擬規(guī)定尿素造粒塔粉塵排放濃度≤30 mg／m3、氨含量≤10 mg／m3。

（3）尿素產量損失。造粒塔頂排放粉塵濃度高，尿素產量損失較大。

2 粉塵治理技術

2.1 φ19 m尿素造粒塔粉塵排放概況

尿素造粒塔粉塵總排放量為通風量與含塵濃度的乘積，常用噸尿素粉塵排放量來進行評價。φ19 m尿素造粒塔的原設計產能為400 kt／a，自然通風量約為6×105m3／h，塔內平均風速為0.57 m／s，排放氣粉塵濃度為 120～220 mg／m3，則噸尿素產生的粉塵量為1.2～1.8 kg，測定狀況下尿素損失量1.5～2.0 t／d。400 kt／a產量的φ19 m尿素造粒塔，在大氣風速0.5 m／s的條件下，粒徑大于10μm的顆粒大致降落在4 km半徑之內（以尿素造粒塔為中心）。

2.2 自然通風式粉塵回收技術

2.2.1 工藝原理

自然通風式粉塵回收裝置是在造粒塔頂建一箱體，箱體內部有填料、收水器、噴頭，其中，噴頭共3層（組），下面一組噴頭向上旋流噴射，中間一組噴頭向下噴淋噴灑，最上面一層為清洗噴頭，用于清洗附著在收水器上的尿素粉塵。造粒間安裝有2臺循環(huán)水泵，工藝上采用三級分離、三級吸收循環(huán)噴淋洗滌技術，即用工藝冷凝液或解吸水解廢液洗滌粉塵同時除去塔頂排放氣中的NH3，循環(huán)洗滌到一定濃度的稀尿液返回尿素系統(tǒng)利用。

2.2.2 應用情況

國內有很多尿素生產廠已經應用了自然通風式粉塵回收技術，但實際運行狀況不太理想，尤其是在夏季，由于增設了粉塵回收裝置，尿素（顆粒）出（造粒）塔溫度一般會上升5～7℃，造成尿素結塊嚴重，不得不將回收箱體內的填料扒出以降低出塔尿素顆粒溫度。另外，自然通風式粉塵回收裝置2組噴頭只能開1組，如果2組全開，排放氣易形成 “天女散花”，排放氣帶液嚴重，造成二次污染，其排放的尿素粉塵濃度在50～80 mg／m3。河南心連心化肥有限公司、安徽三星化工有限責任公司、安徽昊源化工集團有限公司、山東華魯恒升化工股份有限公司、山東魯西化工股份有限公司、浙江晉巨化工有限公司等企業(yè)均存在上述情況。

目前有的公司在做自然通風式粉塵回收裝置時，為得到中標機會、占有市場份額，在招投標的過程中，惡意壓低價格，并承諾保證造粒塔排放氣體中尿素粉塵含量≤10 mg／m3，而一旦中標，施工過程中卻使用劣質的鋼材及填料（填料有的用玻璃鋼，有的用0.3～0.5 mm的不銹鋼薄皮，使用不到2 a玻璃鋼腐蝕脫落，堵塞噴頭，或不銹鋼薄皮嚴重變形，不能正常使用），使粉塵回收裝置在運行中存在極大的安全隱患。如果哪個公司承諾使用自然通風式粉塵回收裝置尿素造粒塔排放氣中尿素粉塵含量＜30 mg／m3、尿素粒子溫升＜5℃，肯定是造假、欺騙客戶，因為事實上根本達不到這個指標。

2.2.3 投資及效益

以φ19 m尿素造粒塔為例，自然通風式粉塵回收裝置的總投資一般在180萬～220萬元。

據現(xiàn)使用自然通風式粉塵回收裝置的尿素生產廠家進行統(tǒng)計，有80%的廠家不回收其產生的稀尿液，原因是：粉塵回收率僅50%左右，循環(huán)洗滌液中尿素濃度太低，達不到工藝上要求的濃度，無回收價值。于是，很多尿素生產廠家干脆一次性循環(huán)后將洗滌液排入碳銨液槽，利用水解裝置予以處理，效益甚微。

2.3 強制通風式粉塵回收技術

在自然通風式粉塵回收裝置使用效果不佳的情況下，合肥瑞鑫化工科技有限公司經認真研究，設計出了強制通風式粉塵回收裝置。該強制通風式粉塵回收裝置是在尿素造粒塔頂設置一箱體，箱體頂部加裝6臺14×105m3／h的軸流風機（匹配φ19 m尿素造粒塔），總風量約為84×105m3／h；箱體內部加裝復合填料，并增加填料高度，使填料層形成水幕，可更好地對尿素粉塵進行洗滌吸收；箱體內2層噴淋噴頭為三角形分布，可杜絕噴淋死區(qū)，實現(xiàn)粉塵的有效噴淋洗滌；箱體上部裝有1層收水器、1層除霧器，以除去排放氣中的水汽，杜絕帶液現(xiàn)象，并盡量克服尾氣拖尾這一世界性難題。

粉塵的回收效率是評價強制通風式粉塵回收技術應用成功與否的重要指標。合肥瑞鑫化工科技有限公司設計的幾套強制通風式粉塵回收裝置，實際運行中粉塵回收率均達90%以上，這主要歸功于噴淋噴頭、填料和收水器的設計。

合肥瑞鑫化工科技有限公司設計的強制通風式粉塵回收裝置，除塵液的來源及回收利用視具體情況而定，各生產廠家的情況會有所不同，既可以將洗滌液回收至二表槽，也可以直接加入尿液系統(tǒng)中去（洗滌液濃度達8%～15%時即可補入到系統(tǒng)中）。補液最好采用水解廢液，水解廢液補入循環(huán)槽（循環(huán)槽設計有隔板）；在更換造粒噴頭時，可用水解廢液或蒸汽冷凝液對噴頭進行沖洗。

2.3.1 技術特點

（1）工藝流程先進、技術成熟、安全可靠，配套設備性能優(yōu)越，可保證裝置穩(wěn)定、優(yōu)質、長周期運行。

（2）強制通風式粉塵回收裝置的箱體、支承、支架全部采用304材質（特別指定的材料除外），可避免每年都要高空防腐而帶來的安全風險；所有噴淋噴頭、噴頭本體材料均采用316L。

（3）強制通風式粉塵回收裝置整體置于造粒塔上方，造粒塔采用自然通風和強制通風相結合的方式，粉塵回收裝置的通風量大大高于原造粒塔設計的冷卻空氣量；此外，安全方面的考慮也非常周全，粉塵回收裝置具有較強的抗風、抗震能力。

（4）強制通風式粉塵回收裝置采用可靠、有效措施保證除塵效果和氣水分離效果，可避免霧化洗滌液帶出造粒塔造成二次污染。

（5）強制通風式粉塵回收裝置可根據生產負荷進行相應的負荷調整（通過調節(jié)風機風量或風機開啟臺數(shù)進行控制）。

（6）強制通風式粉塵回收裝置采用DCS控制，可實現(xiàn)自動／手動控制的切換，主要控制信號通過DCS通訊接口進入廠區(qū)DCS系統(tǒng)，外送循環(huán)液可通過流量計計量，從而可計算出每天回收尿素的數(shù)量；采用自動調節(jié)閥，其配置數(shù)量滿足過程控制要求，并能實現(xiàn)遠傳操控，從而減輕操作人員的勞動強度。

2.3.2 技術指標

（1）造粒塔排放氣粉塵濃度≤30 mg／m3（保證值）、氨濃度≤10 mg／m3。

（2）粉塵回收效率達90%以上，回收稀尿液濃度8%～15%（質量分數(shù)），可返回尿素系統(tǒng)利用。

（3）出造粒塔尿素顆粒溫升＜1℃。

2.3.3 應用情況

吉林通化化工股份有限公司、河南心連心化肥有限公司、山東華魯恒升化工股份有限公司的應用情況表明，強制通風式粉塵回收裝置投運后，既解決了尿素造粒塔通風量方面的問題，保證了尿素粒子溫度不升高，又更好地回收了尿素，同時還避免了增設風機后排放氣帶液的問題。2017年12月22日，環(huán)保部門對山東華魯恒升化工股份有限公司尿素造粒塔排放氣進行了72 h監(jiān)測，結果為：造粒塔排放氣中的尿素粉塵含量＜30 mg／m3，尿素粒子溫升＜1℃，粉塵回收率達90%以上。為此，合肥瑞鑫化工科技有限公司就其開發(fā)的強制通風式粉塵回收技術申請了國家專利，專利號：ZL201220523238.9、ZL201620310010.X。

2.3.4 投資及效益

以φ19 m尿素造粒塔為例，強制通風式粉塵回收裝置的總投資一般在280萬～320萬元。

幾家尿素生產企業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據表明，強制通風式粉塵回收裝置投運后，尿素粉塵回收率均達到90%以上。其中，河南心連心化肥有限公司三廠φ19 m造粒塔（尿素造粒塔由自然通風式粉塵回收裝置改造為強制通風式粉塵回收裝置）日產尿素在1 550 t時，日可回收尿素約1.8 t，尿素售價以1 500元／t計，日增效益為1.8×1 500＝2 700元；配套6臺軸流風機功率合計為90 kW，電價以0.5元／（kW·h）計，日用電費用為90×24×0.5＝1 080元，即年（以330 d計）回收尿素粉塵的效益為（2700-1080）×330÷10000＝53.46萬元；總投資約130萬元的技改項目，不到3 a即可收回投資成本。

2.4 布袋式除塵技術

尿素造粒塔布袋式除塵技術是由鍋爐煙道氣布袋除塵技術演變而來的，其技術標準差異不大。鍋爐煙道氣布袋除塵裝置安裝在地平面，有足夠的空間布置設備，與其他設備相結合，其除塵效果完全可以達到設計要求，且能實現(xiàn)長周期、穩(wěn)定運行。以φ19 m的尿素造粒塔為例，尿素造粒塔布袋除塵裝置安裝在造粒塔頂，需加工1個高約4m、直徑14m的箱體，φ19m造粒塔自然通風量為60×105m3／h，增加布袋后風機風量一定要大于自然通風量，方能使塔內不會形成正壓，不影響尿素粒子的出塔溫度。合肥瑞鑫化工科技有限公司設計的尿素布袋除塵裝置分為4個粉塵回收室，共設4臺20×105m3／h引風機，總風量約80×105m3／h，風機風壓在3 000～4 000 Pa，風機葉輪采用304不銹鋼；設有φ133 mm×6 m的布袋約4 000個，布袋具有耐酸、堿及防腐蝕的性能；箱體內部裝有400臺電磁閥，用于對附著在每個布袋上的尿素粉塵進行反吹。據計算，增設布袋除塵裝置以后，尿素造粒塔粉塵回收率可達98%，造粒塔排放氣中的粉塵含量 ＜5 mg／m3。

2.4.1 布袋除塵裝置存在的問題及探討

（1）布袋除塵裝置安裝在高90 m以上的造粒塔塔頂，施工空間小，設備重量大，特別是風機的安裝，既要避免風機的振動，又要考慮風機長時間在造粒塔頂運行會不會對造粒塔的結構產生影響，這就給設備安裝施工帶來很大困難，安裝風險極大；而若在地面上加工好部分設備再進行整體吊裝，安裝成本又會過高，尿素企業(yè)和施工單位均難以承受。

（2）尿素裝置開車初期或生產不正常時不適合使用布袋除塵裝置，因為開車初期和生產不正常時，蒸發(fā)系統(tǒng)尿液經常打循環(huán)，且打循環(huán)時要用蒸汽吹掃噴頭及管線內的尿液，而尿素粉塵遇水汽會粘連結晶，堵塞布袋，致使布袋阻力增大，尿素顆粒出塔溫度升高，嚴重時會造成尿素結晶堵塞塔底料斗，生產無法正常進行。

（3）夏季及南方氣候潮濕地區(qū)不宜使用布袋除塵裝置，因為夏季及氣候潮濕地區(qū)空氣濕度較大、雨水較多，尿素粉塵易結晶，粘附在布袋上，使布袋失去除塵功能，易造成尿素顆粒出塔溫度升高，甚至生產無法正常進行。比較發(fā)現(xiàn)，氣溫在15℃左右時，使用布袋除塵技術的尿素裝置尿素顆粒出塔溫度在70℃，而相同生產負荷情況下采用強制通風式粉塵回收技術的尿素裝置，其尿素顆粒出塔溫度只有58℃，且隨著氣溫的升高，使用布袋除塵技術的尿素裝置尿素顆粒出塔溫度還會成倍增長。布袋除塵效果固然好，但如何降低尿素顆粒出塔溫度，是我們必須研究并解決的一個重要課題。

（4）塔頂4臺風機必須24 h正常運轉，一旦風機出現(xiàn)故障，整個尿素裝置必須減量生產，待風機檢修好以后方能轉入正常生產，由此將會給企業(yè)帶來不小的經濟損失。

2.4.2 投資及效益

以φ19 m尿素造粒塔為例，布袋除塵裝置總投資一般在600萬～700萬元。

布袋除塵裝置有4臺20×105m3／h的風機，每臺風機每小時用電160～180 kW·h；布袋除塵裝置中的電磁閥、儀表空氣系統(tǒng)、鼓風機等合計每小時用電約1 000 kW·h；另外，運行中只要布袋上粘連尿素，就必須更換布袋，費用較高?？梢?，布袋除塵技術回收尿素粉塵的效益遠遠低于其用電成本和運行成本，無任何經濟效益可言，只是作為環(huán)保設施而已。

3 結束語

當前，在國家環(huán)保治理力度不斷加大的背景下，尿素造粒塔粉塵治理已勢在必行，據環(huán)保部門消息，國家近期可能出臺對尿素造粒塔粉塵排放進行在線監(jiān)測和無人機取樣分析，達不到排放要求的企業(yè)要進行限期整改或予以重罰。為此，尿素生產企業(yè)要對造粒塔粉塵治理問題引起足夠重視，至于選擇哪種尿素粉塵治理技術，企業(yè)需首先了解各種尿素粉塵回收技術的技術原理、優(yōu)缺點及應用業(yè)績，然后根據自身的實際情況而定，力求做到既有利于企業(yè)發(fā)展又造福于社會。