海德魯流化床造粒裝置的粉塵治理

黃衛(wèi)星

(中海石油化學(xué)股份有限公司 海南東方 572600)

中海石油化學(xué)股份有限公司海南基地一期尿素造粒裝置采用海德魯流化床大顆粒造粒工藝。在實(shí)際運(yùn)行過程中，該造粒裝置的造粒機(jī)、冷卻器、破碎機(jī)以及輸送、提升、篩分環(huán)節(jié)存在大量的尿素粉塵，不僅影響造粒裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行和尿素產(chǎn)品質(zhì)量，而且影響工作環(huán)境和操作人員的身體健康。因此，認(rèn)識(shí)造粒粉塵形成機(jī)理，分析其生成的影響因素并采取有針對(duì)性的措施，加強(qiáng)粉塵治理，具有非常重要的意義。

1 粉塵的形成和處理工藝

1.1 粉塵的形成

海德魯流化床大顆粒造粒裝置的粉塵主要產(chǎn)生于造粒機(jī)和大顆粒破碎機(jī)。

尿素顆粒在造粒機(jī)中長(zhǎng)大是通過累積機(jī)理進(jìn)行的，即尿液經(jīng)特制噴頭霧化后，微小的液滴噴灑在流化床層中的晶種表面，通過連續(xù)蒸發(fā)和固化，從而實(shí)現(xiàn)尿素顆粒的長(zhǎng)大。霧化的微小尿素液滴若在接觸晶種之前水分就完全蒸發(fā)，便會(huì)固化形成粉塵；或者噴出的微小液滴直接穿透流化床層，當(dāng)其沉降速度小于流化空氣的帶出速度時(shí)，便形成粉塵并隨造粒尾氣進(jìn)入洗滌系統(tǒng)。

破碎機(jī)是造粒裝置第二大粉塵來源。破碎機(jī)的作用是將造粒機(jī)出料中超大顆粒予以破碎，作為晶種重新返回造粒機(jī)。破碎機(jī)輥間距過小，破碎產(chǎn)生的粉塵量就越大。

此外，在輸送、提升、篩分過程中，由于粒子之間的摩擦、擠壓也會(huì)產(chǎn)生少量粉塵。

1.2 粉塵處理工藝

含尿素粉塵的廢氣在排放之前必須進(jìn)行凈化回收處理。該造粒裝置含尿素粉塵廢氣主要來自造粒機(jī)、流化床冷卻器和各除塵點(diǎn)(如提升機(jī)、破碎機(jī)、振動(dòng)篩的頂部以及皮帶輸送機(jī)的卸料點(diǎn)等)。造粒機(jī)出口廢氣中含有約占裝置產(chǎn)量3.5%的尿素粉塵，其平均粒度為3 μm。流化床冷卻器及其他除塵點(diǎn)的粉塵量比造粒機(jī)處少得多，顆粒也更大,平均粒徑為20 μm。含尿素粉塵的廢氣原通過3臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)入沖擊型濕式洗滌塔中進(jìn)行凈化回收處理，除塵效率大于99%，可滿足大氣排放控制要求[1]。

2 粉塵的危害

造粒裝置中的粉塵危害很大，除惡化工作環(huán)境、危害操作人員健康之外，還會(huì)產(chǎn)生如下影響。

2.1 造粒機(jī)結(jié)疤

造粒機(jī)是造粒裝置的核心設(shè)備，造粒機(jī)內(nèi)的粉塵積累形成結(jié)疤，按存在的部位可以分為多孔板堵塞、造粒機(jī)外壁結(jié)疤、出口風(fēng)道結(jié)疤三大類。多孔板堵塞會(huì)導(dǎo)致造粒機(jī)流化空氣量下降，降至一定程度后將引起造粒機(jī)晶種不流化，噴頭噴出的尿液直接灑落在床層上，使尿素粒子發(fā)生黏連而形成大塊，導(dǎo)致出料惡化。造粒機(jī)外壁結(jié)疤，特別是造粒機(jī)頂部的結(jié)疤累積至一定程度后，會(huì)脫落砸入造粒機(jī)床層中并壓住噴頭，噴頭噴出的尿液直接噴在脫落的結(jié)疤上，使結(jié)疤不斷長(zhǎng)大，直至造粒機(jī)死床。出口風(fēng)道結(jié)疤將導(dǎo)致造粒機(jī)出口負(fù)壓無法維持，對(duì)造粒機(jī)后期的安全運(yùn)行有較大的影響。

造粒機(jī)結(jié)疤是累積效應(yīng)造成的，量變到一定程度后引起質(zhì)變，導(dǎo)致造粒機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行中斷，此時(shí)必須停運(yùn)造粒裝置對(duì)造粒機(jī)進(jìn)行清洗，由此帶來系統(tǒng)消耗增加、操作強(qiáng)度大等問題。

2.2 引起設(shè)備故障

粉塵會(huì)惡化設(shè)備運(yùn)行工況，引起設(shè)備故障。

(1)斗提機(jī)底部粉塵結(jié)疤會(huì)引起斗提機(jī)料斗刮底，造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流突然上升、傳動(dòng)的三角皮帶斷裂。

(2)粉塵對(duì)設(shè)備，尤其是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣和儀表的安全運(yùn)行構(gòu)成一定的威脅。飄進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)電氣柜的粉塵容易吸潮，易造成電氣柜故障跳車。粉塵積累在電動(dòng)機(jī)的散熱片、散熱風(fēng)扇上，致使電機(jī)散熱不良，引起設(shè)備高溫故障。

(3)粉塵黏附在振動(dòng)篩篩網(wǎng)網(wǎng)孔上，導(dǎo)致篩分效果變差，致使成品粒度不合格。結(jié)疤堵塞下料口等隱蔽位置，引起設(shè)備堵料、電動(dòng)機(jī)電流增大。

(4)堵塞設(shè)備的除塵管線，導(dǎo)致除塵效果差。因此，設(shè)備的除塵管線運(yùn)行一段時(shí)間后，必須安排沖洗。

(5)皮帶輸送機(jī)出料口及轉(zhuǎn)動(dòng)輥筒結(jié)疤，會(huì)引起皮帶跑偏和磨損，縮短皮帶的使用壽命。

2.3 堵塞管道，引起堵料事故

造粒機(jī)晶種返料管線上若存在大塊結(jié)疤，將導(dǎo)致返料管線上的單向閥卡澀而無法打開，從而引起造粒機(jī)返料管堵料。抽料機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)疤，將引起通道堵塞，導(dǎo)致發(fā)生堵料事故。由于上述位置比較隱蔽，檢查困難，處理難度較大。

2.4 影響尿素產(chǎn)品質(zhì)量及其他

粉塵增多不僅影響尿素產(chǎn)品的外觀、粒度及破碎強(qiáng)度，而且會(huì)導(dǎo)致尿素散裝庫、包裝樓、轉(zhuǎn)運(yùn)棧橋粉塵彌漫，引發(fā)職業(yè)病。

3 粉塵的綜合治理

粉塵治理措施包括：①?gòu)脑搭^進(jìn)行控制，深入了解工藝影響因素，改進(jìn)工藝控制措施，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，減少粉塵的生成量；②在粉塵后處理方面，對(duì)收集、洗滌系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，避免粉塵排放。

3.1 源頭控制

影響造粒機(jī)粉塵生成的主要因素有以下方面，可采取相應(yīng)的措施，以減少粉塵的生成。

(1)造粒機(jī)進(jìn)料尿液濃度的控制

海德魯流化床大顆粒造粒裝置要求造粒機(jī)進(jìn)料尿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥96%。從分析結(jié)果來看，實(shí)際進(jìn)造粒機(jī)尿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于96%。若進(jìn)料尿液濃度過低，尿液經(jīng)霧化后噴灑至晶種表面，其中的水分難以在造粒機(jī)所允許的停留時(shí)間內(nèi)完全蒸發(fā)，造成生成粒子的強(qiáng)度降低，大量流化粒子相互黏接、摩擦，導(dǎo)致粉塵生成量增大。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，若進(jìn)料尿液濃度過低，往往導(dǎo)致系統(tǒng)工況惡化，風(fēng)機(jī)負(fù)荷和洗滌系統(tǒng)負(fù)荷增大，返回蒸發(fā)系統(tǒng)的尿液量增加，造粒機(jī)運(yùn)行周期縮短。

蒸發(fā)系統(tǒng)真空度偏低是導(dǎo)致尿液濃度低的主要原因。由于該尿素裝置地處海南省，環(huán)境溫度高，蒸發(fā)系統(tǒng)真空度在高溫下不易達(dá)標(biāo)。

處理措施：尿素前系統(tǒng)中、低壓分解器的操作溫度由155 ℃和143 ℃的低限提高至158 ℃和148 ℃，中、低壓系統(tǒng)的操作壓力由1.58 MPa和0.38 MPa降至1.55 MPa和0.34 MPa，使系統(tǒng)負(fù)荷前移，降低進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)尿液中游離氨的濃度，蒸發(fā)系統(tǒng)的真空度由-58 kPa提高至-61 kPa。

(2)調(diào)整添加劑

海德魯流化床大顆粒造粒裝置要求在進(jìn)料尿液中添加甲醛作為造粒過程的防結(jié)塊劑[2]，其添加量控制在0.45%～0.55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。若甲醛添加量不足，將導(dǎo)致造粒機(jī)粉塵量大幅增加。但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加甲醛的效果不如添加脲醛溶液。即甲醛與熔融尿素反應(yīng)，保證1 h左右的反應(yīng)時(shí)間，將生成的脲醛溶液添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%的尿液中，造粒得到的尿素顆粒強(qiáng)度更高，產(chǎn)生的粉塵量更少。

技改措施：在尿素裝置蒸發(fā)系統(tǒng)框架上增設(shè)脲醛反應(yīng)器，將原直接添加至尿液泵出口的甲醛改為添加至該反應(yīng)器，在此與尿液充分反應(yīng)后再加入尿液泵的入口。經(jīng)此改造后，洗滌系統(tǒng)返回前系統(tǒng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%尿素溶液的量由8.5 t/h下降至7.5 t/h，表明生成的粉塵量明顯下降；尿素產(chǎn)品的抗破碎強(qiáng)度由20 N/顆提高至40 N/顆，外觀及表面更光潔。

(3)造粒機(jī)料位的控制

流化床造粒技術(shù)是通過噴頭將熔融尿液噴灑至處于流化狀態(tài)的晶種上而得到顆粒狀尿素，當(dāng)造粒機(jī)料位過低時(shí)，噴頭噴出的霧化液滴就會(huì)直接穿透床層而逃逸到流化空氣中，若流化空氣流速超過尿液液滴的沉降速度，隨著除塵風(fēng)機(jī)的抽吸，霧化液滴進(jìn)入洗滌系統(tǒng)，導(dǎo)致洗滌系統(tǒng)負(fù)荷增大。

控制措施：通過現(xiàn)場(chǎng)噴淋試驗(yàn)，確定噴頭在正常運(yùn)行壓力下噴射的液滴高度，以此高度控制造粒機(jī)料位。在實(shí)際控制中，要求造粒機(jī)的料位控制在1 m以上，充滿整個(gè)觀察視鏡，同時(shí)防止流化床形成溝流、涌流等非正常流化狀態(tài)，防止霧化液滴的逃逸。

(4)造粒機(jī)溫度的控制

在控制中發(fā)現(xiàn)，造粒機(jī)溫度對(duì)造粒系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行同樣有著重要的作用。若造粒機(jī)溫度低于105 ℃，尿液中的水分在所允許的停留時(shí)間內(nèi)不能被及時(shí)蒸發(fā)，造成產(chǎn)品水分不合格；若造粒機(jī)溫度過高，噴頭霧化噴灑出的微小液滴在接觸到晶種表面之前水分即完全蒸發(fā)、干燥、固化，導(dǎo)致粉塵的大量生成[3]。一般造粒機(jī)溫度超過110 ℃，系統(tǒng)粉塵量就急劇增加，導(dǎo)致洗滌系統(tǒng)負(fù)荷增大。

優(yōu)化措施：造粒機(jī)實(shí)際溫度控制在105～110 ℃范圍內(nèi)。

(5)造粒噴頭壓力

造粒噴頭壓力由壓力控制閥調(diào)節(jié)，按設(shè)計(jì)要求，該壓力控制在0.11～0.18 MPa范圍內(nèi)。實(shí)踐證明，造粒噴頭壓力控制在設(shè)計(jì)要求上限或超過上限操作，造粒機(jī)粉塵生成量增加。其原因在于伴隨造粒噴頭壓力的增大，噴頭噴淋高度增加，霧化液滴容易穿透造粒機(jī)流化床層的稀相區(qū)，從而形成大量粉塵[4]；嚴(yán)重時(shí)，液滴直接被噴射至造粒機(jī)頂部，導(dǎo)致頂部結(jié)疤急速長(zhǎng)大。

改進(jìn)措施：控制造粒噴頭壓力在設(shè)計(jì)低限操作；造粒噴頭壓力過高時(shí)，及時(shí)增加噴頭組。

(6)破碎機(jī)的維護(hù)

破碎機(jī)輥間距太小，直接導(dǎo)致大顆粒尿素經(jīng)破碎后產(chǎn)生的粉塵量增多[5]。

改進(jìn)措施：通過定期分析產(chǎn)品粒度分布來調(diào)整破碎機(jī)輥間距；定期清理滾筒間的結(jié)疤，清洗造粒機(jī)時(shí)徹底清洗該結(jié)疤。

3.2 后處理措施

目前，洗滌系統(tǒng)運(yùn)行良好，主要在加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)粉塵的收集方面采取了以下改進(jìn)措施。

(1)定期沖洗除塵管線。各個(gè)除塵點(diǎn)設(shè)置有除塵管線，用于收集粉塵集中部位的粉塵，這些管線一般在每年大修時(shí)才進(jìn)行徹底沖洗。但現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行一段時(shí)間后，各除塵點(diǎn)的粉塵較多，除塵管線被粉塵完全堵死，每年1次的除塵管線沖洗無法滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，故安排在裝置停車時(shí)定期清洗除塵管線。

(2)增設(shè)除塵點(diǎn)。原工藝設(shè)計(jì)僅在振動(dòng)篩、破碎機(jī)、斗提機(jī)等處設(shè)置除塵點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)尿素成品皮帶輸送機(jī)的下料口處粉塵量較大，導(dǎo)致成品皮帶棧橋處煙霧彌漫。成品皮帶棧橋設(shè)計(jì)有30°的斜坡，地面為鋼結(jié)構(gòu)，粉塵吸潮后較滑，工藝操作人員在運(yùn)轉(zhuǎn)的皮帶輸送機(jī)旁清掃及巡檢時(shí)，存在較大安全隱患。另外，造粒導(dǎo)向器、最終產(chǎn)品冷卻器原設(shè)計(jì)未設(shè)置除塵管線，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，增設(shè)成品皮帶輸送機(jī)下料口、造粒導(dǎo)向器、最終產(chǎn)品冷卻器等處的除塵管線，保證成品輸送過程的現(xiàn)場(chǎng)清潔衛(wèi)生。

(3)更換碳鋼除塵管線。原設(shè)計(jì)除塵管線材質(zhì)為碳鋼，腐蝕嚴(yán)重，每次沖洗時(shí)都有大量的銹渣，導(dǎo)致回收溶液的污染。為此，將除塵管線逐步更換為不銹鋼管或PVC管，避免了管線的腐蝕和結(jié)垢。

(4)更換大流量除塵風(fēng)機(jī)。原除塵風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)空氣流量為8 250 kg/h，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)除塵需求。增加更多的現(xiàn)場(chǎng)除塵點(diǎn)后，更換大流量除塵風(fēng)機(jī)的要求更加迫切。在不改變?cè)龎m風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管、連接尺寸及基礎(chǔ)的情況下，更換為空氣流量16 500 kg/h的除塵風(fēng)機(jī)，有效改善了尿素造粒裝置的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

4 結(jié)語

尿素粉塵能引起造粒機(jī)結(jié)疤、設(shè)備故障、堵料事故，影響尿素產(chǎn)品質(zhì)量及安全、環(huán)保一系列問題。針對(duì)影響粉塵生成的因素，提出了優(yōu)化控制措施，從源頭控制粉塵的生成量。在粉塵后處理方面，采取定期沖洗除塵管線、增設(shè)除塵點(diǎn)、更換除塵管線材質(zhì)、更新除塵風(fēng)機(jī)等措施，加強(qiáng)粉塵的收集。經(jīng)以上綜合治理，尿素造粒裝置的粉塵得到有效控制，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境明顯改善。