復合肥生產裝置燃煤熱風爐環保現狀分析及改造方案

何指揮

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉 453000)

1 改造前情況

1.1 工藝流程

河南心連心化肥有限公司復合肥分公司現有3條150 kt/a旋轉造粒生產線，其生產工藝流程為尿素、磷酸一銨、氯化鉀、添加劑等原料按比例摻混后送入破碎機進行破碎，破碎后的物料送至造粒機中并噴入適量的蒸汽和水使物料黏結成粒，出造粒機的濕顆粒進入臥式旋轉筒干燥機與熱風逆向直接接觸換熱。熱風熱源由燃煤熱風爐提供，所用燃煤為趙固塊煤，含硫質量分數低于0.4%。正常情況下的燃煤熱風爐爐膛燃燒溫度在600～700 ℃，出爐膛的高溫煙氣進入尾部煙室，與吸入的冷風摻混后溫度降至200 ℃以下，隨后經煙道進入引風機；煙道上設置有冷風吸入口，通過調節冷風吸入量使進入干燥機的熱風溫度保持在170 ℃以下，短時生產全固體配方肥料時干燥溫度需達300 ℃；經干燥機后攜帶粉塵的熱風溫度降至45～70 ℃，通過風機抽出后依次經旋風除塵器、重力沉降室、文丘里洗滌器，最后經由50 m高的煙囪排放。

1.2 工藝參數

干燥機進口熱風溫度170 ℃，當生產全固體配方肥料時為300 ℃(根據銷售訂單確定運行時間)，進口熱風流量60 000～80 000 m3/h。單條生產線最大產能(只存在于個別配方，并取最好狀態)27 t/h。噸復合肥耗煤量11 kg，燃煤熱風爐平均耗煤量約120 kg/h，最大耗煤量300 kg/h，燃煤發熱量約28 464 kJ/kg(6 800 kcal/kg)。平均年運行時間為7 560 h，參考歷年耗煤量情況，3臺燃煤熱風爐平均年耗煤在2 750 t左右。煤炭價格按照810元/t進行計算，年燃煤成本約為223萬元。

1.3 排放煙氣檢測數據

2016年10月，對復合肥裝置外排尾氣進行了檢測，檢測結果分別如表1和表2所示。

表1 復合肥裝置排放尾氣檢測數據

項目煙道內煙道外煙塵質量濃度/(mg·m-3) 煙煤模式2522 褐煤模式1613氮氧化物質量濃度/(mg·m-3)<10煙氣溫度/℃31含氧體積分數/%20．4一氧化碳體積分數7×10-6

注：1)檢測儀器為德國菲索STM225型檢測儀

表2 復合肥裝置排放尾氣中固體顆粒和氣態污染物檢測數據

濾筒初始質量/g采樣后質量/g凈質量/mg采樣體積/L煙塵質量濃度/(mg·m-3)1#1．07711．092014．9537．227．72#1．08221．126444．2536．882．33#1．09931．147748．4536．890．2

注：1)按照《固定污染源排氣中顆粒物和氣態污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)采樣；2)檢測儀器為嶗應3012H型自動煙塵(氣)測試儀；3)煙氣流量約80 000 m3/h，氮氧化物、二氧化硫未檢出，含氧體積分數20.9%；4)濾筒內部無可見雜質成分，增加的質量主要來自于干燥過程中攜帶的肥料細微顆粒及尿素揮發產生的氣溶膠類物質

1.4 存在的問題

復合肥生產項目環評備案時的煙塵排放執行《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)，煙塵排放限值為120 mg/m3，原始設計煙囪高度為30 m，實際建成高度為50 m。2015年對環評進行了修訂，將煙囪高度調整為50 m。2015年3月24日，新鄉市環保局對項目組織了環保驗收，驗收標準為旋轉造粒、烘干工段煙塵、二氧化硫、氮氧化物執行《工業爐窯大氣污染物排放標準》(GB 9078—1996)，煙塵、二氧化硫排放限值分別為200 mg/m3和850 mg/m3，驗收結論為合格，但并未明確是實測值合格還是折算值合格。根據GB 9078—1996規定，過量空氣系數為1.7，換算成基準氧含量為8.6%(體積分數，下同)。

2015年，河南省頒布了地方標準《工業爐窯大氣污染物排放標準》(DB41/ 1066—2015)，規定在用爐窯自2017年1月1日起，煙塵、二氧化硫以及氮氧化物的排放限值分別執行30，200和400 mg/m3，按照基準氧含量9%分別計算折算值。但因此次檢測煙氣中氧含量接近大氣中氧含量，折算系數高達120，即使實測濃度降至超低排放標準也無法保證煙塵、二氧化硫和氮氧化物的折算值達標。

2 原因分析

針對復合肥裝置存在的問題，其原因分析如下。

(1) 復合肥裝置采用旋轉造粒生產工藝，決定了系統處于常壓下運行，干燥機采用開口進料、負壓工作，不可避免要吸入大量的空氣，從而造成氧含量升高。

(2) 熱風爐耗煤量較少，產生的高溫煙氣與大量的冷空氣摻混，大大稀釋了燃煤產生的煙塵、二氧化硫和氮氧化物，再經干燥、旋風除塵、重力除塵、文丘里洗滌除塵等工序后，排放尾氣中的污染物濃度已經很低，重量法檢測的粉塵主要來源于干燥過程。

(3) 工業爐窯是指直接用高溫煙氣加熱工質、與粉狀物料間接接觸、不用空氣稀釋，從嚴格意義上講，旋轉造粒工藝不應執行《工業爐窯大氣污染物排放標準》，執行《大氣污染物綜合排放標準》更為合適。

3 改造方案

根據河南心連心化肥有限公司復合肥分公司的生產現狀，制定了2種改造方案并分析了各自的優缺點。

3.1 方案一：燃煤改燃氣

此方案是將燃料由燃煤改為燃氣，即采用氮肥生產系統的弛放氣作為燃料。燃煤改燃氣通常采用燃燒機，具有自動化程度高、安全可靠的優點。結合湖南岳陽創新爐窯燃燒設備制造廠生產的設備，制定了燃煤改燃氣方案。

3.1.1 主要參數

1 m3(標態)弛放氣低位發熱值15 069 kJ(3 600 kcal)，燃氣燃燒器平均燃氣消耗量為914 m3/h(標態)，動態燃氣壓力5～8 kPa，供熱能力12 557 555 kJ/h(3 000 000 kcal/h)，燃氣溫度為常溫，安裝燃燒器1只，燃燒效率≥95%，單臺燃燒器價格約7萬元，供貨周期20 d。

3.1.2 燃氣成本

3臺熱風爐消耗弛放氣2 752 m3/h，弛放氣價格0.27元/m3，燃氣成本約為743元/h，年燃氣成本約562萬元。

3.1.3 優缺點對比

優點：燃燒弛放氣熱效率較高，產生的煙塵、二氧化硫和氮氧化物濃度較低，利于環保達標。

缺點：改造難度較大，需對熱風爐本體進行改造，鋪設的管線較長，改造投資較大；弛放氣屬于危險氣體，使用不當容易發生爆炸事故；燃氣熱風爐仍需按照GB 9078—1996執行，而旋轉造粒工藝不可避免地要吸入大量空氣，氧含量與大氣基本相同，折算系數非常高，無法達到標準要求；受氮肥生產系統波動的影響大，一旦氮肥裝置停車，弛放氣停止供應，熱風爐無法運行。

3.2 方案二：改蒸汽加熱

3.2.1 改造流程及投資

使用壓力為1.3 MPa、溫度為190 ℃的飽和蒸汽通過翅片式換熱器加熱空氣，將空氣由常溫(冬季最低-10 ℃)加熱至170 ℃，50 000 m3/h(標態)的冷空氣需消耗蒸汽6 t/h，需換熱面積2 200 m2，換熱后蒸汽變為190 ℃的飽和水，換熱器尺寸為2 800 mm×2 000 mm×1 700 mm，空氣側阻力為450 Pa，3臺翅片式換熱器的價格約為40萬元。

目前，河南心連心化肥有限公司復合肥分公司二分廠造粒使用壓力為1.3 MPa、溫度為220 ℃的過熱蒸汽，3條生產線最大用汽量為8～9 t/h，改用同樣壓力的飽和水即可滿足造粒要求，由此測算新增蒸汽耗量約9 t。蒸汽價格按照80元/t計，用汽成本約720元/h，換熱后的飽和水返回除氧器，可抵消部分成本。

3.2.2 優缺點對比

優點：改造簡單，改造工期較短；省去熱風爐，污染物排放不必執行《工業爐窯大氣污染物排放標準》，可按照現行的《大氣污染物綜合排放標準》執行，目前排放濃度符合標準要求；可以取消熱風爐操作崗位，降低操作人員的勞動強度，改善作業環境；受氮肥生產系統的波動影響較小；資源可以回收利用，符合清潔生產要求。

缺點：受蒸汽溫度限制，無法滿足更高的熱風溫度要求，需增設電加熱裝置，生產全固體配方肥料時將熱風溫度由170 ℃提高至300 ℃，消耗電能1 511 kW。

3.3 改造方案的確定

方案二不僅使工業園區內的資源得到了合理利用，而且是清潔能源，蒸汽產生的冷凝液可循環利用。因此，利用2016年11月生產淡季停車檢修機會，采用方案二進行了改造。

4 改造后運行情況

自2016年11月29日河南心連心化肥有限公司復合肥分公司一車間和二車間生產裝置開車后，蒸汽換熱器相繼投入使用，各溫度數據統計如表3所示。

表3 蒸汽換熱器投運后溫度數據統計

車間肥料類型生產配方測溫點溫度/℃一車間尿基配方30?5?5蒸汽換熱器進口160～16528?5?5干燥機進口130～13626?10?12干燥機出口43～57全固體配方17?17?17S蒸汽換熱器進口165～168干燥機進口136～142干燥機出口50～57二車間尿基配方28?10?1218?15?13蒸汽換熱器進口160～165干燥機進口130～136干燥機出口43～57

由表3可知，6個配方的復合肥分為尿基和硫基2種類型，除了全固體配方肥料17- 17- 17S外，其余均為尿基配方肥料。

生產尿基配方肥料時，蒸汽換熱器的蒸汽進口閥開度約為2絲，平均臺時產量在13 t左右，干燥機進口空氣溫度可達130 ℃以上，產品中水分質量分數可控制在0.38%～0.96%，平均控制在0.56%左右，產品顆粒強度在22.01～30.31 N/顆，達到指標要求。當水分質量分數低于1%時，繼續降低水分含量的難度大大增加，即生產尿基配方肥料時，干燥機進口空氣溫度無需過高，控制在115～125 ℃即可，既可保證產品水分含量及強度滿足要求，又可降低蒸汽消耗，從而降低生產成本。另外，在生產18- 15- 13尿基配方肥料時，臺時產量可達16 t，產品中水分質量分數在0.7%～1.0%，產品顆粒強度在22～25 N/顆，各項工藝指標均能達到指標要求。因此生產尿基配方肥料時可盡量多使用尿液，既可提高物料溫度和成球效果，同時產品外觀有光澤、色澤較為均勻，而且含氮質量分數18%～20%、低磷配方肥料可采用全尿液生產。

生產全固體配方肥料時，干燥機進口空氣溫度控制在136～142 ℃，臺時產量可維持在12 t，產品含水質量分數可控制在0.54%～1.08%，平均控制在0.8%左右，平均顆粒強度在24 N/顆左右。因本次生產的17- 17- 17S全固體配方肥料以硫酸鉀為原料，未添加氯化銨，且磷酸一銨和硫酸鉀的黏性較強，造粒效果較好，無法代表所有全固體配方肥料的生產狀況，需要通過生產添加氯化銨的全固體配方肥料作進一步的觀察。根據產品水分測定結果，采用普通粉狀尿素，蒸汽量控制在660～990 kg/h，臺時產量可提高1～2 t，預計水分質量分數可保持在1.1%左右，顆粒強度可達到20 N/顆以上。

5 結語

采用蒸汽換熱器替代燃煤熱風爐，不但實現了復合肥生產裝置尾氣中污染物的超低排放，而且通過清潔能源的合理利用，實現了使用前資源的共享、使用后資源的可持續循環利用，杜絕了燃氣與燃煤產生的二次污染，具有顯著的環保價值，值得推廣。