關于我國尿素造粒塔環保改造問題的探討

王偉臻

(綠色造粒技術有限公司， 北京 100102)

《化學肥料工業大氣污染物排放標準》目前處于征求意見階段，該標準的實施已不可避免。在2017年7月12日由中國石油和化學工業聯合會主辦的《化學肥料工業大氣污染物排放標準》(征求意見稿)討論會上，最新公布的尿素造粒塔的顆粒物“排放限值”確定為30 mg/m3(標態)，而“特別排放限值”確定為20 mg/m3(標態)，這對于在我國產能占比高達85%的塔式尿素生產企業來說影響和震動極大。在面對行業產能過剩、優惠政策取消、生產成本不斷上漲、市場價格低迷以及越來越嚴格的環保督察等一系列經濟和環保壓力的同時，所有的塔式造粒尿素生產企業都將需要投入巨額資金進行造粒塔的環保改造或造粒技術替換。然而，由于長期的環保欠賬，加上造粒塔改造的難度和風險極大，使得國內尿素造粒塔的改造問題陷入了一個“大工程公司不愿接，小技術公司改造達標難和安全風險大”的困局[1-2]。

筆者自2012年就開始關注國內尿素造粒塔的污染問題，調研了其環保改造的技術可行性和經濟性，先后與國內外的尿素生產企業、工程公司、技術專利商及資深技術專家等進行了廣泛的交流，并參與了中國石油和化學工業聯合會、中國氮肥工業協會組織的對新標準征求意見稿的討論。本文就筆者幾年來的調研結果，結合國外尿素造粒技術的總體情況和尿素造粒塔改造辦法以及國內尿素生產企業的實際情況，進行綜合的介紹。

1 我國尿素行業的塔式造粒技術和環保水平現狀及改變的必要性

塔式造粒和流化床造粒是當今世界上最主要的尿素造粒技術。國內以塔式造粒為主，產能占比高達85%左右，且全部是污染嚴重的自然通風式傳統造粒塔；國外則以更加環保的流化床造粒技術為主，產能占比高達80%，且新建裝置基本都采用了流化床造粒技術。目前國外只有獨聯體國家和南亞/東南亞地區還在以塔式造粒為主，塔式造粒產能占比分別為81%和90%。

盡管獨聯體國家也是以塔式造粒為主，但與我國不同的是，獨聯體國家從1971年就開始逐步棄用我國目前廣泛采用的自然通風式傳統造粒塔，而普遍采用了強制通風加塔頂洗滌的新型造粒塔，并對尚存的傳統造粒塔進行了升級改造。這項工作主要由俄羅斯NIIK公司設計和實施。

我國作為世界第一大尿素生產國和使用國，尿素年產能高達77 000 kt，占世界總產能的40%，尿素年產量高達62 000 kt左右，占世界總產量的1/3，且生產企業分布得十分集中，超過一半的尿素產能集中在北京周邊500～700公里的半徑范圍內。長期以來我國一直采用自然通風式傳統造粒塔，顆粒物排放標準一直限定在150 mg/m3(標態)，而業內外普遍認為實際排放值高于、甚至遠高于現行限值，令尿素生產行業一直飽受社會所詬病。尤其是近年來備受關注的霧霾問題，使國家面臨巨大的國內和國際壓力。

此外，150 mg/m3(標態)的顆粒物排放標準在化肥行業已實施幾十年，既嚴重滯后于國際尿素生產行業，也不符合我國科學發展的理念，客觀上造成了污染嚴重的自然通風式傳統造粒塔在國內普遍使用和積重難返的窘狀。經過40余年的技術引進和消化吸收，我國尿素生產行業在氨合成和尿素合成領域的技術水平已居世界前列，然而擁有的尿素造粒環節的技術和環保水平偏低，這與我國工農業現代化的發展方向是相悖的。滯后的標準和落后的技術不僅使我國成為受尿素粉塵污染影響最嚴重的國家，也造成了巨額的經濟損失。按照我國現有尿素產能計算，即使所有生產企業都按照150 mg/m3(標態)的標準排放顆粒物，每年相當于有一套800 kt裝置生產的尿素釋放到大氣中。

盡管現在國內尿素生產企業的經濟和環保壓力已經很大，但仍需認識到我國當前尿素造粒塔的技術含量偏低和污染嚴重的現實，積極配合國家新標準的實施進行有效的技術改造或技術置換，逐步走入綠色、環保的發展軌道，實現產業的進一步升級。

2 關于我國尿素造粒塔環保改造方案的探討

實際上，行業內針對尿素粉塵有濕法洗滌、電除塵、布袋除塵和電袋復合除塵等多種有效的處理方式，而造粒塔粉塵處理的難點在于排污點過高(達80～120 m)，且無可靠的除塵設備安裝位置。調研發現，造粒塔的粉塵處理問題在國外也是一個難題，沒有很經濟的解決辦法。以下將結合國外在尿素造粒環節的環保經驗進行討論，供我國尿素生產企業參考。

2.1 借鑒國外成熟經驗，規范改造國內尿素造粒塔

如上所述，俄羅斯NIIK公司設計并實施了獨聯體國家的新型造粒塔建設和傳統造粒塔改造。NIIK公司對自然通風式傳統造粒塔的改造內容包括：① 增加尿素顆粒的降落高度；② 增加廢氣洗滌系統，并封閉塔頂；③ 增加廢氣洗滌系統的塔內支撐結構；④ 增加造粒塔內部冷空氣的線速度；⑤ 塔內底部增加流化床冷卻器等。通過洗滌改造，將自然通風式傳統造粒塔改造為強制通風式新型造粒塔，使游離氨排放值降至40 mg/m3(標態)、尿素粉塵排放降低到25 mg/m3(標態)。同時，由于在造粒塔原始設計中未考慮到新增塔頂洗滌系統的巨大質量，NIIK公司在造粒塔內部設計了從底部到頂部的支撐結構，由該支撐和造粒塔頂共同分擔新增洗滌系統的質量，以確保改造后造粒塔的結構安全；考慮到塔頂封閉和塔內支撐縮小了塔徑，對產品溫度和質量影響較大，NIIK公司在塔底增加了塔內流化床冷卻器，以確保夏季時產品溫度在45～50 ℃。NIIK公司的傳統造粒塔改造示意見圖1。

以上是國外成規模進行新型尿素造粒塔建設和傳統尿素造粒塔改造的唯一可參考實例，設計和改造兼顧了環保、安全和產品質量，但是改造費用大、時間長，運行成本升高，這也印證了傳統造粒塔的改造不存在技術障礙，但是缺少經濟的改造技術，改造代價高。

2.2 借鑒國外先進經驗，逐步用更加環保的流化床造粒技術取代污染嚴重的塔式造粒技術

長期以來，國內尿素生產行業對塔式造粒和流化床造粒這兩項技術一直都有比較，相對來說，自然通風式傳統造粒塔的投資和運行成本較低，而市場上又長期以塔式小顆粒產品為主，對終端用戶用肥習慣存在一定影響，塔式尿素產品在我國的產能一直居高不下。實際上，國外尿素生產企業也十分清楚自然通風式傳統造粒塔在投資和運行成本方面的優勢，但嚴格的環保政策決定了流化床造粒技術的普遍使用。隨著近年來國內環保要求的提高，尤其是《化學肥料工業大氣污染物排放標準》的即將實施，使得自然通風式傳統造粒塔面臨淘汰，無論新塔建設還是老塔改造，生產企業都將不得不投入巨額資金以及較高的運行費用，塔式造粒也失去了原有的經濟優勢，我國尿素造粒也必將向著國外普遍采用的技術含量更高、更環保的流化床造粒技術方向發展。

另外，近年來國際上各技術商在流化床尿素造粒技術發展方面取得了很大的進步。其中，綠色造粒技術有限公司突破傳統觀念，在2012年推出的新一代冷料循環流化床尿素造粒技術(簡稱CRG技術)，極大地簡化和優化了工藝流程(見圖2)，明顯降低了投資和運行成本。隨后綠色造粒技術有限公司進一步研發并陸續向市場推出了尿素中顆粒和小顆粒流化床造粒技術、無甲醛尿素流化床造粒技術、多元增效尿素流化床造粒技術和造粒尾氣超低排放環保技術等一系列先進的、塔式造粒所無法比擬的先進技術，極大地拓寬了流化床造粒技術的適用性，為尿素生產企業提升環保水平、豐富產品結構、增強市場競爭力、提高企業效益等提供了可靠的技術保障。隨著技術的持續進步，流化床造粒技術已經成為建得起、用得起、可替代塔式造粒、性價比較高且優于環保標準要求的實用技術。

圖1 NIIK公司的傳統造粒塔改造示意圖

圖2 綠色造粒技術有限公司的冷料循環流化床尿素造粒技術工藝流程

2.3 采用“分流法”，在解決造粒塔尾氣達標排放的同時，豐富產品結構

“分流法”實際上是在造粒塔改造和以流化床造粒裝置替代造粒塔這兩個方案以外的折衷方案，其出發點主要基于以下考慮：

(1) 造粒塔的環保改造成本極大，生產企業僅為尾氣治理就耗資千萬甚至更高，往往心有不甘。

(2) 以新建流化床造粒裝置來徹底取代現有造粒塔，對于很多生產企業來說難以取舍。

“分流法”環保改造流程見圖3。

眾所周知，造粒塔頂的尾氣溢出量與造粒塔產能直接相關，當造粒塔產能下降時，塔頂尾氣的溢出量也會同比下降。“分流法”的改造思路是，將原引入造粒塔的尿液分流一部分，去生產更為環保的流化床尿素、UAN等產品，通過降低造粒塔負荷來大幅降低粉塵和氨的排放，并根據造粒塔實際強度輔以塔頂洗滌系統，在尾氣達標排放的同時，改善產品質量，調整產品結構。而產品結構調整正是很多生產企業的未來重點投資方向，應與造粒塔改造結合起來，以提升投資效率和經濟性。

圖3 “分流法”環保改造流程

3 關于造粒塔環保改造需要特別重視的幾個問題

3.1 改造指標應具有前瞻性

《化學肥料工業大氣污染物排放標準》在制定過程中，尿素造粒塔的顆粒物“排放限值”開始確定為50 mg/m3(標態)，后來降至30 mg/m3(標態)，而“特別排放限制”開始確定為30 mg/m3(標態)，后來降至20 mg/m3(標態)。盡管標準還沒有最終公布，但是可以看出國家整治化肥行業在生產環節污染問題的決心很大，即使標準最終采用的排放指標較寬松，仍可預見在不久的將來還會進一步嚴苛。因此，造粒塔改造時對排放指標應具有前瞻性，即應按照遠優于標準的指標來改，切不可僅滿足標準，否則將來國家一旦進一步嚴格排放標準，生產企業將陷入改了又改，甚至改無可改的絕境。

3.2 重視改造的安全性

造粒塔改造的首要目的是解決達標排放，從國外的改造經驗和國內的摸索情況看，增加塔頂深度洗滌和塔內強制通風是造粒塔改造的唯一有效辦法，但這種改造方式必然會對產品質量和造粒塔的安全性產生很大影響，尤其是改造后的安全問題。

根據國內某大型工程公司的規范計算，如果按照新標準征求意見稿的指標排放，一座年產能為300 kt的傳統造粒塔，新增塔頂洗滌系統的質量需要達到160 t，而一座年產能為800 kt的傳統造粒塔，新增塔頂洗滌系統的質量需要達到300 t以上。因此，造粒塔改造需要結合原始設計和現場勘察進行規范設計，考慮類似俄羅斯NIIK公司設計中的塔內支撐結構，避免出現塔毀人亡的重大安全事故。

汶川地震后，我國在2010年頒布了國家標準GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》，提高了建筑物的土建標準。對于2010年以前土建標準較低的傳統造粒塔，改造時尤其應該重視塔頂洗滌增重對安全的影響。

3.3 應與正規設計院合作，進行規范設計

傳統造粒塔的環保改造是一個兼顧了達標排放、產品質量和安全生產的系統工程，尤其是我國尿素行業已發展了40多年，造粒塔的情況十分復雜，老塔改造既要考慮原始設計，又要進行現場勘察，更要規范實施。正規設計院專業齊全、設計規范、重視責任和聲譽、綜合實力強，尿素生產企業應與正規設計院合作，規范地進行老塔改造的設計和施工。

3.4 重視新標準中對尿素粉塵檢測方法的規定，避免無效改造和投資

造粒塔的塔徑大、污染物采樣和分析難度高，一直以來，國內尿素造粒塔粉塵排放值的檢測方法缺少統一標準，往往形成當地環保部門、生產企業和改造單位各自使用自定的方法，對檢測結果互不信服的尷尬局面，這一問題在新標準的制定過程中已引起了編制組的高度重視。目前中國氮肥工業協會已完成造粒塔污染物采樣和分析方法的起草，正在行業內征求意見。生產企業在對老塔改造前應嚴格參照新標準對于采樣和分析方法的要求，以免造成無效的改造和投資。

4 結語

《化學肥料工業大氣污染物排放標準》的制定和實施，對我國尿素乃至整個化肥生產行業來說，既是一個巨大的現實壓力和困難，更是一個難得的產業升級的契機。國內尿素的先進產能和落后產能長期共存以及落后產能不愿意輕易退出，導致了整個行業的產能嚴重過剩和經濟效益低下，這種情況的持續必將拖垮先進產能，進而影響整個行業。隨著環保成為新的、并且十分有效的行業準入門檻，勢必將加快我國尿素生產行業落后產能的退出和促進行業的整體升級；對于技術水平相當的先進產能來說，勢必將是得環保者得市場、得效益。只有這樣，我國尿素生產行業才能進入良性、科學發展的軌道上。