海德魯流化床造粒裝置的粉塵治理

黃衛星

(中海石油化學股份有限公司 海南東方 572600)

中海石油化學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。在實際運行過程中，該造粒裝置的造粒機、冷卻器、破碎機以及輸送、提升、篩分環節存在大量的尿素粉塵，不僅影響造粒裝置的長周期穩定運行和尿素產品質量，而且影響工作環境和操作人員的身體健康。因此，認識造粒粉塵形成機理，分析其生成的影響因素并采取有針對性的措施，加強粉塵治理，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生于造粒機和大顆粒破碎機。

尿素顆粒在造粒機中長大是通過累積機理進行的，即尿液經特制噴頭霧化后，微小的液滴噴灑在流化床層中的晶種表面，通過連續蒸發和固化，從而實現尿素顆粒的長大。霧化的微小尿素液滴若在接觸晶種之前水分就完全蒸發，便會固化形成粉塵；或者噴出的微小液滴直接穿透流化床層，當其沉降速度小于流化空氣的帶出速度時，便形成粉塵并隨造粒尾氣進入洗滌系統。

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

此外，在輸送、提升、篩分過程中，由于粒子之間的摩擦、擠壓也會產生少量粉塵。

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、流化床冷卻器和各除塵點(如提升機、破碎機、振動篩的頂部以及皮帶輸送機的卸料點等)。造粒機出口廢氣中含有約占裝置產量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的粉塵量比造粒機處少得多，顆粒也更大,平均粒徑為20 μm。含尿素粉塵的廢氣原通過3臺除塵風機進入沖擊型濕式洗滌塔中進行凈化回收處理，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，除惡化工作環境、危害操作人員健康之外，還會產生如下影響。

2.1 造粒機結疤

造粒機是造粒裝置的核心設備，造粒機內的粉塵積累形成結疤，按存在的部位可以分為多孔板堵塞、造粒機外壁結疤、出口風道結疤三大類。多孔板堵塞會導致造粒機流化空氣量下降，降至一定程度后將引起造粒機晶種不流化，噴頭噴出的尿液直接灑落在床層上，使尿素粒子發生黏連而形成大塊，導致出料惡化。造粒機外壁結疤，特別是造粒機頂部的結疤累積至一定程度后，會脫落砸入造粒機床層中并壓住噴頭，噴頭噴出的尿液直接噴在脫落的結疤上，使結疤不斷長大，直至造粒機死床。出口風道結疤將導致造粒機出口負壓無法維持，對造粒機后期的安全運行有較大的影響。

造粒機結疤是累積效應造成的，量變到一定程度后引起質變，導致造粒機長周期運行中斷，此時必須停運造粒裝置對造粒機進行清洗，由此帶來系統消耗增加、操作強度大等問題。

2.2 引起設備故障

粉塵會惡化設備運行工況，引起設備故障。

(1)斗提機底部粉塵結疤會引起斗提機料斗刮底，造成電動機運行電流突然上升、傳動的三角皮帶斷裂。

(2)粉塵對設備，尤其是對現場電氣和儀表的安全運行構成一定的威脅。飄進現場電氣柜的粉塵容易吸潮，易造成電氣柜故障跳車。粉塵積累在電動機的散熱片、散熱風扇上，致使電機散熱不良，引起設備高溫故障。

(3)粉塵黏附在振動篩篩網網孔上，導致篩分效果變差，致使成品粒度不合格。結疤堵塞下料口等隱蔽位置，引起設備堵料、電動機電流增大。

(4)堵塞設備的除塵管線，導致除塵效果差。因此，設備的除塵管線運行一段時間后，必須安排沖洗。

(5)皮帶輸送機出料口及轉動輥筒結疤，會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

造粒機晶種返料管線上若存在大塊結疤，將導致返料管線上的單向閥卡澀而無法打開，從而引起造粒機返料管堵料。抽料機內部出現結疤，將引起通道堵塞，導致發生堵料事故。由于上述位置比較隱蔽，檢查困難，處理難度較大。

2.4 影響尿素產品質量及其他

粉塵增多不僅影響尿素產品的外觀、粒度及破碎強度，而且會導致尿素散裝庫、包裝樓、轉運棧橋粉塵彌漫，引發職業病。

3 粉塵的綜合治理

粉塵治理措施包括：①從源頭進行控制，深入了解工藝影響因素，改進工藝控制措施，調整相關參數，減少粉塵的生成量；②在粉塵后處理方面，對收集、洗滌系統進行優化，避免粉塵排放。

3.1 源頭控制

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

(1)造粒機進料尿液濃度的控制

海德魯流化床大顆粒造粒裝置要求造粒機進料尿液質量分數≥96%。從分析結果來看，實際進造粒機尿液質量分數低于96%。若進料尿液濃度過低，尿液經霧化后噴灑至晶種表面，其中的水分難以在造粒機所允許的停留時間內完全蒸發，造成生成粒子的強度降低，大量流化粒子相互黏接、摩擦，導致粉塵生成量增大。在實際運行中發現，若進料尿液濃度過低，往往導致系統工況惡化，風機負荷和洗滌系統負荷增大，返回蒸發系統的尿液量增加，造粒機運行周期縮短。

蒸發系統真空度偏低是導致尿液濃度低的主要原因。由于該尿素裝置地處海南省，環境溫度高，蒸發系統真空度在高溫下不易達標。

處理措施：尿素前系統中、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，使系統負荷前移，降低進入蒸發系統尿液中游離氨的濃度，蒸發系統的真空度由-58 kPa提高至-61 kPa。

(2)調整添加劑

海德魯流化床大顆粒造粒裝置要求在進料尿液中添加甲醛作為造粒過程的防結塊劑[2]，其添加量控制在0.45%～0.55%(質量分數)。若甲醛添加量不足，將導致造粒機粉塵量大幅增加。但試驗發現，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，保證1 h左右的反應時間，將生成的脲醛溶液添加至質量分數96%的尿液中，造粒得到的尿素顆粒強度更高，產生的粉塵量更少。

技改措施：在尿素裝置蒸發系統框架上增設脲醛反應器，將原直接添加至尿液泵出口的甲醛改為添加至該反應器，在此與尿液充分反應后再加入尿液泵的入口。經此改造后，洗滌系統返回前系統質量分數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；尿素產品的抗破碎強度由20 N/顆提高至40 N/顆，外觀及表面更光潔。

(3)造粒機料位的控制

流化床造粒技術是通過噴頭將熔融尿液噴灑至處于流化狀態的晶種上而得到顆粒狀尿素，當造粒機料位過低時，噴頭噴出的霧化液滴就會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，隨著除塵風機的抽吸，霧化液滴進入洗滌系統，導致洗滌系統負荷增大。

控制措施：通過現場噴淋試驗，確定噴頭在正常運行壓力下噴射的液滴高度，以此高度控制造粒機料位。在實際控制中，要求造粒機的料位控制在1 m以上，充滿整個觀察視鏡，同時防止流化床形成溝流、涌流等非正常流化狀態，防止霧化液滴的逃逸。

(4)造粒機溫度的控制

在控制中發現，造粒機溫度對造粒系統的穩定運行同樣有著重要的作用。若造粒機溫度低于105 ℃，尿液中的水分在所允許的停留時間內不能被及時蒸發，造成產品水分不合格；若造粒機溫度過高，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、干燥、固化，導致粉塵的大量生成[3]。一般造粒機溫度超過110 ℃，系統粉塵量就急劇增加，導致洗滌系統負荷增大。

優化措施：造粒機實際溫度控制在105～110 ℃范圍內。

(5)造粒噴頭壓力

造粒噴頭壓力由壓力控制閥調節，按設計要求，該壓力控制在0.11～0.18 MPa范圍內。實踐證明，造粒噴頭壓力控制在設計要求上限或超過上限操作，造粒機粉塵生成量增加。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流化床層的稀相區，從而形成大量粉塵[4]；嚴重時，液滴直接被噴射至造粒機頂部，導致頂部結疤急速長大。

改進措施：控制造粒噴頭壓力在設計低限操作；造粒噴頭壓力過高時，及時增加噴頭組。

(6)破碎機的維護

破碎機輥間距太小，直接導致大顆粒尿素經破碎后產生的粉塵量增多[5]。

改進措施：通過定期分析產品粒度分布來調整破碎機輥間距；定期清理滾筒間的結疤，清洗造粒機時徹底清洗該結疤。

3.2 后處理措施

目前，洗滌系統運行良好，主要在加強現場粉塵的收集方面采取了以下改進措施。

(1)定期沖洗除塵管線。各個除塵點設置有除塵管線，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才進行徹底沖洗。但現場檢查發現，運行一段時間后，各除塵點的粉塵較多，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場需求，故安排在裝置停車時定期清洗除塵管線。

(2)增設除塵點。原工藝設計僅在振動篩、破碎機、斗提機等處設置除塵點，在實際運行過程中發現尿素成品皮帶輸送機的下料口處粉塵量較大，導致成品皮帶棧橋處煙霧彌漫。成品皮帶棧橋設計有30°的斜坡，地面為鋼結構，粉塵吸潮后較滑，工藝操作人員在運轉的皮帶輸送機旁清掃及巡檢時，存在較大安全隱患。另外，造粒導向器、最終產品冷卻器原設計未設置除塵管線，根據現場實際情況，增設成品皮帶輸送機下料口、造粒導向器、最終產品冷卻器等處的除塵管線，保證成品輸送過程的現場清潔衛生。

(3)更換碳鋼除塵管線。原設計除塵管線材質為碳鋼，腐蝕嚴重，每次沖洗時都有大量的銹渣，導致回收溶液的污染。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垢。

(4)更換大流量除塵風機。原除塵風機設計空氣流量為8 250 kg/h，無法滿足現場除塵需求。增加更多的現場除塵點后，更換大流量除塵風機的要求更加迫切。在不改變原除塵風機進出口管、連接尺寸及基礎的情況下，更換為空氣流量16 500 kg/h的除塵風機，有效改善了尿素造粒裝置的現場環境。

4 結語

尿素粉塵能引起造粒機結疤、設備故障、堵料事故，影響尿素產品質量及安全、環保一系列問題。針對影響粉塵生成的因素，提出了優化控制措施，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、增設除塵點、更換除塵管線材質、更新除塵風機等措施，加強粉塵的收集。經以上綜合治理，尿素造粒裝置的粉塵得到有效控制，現場工作環境明顯改善。