除粉功能的尿素板冷器技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

何 浩，張厚清，伍照全

(上海鎬渭工業(yè)技術(shù)有限公司， 上海 201611)

尿素生產(chǎn)過(guò)程中，尿素粒子冷卻除粉是產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要工序。如未冷卻，尿素粒子會(huì)高溫黏結(jié)、結(jié)塊，同時(shí)高溫的尿素粒子在包裝袋內(nèi)自然降溫，會(huì)發(fā)生水分轉(zhuǎn)移、顆粒強(qiáng)度下降、粉化等問(wèn)題[1]。如未除粉，包裝袋內(nèi)產(chǎn)品超出企業(yè)內(nèi)控含塵量指標(biāo)，影響產(chǎn)品外觀(guān)質(zhì)量；施肥遇風(fēng)時(shí)，尿素粉塵可能揚(yáng)到農(nóng)民身上，給施肥者帶來(lái)不便，引發(fā)投訴；粉塵含量過(guò)高導(dǎo)致顆粒表面積增大，尿素顆粒更易黏結(jié)，影響產(chǎn)品銷(xiāo)售。

1 典型冷卻工藝

1.1 流化床冷卻

早期尿素生產(chǎn)企業(yè)主要使用流化床冷卻器(分為沸騰式和振動(dòng)式)。流化床冷卻器采用風(fēng)冷技術(shù)，尿素顆粒在流化狀態(tài)下與作為冷卻介質(zhì)的空氣接觸，利用空氣和顆粒的溫度差進(jìn)行冷卻。因尿素顆粒呈流化狀態(tài)，冷卻過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，需要增加粉塵回收(旋風(fēng)分離或濕法洗滌)裝置和引風(fēng)機(jī)。另外，南方梅雨季節(jié)以及夏季時(shí)，鼓入的空氣會(huì)導(dǎo)致尿素顆粒含水量增加。為了保證濕熱天氣下生產(chǎn)的產(chǎn)品合格，需要額外增加除濕設(shè)備。因此，使用流化床冷卻工藝需要的設(shè)備多、占地面積大、操作和維修復(fù)雜、動(dòng)力消耗高。隨著能源價(jià)格節(jié)節(jié)攀升，流化床冷卻工藝存在的缺點(diǎn)逐漸暴露，尿素企業(yè)迫切需要滿(mǎn)足節(jié)能減排、降本增效要求的冷卻技術(shù)[2]。

1.2 轉(zhuǎn)鼓冷卻

早期，部分尿素生產(chǎn)企業(yè)在大顆粒尿素工藝中使用轉(zhuǎn)鼓冷卻器。轉(zhuǎn)鼓冷卻器采用風(fēng)冷技術(shù)，在引風(fēng)機(jī)的吸力下加快回轉(zhuǎn)筒內(nèi)的空氣流動(dòng)，回轉(zhuǎn)壁上安裝的抄板不斷將物料翻起，使物料與空氣接觸，達(dá)到冷卻目的。過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，需要增加粉塵回收(旋風(fēng)分離或濕法洗滌)裝置和引風(fēng)機(jī)。由于轉(zhuǎn)鼓冷卻器無(wú)法密閉，生產(chǎn)過(guò)程中揚(yáng)起的粉塵對(duì)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響極大。另外，轉(zhuǎn)鼓冷卻與流化床冷卻一樣，到了南方梅雨季節(jié)以及夏季，需要增加空氣除濕設(shè)備。轉(zhuǎn)鼓冷卻工藝缺點(diǎn)為占地面積大、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差、動(dòng)力消耗高、冷卻效果差。

1.3 尿素板冷器

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，應(yīng)用顆粒物料的密相輸送原理,結(jié)合板式傳熱板技術(shù)和精確的固體傳熱模擬軟件的尿素板冷器被尿素企業(yè)廣泛應(yīng)用。19世紀(jì)60年代，Jenike和Johansen發(fā)現(xiàn)密相輸送原理，并建立固體粒子的特征理論，以此預(yù)見(jiàn)固體粒子的流動(dòng)能力。典型的密相輸送倉(cāng)包括垂直筒倉(cāng)和下料錐。當(dāng)有少量物料從密相輸送倉(cāng)中通過(guò)時(shí)，倉(cāng)中的所有物料就會(huì)發(fā)生整體流動(dòng)。為了達(dá)到密相輸送，必須在換熱器的底部安裝可以提供均勻流動(dòng)的下料裝置。底部穩(wěn)定而均勻的流動(dòng)可以使物料勻速地通過(guò)冷卻器的整個(gè)橫截面[3]。

尿素板冷器的傳熱板組由一組立式傳熱板片組成，當(dāng)冷卻水從傳熱板內(nèi)通道流過(guò)時(shí)，通過(guò)熱傳導(dǎo)方式對(duì)傳熱板間的尿素物料進(jìn)行冷卻。在傳熱板的板間通道，尿素顆粒依靠重力均勻可控地自上而下緩慢通過(guò)。

該工藝具有能耗低、運(yùn)行成本低、流程少、占地面積小、無(wú)動(dòng)力部件、維修量小、無(wú)廢氣排放等優(yōu)點(diǎn)，但除尿素粉塵的能力較為有限[4]。

2 除粉功能的尿素板冷器

基于40余套尿素裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)明了帶除粉功能的尿素板冷器。該設(shè)備為立式設(shè)計(jì)，由除粉模塊、進(jìn)料倉(cāng)、傳熱板組、鉸鏈門(mén)下料器和分布式控制系統(tǒng)(DCS)5個(gè)部分組成(見(jiàn)圖1)。

1—進(jìn)料口；2—除粉模塊；3—一級(jí)布風(fēng)板；4—一級(jí)進(jìn)氣口；5—一級(jí)排氣口；6—一級(jí)濾粉格柵；7—二級(jí)布風(fēng)板；8—二級(jí)排氣口；9—二級(jí)濾粉格柵；10—三級(jí)布風(fēng)板；11—三級(jí)排氣口；12—三級(jí)濾粉格柵；13—擋料板；14—進(jìn)料倉(cāng)；15—料位計(jì)接口；16—進(jìn)料溫度計(jì)接口；17—傳熱板組；18—傳熱板；19—傳熱板進(jìn)水口；20—傳熱板出水口；21—進(jìn)水總管；22—出水總管；23—下料器；24—檢測(cè)孔；25—定位器；26—執(zhí)行器。圖1 除粉功能的尿素板冷器結(jié)構(gòu)示意圖

除粉模塊頂部設(shè)置了進(jìn)料口，內(nèi)部設(shè)置了三級(jí)布風(fēng)板，外部設(shè)置了三級(jí)進(jìn)氣口和三級(jí)排氣口，其中排氣口內(nèi)部設(shè)計(jì)有濾粉格柵，底部設(shè)置了擋料板。除粉模塊與進(jìn)料倉(cāng)之間由法蘭連接，進(jìn)料倉(cāng)在側(cè)壁設(shè)置了料位探頭接口和進(jìn)料溫度計(jì)接口。傳熱板組和尿素板冷器類(lèi)似，由一系列空心的傳熱板片組成，傳熱板之間的間距專(zhuān)為固體粒子設(shè)計(jì)。每一片傳熱板有獨(dú)立的進(jìn)水口和出水口，均匯總到傳熱板組的總進(jìn)水管道和出水管道上。下料器由對(duì)稱(chēng)的2塊鉸鏈門(mén)板、下料器倉(cāng)體以及控制鉸鏈門(mén)開(kāi)度的執(zhí)行器和定位器組成。

該工藝具有能耗低、運(yùn)行成本低、流程短、占地面積小、無(wú)動(dòng)力部件、維修量小等優(yōu)點(diǎn)，還能去除成品尿素顆粒中的粉塵。

2.1 運(yùn)行情況和性能測(cè)評(píng)

除粉功能的尿素板冷器于2020年5月在西南某大型尿素企業(yè)投用。2020年6月2—4日，每天共采集3次運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中裝置負(fù)荷、運(yùn)行電耗項(xiàng)目為全天總量，其余項(xiàng)目取3次數(shù)據(jù)的平均數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 除粉功能的尿素板冷器運(yùn)行數(shù)據(jù)表

由表1可以看出：

(1) 除粉功能的尿素板冷器在夏季高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，尿素平均負(fù)荷達(dá)到2 648.0 t/d，達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的98.51%，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，可滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

(2) 進(jìn)料平均溫度為78.4 ℃，出料平均溫度為49.7 ℃，平均降溫溫差為28.7 K。

(3) 進(jìn)尿素板冷器粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.45%，出尿素板冷器粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.96%，平均降低粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.49%。

(4) 除粉功能尿素板冷器的運(yùn)行能耗較低，冷卻單耗僅為0.863 (kW·h)/t。

2.2 設(shè)備優(yōu)勢(shì)

2.2.1 節(jié)省能耗

傳統(tǒng)流化床冷卻器，因?yàn)椴捎么蠊β实墓娘L(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)，能耗極高。具有除粉功能的尿素板冷器采用水冷技術(shù)，上部除粉模塊使用的干空氣只起到除粉的作用。與流化床冷卻器相比，除粉功能的尿素板冷器能耗節(jié)省超過(guò)60%。

2.2.2 超高效的冷卻效果

在具有除粉功能的尿素板冷器傳熱板的板間通道內(nèi)，尿素顆粒依靠重力流動(dòng)，可以精確控制停留時(shí)間，使尿素顆粒充分冷卻，保證尿素顆粒成品質(zhì)量。傳統(tǒng)流化床冷卻器只能冷卻固體粒子的表面，包裝后的產(chǎn)品仍有回溫。

2.2.3 固體產(chǎn)品含濕量穩(wěn)定

夏季或南方梅雨季節(jié)，空氣含水量急劇增加，傳統(tǒng)流化床冷卻器的冷卻風(fēng)會(huì)影響尿素顆粒產(chǎn)品的含濕量。具有除粉功能的尿素板冷器采用冷卻水間接換熱方式，無(wú)成品尿素顆粒含濕量增加的風(fēng)險(xiǎn)，所使用的除粉干空氣經(jīng)過(guò)除油除濕處理，且用量小，對(duì)成品尿素顆粒的質(zhì)量不產(chǎn)生影響。

3 結(jié)語(yǔ)

具有除粉功能的尿素板冷器增加了高效除粉模塊，確保固體粒子含粉量，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。從綜合能耗、操作成本、維修成本、冷卻性能和除粉性能等多方面考慮，具有除粉功能的尿素板冷器均領(lǐng)先傳統(tǒng)流化床冷卻器和轉(zhuǎn)鼓冷卻器。