宜化股份中孚化工有限公司采用自然通風(fēng)尿素造粒塔制造顆粒尿素。1#塔和2#塔的生產(chǎn)能力均為12萬t/a。1#造粒塔高64 m,直徑9 m。2#造粒塔高70m,直徑11m。由于生產(chǎn)過程中造粒塔尾氣中尿素粉塵排放量大,必須對(duì)造粒塔飄出的尿素粉塵進(jìn)行回收?；厥諗M采用清潔生產(chǎn)方案,該方案不僅可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)具有一定的社會(huì)效益和環(huán)境效益。筆者擬針對(duì)造粒塔排放尿素粉塵情況及其回收方案進(jìn)行探討和分析。
1　尿素粉塵產(chǎn)生的原因及危害
1. 1　尿素造粒塔運(yùn)行情況
從二分塔出來的尿液經(jīng)閃蒸以及一、二段蒸發(fā)系統(tǒng)真空加熱提濃成為99. 7%的熔融尿液。熔融尿液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)噴頭,因噴頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力被甩出噴頭小孔,形成一縷縷細(xì)流,細(xì)流又被高速旋轉(zhuǎn)的噴頭切割成極短的小液柱,由于液體有內(nèi)聚力而形成小液滴,均勻地噴灑于整個(gè)塔截面上,在塔內(nèi)與冷卻介質(zhì)———空氣逆流接觸,經(jīng)過凝固和冷卻2個(gè)過程后尿素顆粒落入塔底。塔底收集的尿素顆粒經(jīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到篩分網(wǎng)進(jìn)行粒徑分離,合格的顆粒進(jìn)入流化床降溫除塵,得到的尿素顆粒成品送電子秤包裝。鼓風(fēng)機(jī)輸送的涼風(fēng)從底部進(jìn)入流化床將粉塵(包括1. 2 mm以下的微小顆粒)和熱量帶走。被風(fēng)吹出來的粉塵和微小顆粒進(jìn)入洗滌裝置,洗滌室內(nèi)循環(huán)噴淋的洗滌液溶解粉塵,形成濃度為40% ~50%的尿素水溶液,經(jīng)回收泵返回閃蒸、蒸發(fā)系統(tǒng)后,得到熔融尿液進(jìn)入造粒工段,從而實(shí)現(xiàn)粉塵回收。尿素生產(chǎn)工藝流程見圖1。
1. 2　尿素粉塵產(chǎn)生的原因
(1)化學(xué)反應(yīng)過程造成的粉塵　噴出的熔融物在較高溫度下和偏低的氨壓下引起尿素分解而產(chǎn)生異氰酸和氨,但在冷卻條件下,該2種介質(zhì)在重新相遇后又能反應(yīng)生成尿素。熔融物溫度越高,分解越劇烈,形成的粉塵也增多。這樣產(chǎn)生的尿素粉塵極為細(xì)小,均在10μm以下。
(2)噴頭噴射出的粉塵　從單個(gè)小噴孔噴射試驗(yàn)中可以觀察到,在噴孔射流周圍總出現(xiàn)幾條微細(xì)射流或微粒軌跡。當(dāng)噴孔加工不規(guī)則時(shí),如有凸緣、毛刺或劃痕缺陷,造粒塔就會(huì)產(chǎn)生大量的尿素粉塵。
(3)噴頭操作狀態(tài)不正常引起的粉塵[1]　操作實(shí)踐證明,如果熔融溫度過低、噴量過小或噴頭轉(zhuǎn)速過高或過低,由于黏度增高,噴頭內(nèi)旋轉(zhuǎn)液層厚度分布不佳,就會(huì)引起造粒狀況惡化,細(xì)小空心顆粒增多,同時(shí)粉塵量增大。
(4)各種機(jī)械力破碎所造成的粉塵　這種力包括塔底刮料機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)尿素顆粒破碎和顆粒在冷固前與塔壁或顆粒之間碰撞破碎。后者的發(fā)生往往是由于塔徑與噴灑范圍配合不當(dāng),或通風(fēng)氣流及塔內(nèi)小回流對(duì)噴灑線的擾動(dòng)或噴頭設(shè)計(jì)參數(shù)選用不當(dāng),以及由于孔軸偏斜等原因造成顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的交錯(cuò)所致。
(5)風(fēng)速過大　塔內(nèi)風(fēng)速過大時(shí)所攜帶的粉塵顆粒大,數(shù)量亦多。
1. 3　造粒塔尿素粉塵的危害
尿素粉塵對(duì)環(huán)境的危害較大,粒徑大于7μm的顆粒在風(fēng)速約為0. 5 m /s的大氣條件下大致降落在6 km半徑的區(qū)域內(nèi),對(duì)該區(qū)域的環(huán)境危害較大。造粒塔排放粉塵的90% ~99%均是易溶于水的尿素粉塵,在潮濕多雨地區(qū)粉塵常溶解合并成大顆粒,很快降落在廠區(qū)及其附近,形成腐蝕作用很強(qiáng)的大氣環(huán)境,不僅危害農(nóng)作物生長,而且腐蝕路面、銹蝕金屬設(shè)施、損害建筑物。對(duì)于造粒塔本身,其受損程度更為嚴(yán)重,塔頂部積滿厚厚的尿素粉塵,在雨水作用下結(jié)垢于各處表面,甚至出現(xiàn)灰溜,尿素溶液可向混凝土塔體內(nèi)部滲透從而腐蝕塔體。
1. 4　造粒塔尿素粉塵量計(jì)算
2006年12月17日~19日連續(xù)3天對(duì)1#和2#尿素造粒塔進(jìn)行了全面監(jiān)測,筆者采用熱球式電風(fēng)速計(jì)測量造粒塔放空口氣速,利用大氣采樣器捕集尿素粉塵,采用質(zhì)量法測定造粒塔放空氣中尿素粉塵濃度。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。
　　1#塔截面積為25m2, 2#塔截面積為35m2,由表1可知, 1#尿素造粒塔塔頂放空氣中尿素年流失量為1 108. 08 ,t 2#尿素造粒塔塔頂放空氣中尿素年流失量為1 360. 8 t。
2　尿素粉塵回收清潔生產(chǎn)方案
2. 1　清潔生產(chǎn)方案比較
針對(duì)1#, 2#尿素造粒塔的具體特點(diǎn),提出了3項(xiàng)清潔生產(chǎn)方案:①造粒塔頂部增設(shè)布袋除塵裝置;
②造粒塔頂部增設(shè)濕式除塵裝置;③造粒塔頂部增設(shè)電除塵裝置。由于布袋除塵、濕式除塵方法的阻力均大大超過了自然通風(fēng)尿素造粒塔的允許壓降,因而只能用于機(jī)械通風(fēng)的造粒塔。如果通過外加機(jī)械能克服除塵裝置的阻力,噸尿素耗電一般不小于4 kW•h,1#, 2#尿素造粒塔年產(chǎn)30萬,t其除塵裝置年耗電大于120萬kW•h,約合100萬元。故采用布袋除塵和濕式除塵等除塵設(shè)備來回收自然通風(fēng)尿素造粒塔粉塵是不現(xiàn)實(shí)的。相比之下電除塵系統(tǒng)能滿足尿素造粒塔通風(fēng)量大、允許壓降小、排風(fēng)口位置高和投資成本低的要求。電除塵器是安裝在排放塵源上方的一種輕型除塵設(shè)備,其處理能力很大。上海寶鋼[2]120 t轉(zhuǎn)爐設(shè)置的屋頂除塵器,其處理煙氣量可達(dá)50萬m3/h,煙氣溫度80℃,煙氣濃度800 mg/m3,除塵效率大于90%,除塵器阻力小于30 Pa。
2. 2　增設(shè)電除塵裝置可行性分析
電除塵能否應(yīng)用于尿素造粒塔放空氣,關(guān)鍵在于它的除塵效果和安全可靠性。
(1)電除塵器對(duì)粉塵的比電阻有一個(gè)適宜的范圍,一般為104~1011Ω•cm。根據(jù)上海華東理工大學(xué)1995年對(duì)化肥廠尿素裝置產(chǎn)品尿素的比電阻測定結(jié)果[2],產(chǎn)品尿素比電阻為2. 89×109Ω•cm,尿素粉塵比電阻為1. 98×109Ω•cm,其比電阻都在電除塵要求的最佳比電阻值范圍內(nèi)。
(2)尿素造粒塔放空氣粉塵濃度分別為1. 9g/m3和1. 5 g/m3(均小于30 g/m3),粉塵濃度在電除塵器要求的最佳濃度范圍內(nèi)[3],無須設(shè)置預(yù)除塵裝置。
(3)造粒塔尾氣氣速為0. 9~1 m/s(在0. 5~1. 5 m/s之間),尾氣氣速適宜電除塵器運(yùn)行。
(4)尿素粉塵的粒徑分布對(duì)電除塵的除塵效率有很大的影響。粉塵的驅(qū)進(jìn)速度與粉塵的粒徑成正比,粉塵粒徑越大,驅(qū)進(jìn)速度越快,電除塵效率越高[4]。1#, 2#尿素造粒塔尾氣粉塵粒徑為2 ~10μm,電除塵效率可以達(dá)到98%。
(5)湖南洞庭氮肥廠[2]于1985~1986年進(jìn)行了尿素裝置造粒塔電除塵模擬試驗(yàn),其工藝數(shù)據(jù)證明采用電除塵回收尿素粉塵的方案是可行的。南京棲霞山化肥廠于1986年在成品包裝皮帶機(jī)處增設(shè)了1臺(tái)高壓靜電除塵器,除塵效果也比較明顯。以上分析說明尿素粉塵用靜電除塵器回收粉塵的方案是可行的。
2. 3　電除塵裝置增設(shè)方案
(1)除塵裝置安裝方案　在造粒塔塔頂排氣口上設(shè)置收塵極板,在收塵極板間安裝電極,接通高壓電源而形成電場。當(dāng)含塵氣體通過電場時(shí),粉塵在電場力作用下聚集在收塵極上,凈化后的氣體排出。在電除塵裝置的收塵極板上安裝電磁振打器,定時(shí)振打清掃收塵極上的粉塵,尿素粉塵落到塔底經(jīng)皮帶輸送機(jī)送到篩分處,再進(jìn)入流化床被鼓入的空氣帶入洗滌室。尿素粉塵經(jīng)噴淋后形成濃度為40% ~50%的尿素水溶液,經(jīng)回收泵返回閃蒸、蒸發(fā)系統(tǒng)后,熔融尿液重新進(jìn)入造粒工段。為便于操作,最好將控制室設(shè)置在造粒塔下方。
(2)電除塵器設(shè)備選型　設(shè)計(jì)中對(duì)電場風(fēng)速的選擇取值為0. 8 m/s,電場提供最高直流電壓為72kV,選擇400mm的寬間距,極板為大C型,極線用RS線。采用40m2電除塵器,其設(shè)備性能參數(shù)。
技術(shù)指標(biāo)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)
1#塔處理廢氣量/m3•h-1100×103廢氣溫度/℃常溫
2#塔處理廢氣量/m3•h-1140×103除塵效率/% 99.3
阻力損失/Pa 294電場負(fù)壓/Pa 3 500
電場有效斷面積/m240電場有效長度/m 10.08
電場風(fēng)速/m•s-10.98極間距/mm 400
電場有效收塵面積/m22 016電流/A 0.3
電場有效高度/m 6.25供電裝置戶內(nèi)式
型號(hào)GGAJ02-0.3A/72kV電壓/kV 72
2. 4　投資及經(jīng)濟(jì)合理性評(píng)估
尿素造粒塔靜電除塵裝置投資預(yù)算:①造粒塔頂電除塵裝置總設(shè)計(jì)費(fèi)10萬元;②電除塵裝置本體制造費(fèi)60萬元;③電除塵裝置電源、儀表控制設(shè)備20萬元;④安裝施工及調(diào)試費(fèi)10萬元。
3　清潔生產(chǎn)方案效益分析
3. 1　經(jīng)濟(jì)效益
宜化1#, 2#造粒塔每年排放粉塵約2 468 t/a,增設(shè)電除塵裝置后回收率為80% ~90%,尿素價(jià)格按1 100~1 500元/t計(jì),每年可實(shí)現(xiàn)直接經(jīng)濟(jì)效益217~333萬元。尿素造粒塔電除塵裝置經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析見表3。
3. 2　社會(huì)效益和環(huán)境效益
宜化1#, 2#尿素造粒塔粉塵排放濃度為1. 5~1. 9 g•m-3,直接危害和影響著作業(yè)區(qū)和生活區(qū)職工的身體健康,對(duì)生產(chǎn)設(shè)備帶來一定的腐蝕和損害,對(duì)造粒塔周圍大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。尿素造粒塔增設(shè)電除塵裝置后,按除塵效率98%計(jì),尿素粉塵排放量大為減少,最大排放濃度為38 mg/m3(<120 mg/m3),最大排放速率3. 78 kg/h(<85kg/h),可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放(《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn))。該項(xiàng)目的實(shí)施有利于減緩設(shè)備腐蝕與損害,有利于當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境保護(hù)。