王 獻(xiàn)

（合肥瑞鑫化工科技有限公司，安徽合肥 230061）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源危機、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，尤其是以PM2.5為代表的顆粒物污染問題受到了大家的廣泛關(guān)注。因此，近年來，國家不斷加大大氣污染的治理力度。

尿素造粒塔是尿素生產(chǎn)（塔式尿素造粒裝置）中的關(guān)鍵設(shè)備，尿素造粒塔內(nèi)通過自然通風(fēng)和機械通風(fēng)使造粒噴頭噴出的融熔尿素在下落過程中凝固成型并冷卻，而在尿素造粒塔頂排放氣中會夾帶不可忽視的尿素粉塵，這些尿素粉塵大部分將降落在附近數(shù)公里范圍內(nèi)，對區(qū)域環(huán)境和周邊人員造成損害；同時，這部分尿素白白地排放掉增加了裝置的消耗，也削弱了企業(yè)在市場中的競爭力，制約了企業(yè)的生存和發(fā)展。因此，對尿素造粒塔粉塵進(jìn)行回收已勢在必行，既有利于提升企業(yè)的競爭力，又有利于節(jié)能環(huán)保。

1 尿素造粒塔粉塵產(chǎn)生的原因及危害

1.1 尿素粉塵產(chǎn)生的原因

尿素造粒塔粉塵的產(chǎn)生有多方面原因，一般認(rèn)為主要有以下幾方面的因素。

（1）熔融尿素成粒過程中會發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)，會產(chǎn)生一些粉塵。

（2）尿液從造粒噴頭噴出以后，與來自塔底的冷空氣在造粒塔內(nèi)相遇，由于尿液本身的向下運動以及冷空氣的向上運動，使尿素液柱斷裂，形成長度不等的液柱短節(jié)，該短節(jié)的長度取決于尿液的內(nèi)在粘性，由于尿液表面張力的存在，液柱短節(jié)最終會形成近似于球形的尿素顆粒。由于尿素液柱斷裂的隨機性，必然會形成一部分細(xì)小的尿素顆粒和粉塵，當(dāng)上升的空氣流速大于這些粒子的沉降速度時，這些細(xì)小的尿素顆粒和粉塵就會隨上升空氣一同排至塔外。

（3）當(dāng)尿液中的水分超標(biāo)時，尿素顆粒中的水分從內(nèi)部向外部蒸發(fā)，會造成顆粒的二次破裂，產(chǎn)生不規(guī)則的尿素粉塵；當(dāng)尿液中的游離氨超標(biāo)時，造粒過程中由于游離氨的分離，也會造成尿素顆粒的碎裂而產(chǎn)生粉塵。

（4）熔融尿素溫度過高，容易產(chǎn)生粉塵和空心現(xiàn)象。

（5）造粒噴頭上開有許多規(guī)則的圓形小孔，如果系統(tǒng)中有雜質(zhì)，如金屬碎片、毛刺、密封盤根碎片等，就會堵塞噴頭小孔，造成小孔通道的不規(guī)則，如此極易產(chǎn)生粉塵。

（6）造粒機的工況不穩(wěn)定，如造粒機軸彎曲或擺動、振動等，都會導(dǎo)致尿液出現(xiàn)不規(guī)則運動，使尿素顆粒發(fā)生碰撞而產(chǎn)生粉塵。

（7）造粒塔的通風(fēng)狀況不良，如通風(fēng)偏流、風(fēng)量過大，尿素顆粒的運行軌跡就會發(fā)生變化，尿素顆粒就會相互碰撞而產(chǎn)生粉塵（有時會導(dǎo)致顆粒粘連，形成不規(guī)則的顆粒）。

（8）據(jù) 《氮肥工藝設(shè)計手冊——尿素》，1 kg尿素所需要的冷卻空氣量約為7.23 m3，即噸尿素所需要的冷卻空氣量為7 230 m3，通常設(shè)計時噸尿素所需冷卻空氣量取8 000～10 000 m3，則φ19 m造粒塔最大自然通風(fēng)量為6×105m3／h。生產(chǎn)中，造粒塔的通風(fēng)量可根據(jù)系統(tǒng)的生產(chǎn)負(fù)荷、環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，若通風(fēng)量過大，易造成塔頂?shù)姆蹓m量過大；通風(fēng)量過小，冷卻空氣量不足，尿素顆粒得不到充分冷卻，易造成尿素粒子粘連和尿素顆粒溫度過高，繼而易產(chǎn)生粉塵。

1.2 尿素粉塵的危害

尿素造粒塔粉塵治理是長期困擾尿素企業(yè)的一大難題。由于國內(nèi)大部分尿素裝置原設(shè)計并沒有考慮粉塵治理的問題，因此目前大部分造粒塔的粉塵仍采取直排形式排放，未作任何處理。環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，較高濃度的尿素粉塵在自然通風(fēng)的高流速下直排大氣，帶來以下諸多問題。

（1）污染周邊環(huán)境。尿素粉塵排放，對廠區(qū)周邊的農(nóng)作物和花草樹木的生長會造成嚴(yán)重影響，道路和建筑物被腐蝕，周邊居民生活及健康狀況也會受到影響；尤其是每年春秋季氣壓較低時，由于風(fēng)速小，尿素粉塵不易被風(fēng)帶走，從而容易沉降積聚在廠房周圍，使周邊環(huán)境遭到較嚴(yán)重的污染。

（2）粉塵超標(biāo)排放。雖然目前尿素造粒塔粉塵的國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)還沒有正式頒布，但2017年12月13日在北京召開的全國氮肥綠色發(fā)展會議上，環(huán)保部及中國氮肥工業(yè)協(xié)會已初步形成共識，擬規(guī)定尿素造粒塔粉塵排放濃度≤30 mg／m3、氨含量≤10 mg／m3。

（3）尿素產(chǎn)量損失。造粒塔頂排放粉塵濃度高，尿素產(chǎn)量損失較大。

2 粉塵治理技術(shù)

2.1 φ19 m尿素造粒塔粉塵排放概況

尿素造粒塔粉塵總排放量為通風(fēng)量與含塵濃度的乘積，常用噸尿素粉塵排放量來進(jìn)行評價。φ19 m尿素造粒塔的原設(shè)計產(chǎn)能為400 kt／a，自然通風(fēng)量約為6×105m3／h，塔內(nèi)平均風(fēng)速為0.57 m／s，排放氣粉塵濃度為 120～220 mg／m3，則噸尿素產(chǎn)生的粉塵量為1.2～1.8 kg，測定狀況下尿素?fù)p失量1.5～2.0 t／d。400 kt／a產(chǎn)量的φ19 m尿素造粒塔，在大氣風(fēng)速0.5 m／s的條件下，粒徑大于10μm的顆粒大致降落在4 km半徑之內(nèi)（以尿素造粒塔為中心）。

2.2 自然通風(fēng)式粉塵回收技術(shù)

2.2.1 工藝原理

自然通風(fēng)式粉塵回收裝置是在造粒塔頂建一箱體，箱體內(nèi)部有填料、收水器、噴頭，其中，噴頭共3層（組），下面一組噴頭向上旋流噴射，中間一組噴頭向下噴淋噴灑，最上面一層為清洗噴頭，用于清洗附著在收水器上的尿素粉塵。造粒間安裝有2臺循環(huán)水泵，工藝上采用三級分離、三級吸收循環(huán)噴淋洗滌技術(shù)，即用工藝?yán)淠夯蚪馕鈴U液洗滌粉塵同時除去塔頂排放氣中的NH3，循環(huán)洗滌到一定濃度的稀尿液返回尿素系統(tǒng)利用。

2.2.2 應(yīng)用情況

國內(nèi)有很多尿素生產(chǎn)廠已經(jīng)應(yīng)用了自然通風(fēng)式粉塵回收技術(shù)，但實際運行狀況不太理想，尤其是在夏季，由于增設(shè)了粉塵回收裝置，尿素（顆粒）出（造粒）塔溫度一般會上升5～7℃，造成尿素結(jié)塊嚴(yán)重，不得不將回收箱體內(nèi)的填料扒出以降低出塔尿素顆粒溫度。另外，自然通風(fēng)式粉塵回收裝置2組噴頭只能開1組，如果2組全開，排放氣易形成 “天女散花”，排放氣帶液嚴(yán)重，造成二次污染，其排放的尿素粉塵濃度在50～80 mg／m3。河南心連心化肥有限公司、安徽三星化工有限責(zé)任公司、安徽昊源化工集團(tuán)有限公司、山東華魯恒升化工股份有限公司、山東魯西化工股份有限公司、浙江晉巨化工有限公司等企業(yè)均存在上述情況。

目前有的公司在做自然通風(fēng)式粉塵回收裝置時，為得到中標(biāo)機會、占有市場份額，在招投標(biāo)的過程中，惡意壓低價格，并承諾保證造粒塔排放氣體中尿素粉塵含量≤10 mg／m3，而一旦中標(biāo)，施工過程中卻使用劣質(zhì)的鋼材及填料（填料有的用玻璃鋼，有的用0.3～0.5 mm的不銹鋼薄皮，使用不到2 a玻璃鋼腐蝕脫落，堵塞噴頭，或不銹鋼薄皮嚴(yán)重變形，不能正常使用），使粉塵回收裝置在運行中存在極大的安全隱患。如果哪個公司承諾使用自然通風(fēng)式粉塵回收裝置尿素造粒塔排放氣中尿素粉塵含量＜30 mg／m3、尿素粒子溫升＜5℃，肯定是造假、欺騙客戶，因為事實上根本達(dá)不到這個指標(biāo)。

2.2.3 投資及效益

以φ19 m尿素造粒塔為例，自然通風(fēng)式粉塵回收裝置的總投資一般在180萬～220萬元。

據(jù)現(xiàn)使用自然通風(fēng)式粉塵回收裝置的尿素生產(chǎn)廠家進(jìn)行統(tǒng)計，有80%的廠家不回收其產(chǎn)生的稀尿液，原因是：粉塵回收率僅50%左右，循環(huán)洗滌液中尿素濃度太低，達(dá)不到工藝上要求的濃度，無回收價值。于是，很多尿素生產(chǎn)廠家干脆一次性循環(huán)后將洗滌液排入碳銨液槽，利用水解裝置予以處理，效益甚微。

2.3 強制通風(fēng)式粉塵回收技術(shù)

在自然通風(fēng)式粉塵回收裝置使用效果不佳的情況下，合肥瑞鑫化工科技有限公司經(jīng)認(rèn)真研究，設(shè)計出了強制通風(fēng)式粉塵回收裝置。該強制通風(fēng)式粉塵回收裝置是在尿素造粒塔頂設(shè)置一箱體，箱體頂部加裝6臺14×105m3／h的軸流風(fēng)機（匹配φ19 m尿素造粒塔），總風(fēng)量約為84×105m3／h；箱體內(nèi)部加裝復(fù)合填料，并增加填料高度，使填料層形成水幕，可更好地對尿素粉塵進(jìn)行洗滌吸收；箱體內(nèi)2層噴淋噴頭為三角形分布，可杜絕噴淋死區(qū)，實現(xiàn)粉塵的有效噴淋洗滌；箱體上部裝有1層收水器、1層除霧器，以除去排放氣中的水汽，杜絕帶液現(xiàn)象，并盡量克服尾氣拖尾這一世界性難題。

粉塵的回收效率是評價強制通風(fēng)式粉塵回收技術(shù)應(yīng)用成功與否的重要指標(biāo)。合肥瑞鑫化工科技有限公司設(shè)計的幾套強制通風(fēng)式粉塵回收裝置，實際運行中粉塵回收率均達(dá)90%以上，這主要歸功于噴淋噴頭、填料和收水器的設(shè)計。

合肥瑞鑫化工科技有限公司設(shè)計的強制通風(fēng)式粉塵回收裝置，除塵液的來源及回收利用視具體情況而定，各生產(chǎn)廠家的情況會有所不同，既可以將洗滌液回收至二表槽，也可以直接加入尿液系統(tǒng)中去（洗滌液濃度達(dá)8%～15%時即可補入到系統(tǒng)中）。補液最好采用水解廢液，水解廢液補入循環(huán)槽（循環(huán)槽設(shè)計有隔板）；在更換造粒噴頭時，可用水解廢液或蒸汽冷凝液對噴頭進(jìn)行沖洗。

2.3.1 技術(shù)特點

（1）工藝流程先進(jìn)、技術(shù)成熟、安全可靠，配套設(shè)備性能優(yōu)越，可保證裝置穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、長周期運行。

（2）強制通風(fēng)式粉塵回收裝置的箱體、支承、支架全部采用304材質(zhì)（特別指定的材料除外），可避免每年都要高空防腐而帶來的安全風(fēng)險；所有噴淋噴頭、噴頭本體材料均采用316L。

（3）強制通風(fēng)式粉塵回收裝置整體置于造粒塔上方，造粒塔采用自然通風(fēng)和強制通風(fēng)相結(jié)合的方式，粉塵回收裝置的通風(fēng)量大大高于原造粒塔設(shè)計的冷卻空氣量；此外，安全方面的考慮也非常周全，粉塵回收裝置具有較強的抗風(fēng)、抗震能力。

（4）強制通風(fēng)式粉塵回收裝置采用可靠、有效措施保證除塵效果和氣水分離效果，可避免霧化洗滌液帶出造粒塔造成二次污染。

（5）強制通風(fēng)式粉塵回收裝置可根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)荷調(diào)整（通過調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量或風(fēng)機開啟臺數(shù)進(jìn)行控制）。

（6）強制通風(fēng)式粉塵回收裝置采用DCS控制，可實現(xiàn)自動／手動控制的切換，主要控制信號通過DCS通訊接口進(jìn)入廠區(qū)DCS系統(tǒng)，外送循環(huán)液可通過流量計計量，從而可計算出每天回收尿素的數(shù)量；采用自動調(diào)節(jié)閥，其配置數(shù)量滿足過程控制要求，并能實現(xiàn)遠(yuǎn)傳操控，從而減輕操作人員的勞動強度。

2.3.2 技術(shù)指標(biāo)

（1）造粒塔排放氣粉塵濃度≤30 mg／m3（保證值）、氨濃度≤10 mg／m3。

（2）粉塵回收效率達(dá)90%以上，回收稀尿液濃度8%～15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），可返回尿素系統(tǒng)利用。

（3）出造粒塔尿素顆粒溫升＜1℃。

2.3.3 應(yīng)用情況

吉林通化化工股份有限公司、河南心連心化肥有限公司、山東華魯恒升化工股份有限公司的應(yīng)用情況表明，強制通風(fēng)式粉塵回收裝置投運后，既解決了尿素造粒塔通風(fēng)量方面的問題，保證了尿素粒子溫度不升高，又更好地回收了尿素，同時還避免了增設(shè)風(fēng)機后排放氣帶液的問題。2017年12月22日，環(huán)保部門對山東華魯恒升化工股份有限公司尿素造粒塔排放氣進(jìn)行了72 h監(jiān)測，結(jié)果為：造粒塔排放氣中的尿素粉塵含量＜30 mg／m3，尿素粒子溫升＜1℃，粉塵回收率達(dá)90%以上。為此，合肥瑞鑫化工科技有限公司就其開發(fā)的強制通風(fēng)式粉塵回收技術(shù)申請了國家專利，專利號：ZL201220523238.9、ZL201620310010.X。

2.3.4 投資及效益

以φ19 m尿素造粒塔為例，強制通風(fēng)式粉塵回收裝置的總投資一般在280萬～320萬元。

幾家尿素生產(chǎn)企業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，強制通風(fēng)式粉塵回收裝置投運后，尿素粉塵回收率均達(dá)到90%以上。其中，河南心連心化肥有限公司三廠φ19 m造粒塔（尿素造粒塔由自然通風(fēng)式粉塵回收裝置改造為強制通風(fēng)式粉塵回收裝置）日產(chǎn)尿素在1 550 t時，日可回收尿素約1.8 t，尿素售價以1 500元／t計，日增效益為1.8×1 500＝2 700元；配套6臺軸流風(fēng)機功率合計為90 kW，電價以0.5元／（kW·h）計，日用電費用為90×24×0.5＝1 080元，即年（以330 d計）回收尿素粉塵的效益為（2700-1080）×330÷10000＝53.46萬元；總投資約130萬元的技改項目，不到3 a即可收回投資成本。

2.4 布袋式除塵技術(shù)

尿素造粒塔布袋式除塵技術(shù)是由鍋爐煙道氣布袋除塵技術(shù)演變而來的，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差異不大。鍋爐煙道氣布袋除塵裝置安裝在地平面，有足夠的空間布置設(shè)備，與其他設(shè)備相結(jié)合，其除塵效果完全可以達(dá)到設(shè)計要求，且能實現(xiàn)長周期、穩(wěn)定運行。以φ19 m的尿素造粒塔為例，尿素造粒塔布袋除塵裝置安裝在造粒塔頂，需加工1個高約4m、直徑14m的箱體，φ19m造粒塔自然通風(fēng)量為60×105m3／h，增加布袋后風(fēng)機風(fēng)量一定要大于自然通風(fēng)量，方能使塔內(nèi)不會形成正壓，不影響尿素粒子的出塔溫度。合肥瑞鑫化工科技有限公司設(shè)計的尿素布袋除塵裝置分為4個粉塵回收室，共設(shè)4臺20×105m3／h引風(fēng)機，總風(fēng)量約80×105m3／h，風(fēng)機風(fēng)壓在3 000～4 000 Pa，風(fēng)機葉輪采用304不銹鋼；設(shè)有φ133 mm×6 m的布袋約4 000個，布袋具有耐酸、堿及防腐蝕的性能；箱體內(nèi)部裝有400臺電磁閥，用于對附著在每個布袋上的尿素粉塵進(jìn)行反吹。據(jù)計算，增設(shè)布袋除塵裝置以后，尿素造粒塔粉塵回收率可達(dá)98%，造粒塔排放氣中的粉塵含量 ＜5 mg／m3。

2.4.1 布袋除塵裝置存在的問題及探討

（1）布袋除塵裝置安裝在高90 m以上的造粒塔塔頂，施工空間小，設(shè)備重量大，特別是風(fēng)機的安裝，既要避免風(fēng)機的振動，又要考慮風(fēng)機長時間在造粒塔頂運行會不會對造粒塔的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，這就給設(shè)備安裝施工帶來很大困難，安裝風(fēng)險極大；而若在地面上加工好部分設(shè)備再進(jìn)行整體吊裝，安裝成本又會過高，尿素企業(yè)和施工單位均難以承受。

（2）尿素裝置開車初期或生產(chǎn)不正常時不適合使用布袋除塵裝置，因為開車初期和生產(chǎn)不正常時，蒸發(fā)系統(tǒng)尿液經(jīng)常打循環(huán)，且打循環(huán)時要用蒸汽吹掃噴頭及管線內(nèi)的尿液，而尿素粉塵遇水汽會粘連結(jié)晶，堵塞布袋，致使布袋阻力增大，尿素顆粒出塔溫度升高，嚴(yán)重時會造成尿素結(jié)晶堵塞塔底料斗，生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。

（3）夏季及南方氣候潮濕地區(qū)不宜使用布袋除塵裝置，因為夏季及氣候潮濕地區(qū)空氣濕度較大、雨水較多，尿素粉塵易結(jié)晶，粘附在布袋上，使布袋失去除塵功能，易造成尿素顆粒出塔溫度升高，甚至生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。比較發(fā)現(xiàn)，氣溫在15℃左右時，使用布袋除塵技術(shù)的尿素裝置尿素顆粒出塔溫度在70℃，而相同生產(chǎn)負(fù)荷情況下采用強制通風(fēng)式粉塵回收技術(shù)的尿素裝置，其尿素顆粒出塔溫度只有58℃，且隨著氣溫的升高，使用布袋除塵技術(shù)的尿素裝置尿素顆粒出塔溫度還會成倍增長。布袋除塵效果固然好，但如何降低尿素顆粒出塔溫度，是我們必須研究并解決的一個重要課題。

（4）塔頂4臺風(fēng)機必須24 h正常運轉(zhuǎn)，一旦風(fēng)機出現(xiàn)故障，整個尿素裝置必須減量生產(chǎn)，待風(fēng)機檢修好以后方能轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)，由此將會給企業(yè)帶來不小的經(jīng)濟(jì)損失。

2.4.2 投資及效益

以φ19 m尿素造粒塔為例，布袋除塵裝置總投資一般在600萬～700萬元。

布袋除塵裝置有4臺20×105m3／h的風(fēng)機，每臺風(fēng)機每小時用電160～180 kW·h；布袋除塵裝置中的電磁閥、儀表空氣系統(tǒng)、鼓風(fēng)機等合計每小時用電約1 000 kW·h；另外，運行中只要布袋上粘連尿素，就必須更換布袋，費用較高?？梢?，布袋除塵技術(shù)回收尿素粉塵的效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其用電成本和運行成本，無任何經(jīng)濟(jì)效益可言，只是作為環(huán)保設(shè)施而已。

3 結(jié)束語

當(dāng)前，在國家環(huán)保治理力度不斷加大的背景下，尿素造粒塔粉塵治理已勢在必行，據(jù)環(huán)保部門消息，國家近期可能出臺對尿素造粒塔粉塵排放進(jìn)行在線監(jiān)測和無人機取樣分析，達(dá)不到排放要求的企業(yè)要進(jìn)行限期整改或予以重罰。為此，尿素生產(chǎn)企業(yè)要對造粒塔粉塵治理問題引起足夠重視，至于選擇哪種尿素粉塵治理技術(shù)，企業(yè)需首先了解各種尿素粉塵回收技術(shù)的技術(shù)原理、優(yōu)缺點及應(yīng)用業(yè)績，然后根據(jù)自身的實際情況而定，力求做到既有利于企業(yè)發(fā)展又造福于社會。