何指揮

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000)

1 改造前情況

1.1 工藝流程

河南心連心化肥有限公司復合肥分公司現(xiàn)有3條150 kt/a旋轉造粒生產(chǎn)線，其生產(chǎn)工藝流程為尿素、磷酸一銨、氯化鉀、添加劑等原料按比例摻混后送入破碎機進行破碎，破碎后的物料送至造粒機中并噴入適量的蒸汽和水使物料黏結成粒，出造粒機的濕顆粒進入臥式旋轉筒干燥機與熱風逆向直接接觸換熱。熱風熱源由燃煤熱風爐提供，所用燃煤為趙固塊煤，含硫質量分數(shù)低于0.4%。正常情況下的燃煤熱風爐爐膛燃燒溫度在600～700 ℃，出爐膛的高溫煙氣進入尾部煙室，與吸入的冷風摻混后溫度降至200 ℃以下，隨后經(jīng)煙道進入引風機；煙道上設置有冷風吸入口，通過調節(jié)冷風吸入量使進入干燥機的熱風溫度保持在170 ℃以下，短時生產(chǎn)全固體配方肥料時干燥溫度需達300 ℃；經(jīng)干燥機后攜帶粉塵的熱風溫度降至45～70 ℃，通過風機抽出后依次經(jīng)旋風除塵器、重力沉降室、文丘里洗滌器，最后經(jīng)由50 m高的煙囪排放。

1.2 工藝參數(shù)

干燥機進口熱風溫度170 ℃，當生產(chǎn)全固體配方肥料時為300 ℃(根據(jù)銷售訂單確定運行時間)，進口熱風流量60 000～80 000 m3/h。單條生產(chǎn)線最大產(chǎn)能(只存在于個別配方，并取最好狀態(tài))27 t/h。噸復合肥耗煤量11 kg，燃煤熱風爐平均耗煤量約120 kg/h，最大耗煤量300 kg/h，燃煤發(fā)熱量約28 464 kJ/kg(6 800 kcal/kg)。平均年運行時間為7 560 h，參考歷年耗煤量情況，3臺燃煤熱風爐平均年耗煤在2 750 t左右。煤炭價格按照810元/t進行計算，年燃煤成本約為223萬元。

1.3 排放煙氣檢測數(shù)據(jù)

2016年10月，對復合肥裝置外排尾氣進行了檢測，檢測結果分別如表1和表2所示。

表1 復合肥裝置排放尾氣檢測數(shù)據(jù)

項目煙道內煙道外煙塵質量濃度/(mg·m-3) 煙煤模式2522 褐煤模式1613氮氧化物質量濃度/(mg·m-3)<10煙氣溫度/℃31含氧體積分數(shù)/%20．4一氧化碳體積分數(shù)7×10-6

注：1)檢測儀器為德國菲索STM225型檢測儀

表2 復合肥裝置排放尾氣中固體顆粒和氣態(tài)污染物檢測數(shù)據(jù)

濾筒初始質量/g采樣后質量/g凈質量/mg采樣體積/L煙塵質量濃度/(mg·m-3)1#1．07711．092014．9537．227．72#1．08221．126444．2536．882．33#1．09931．147748．4536．890．2

注：1)按照《固定污染源排氣中顆粒物和氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)采樣；2)檢測儀器為嶗應3012H型自動煙塵(氣)測試儀；3)煙氣流量約80 000 m3/h，氮氧化物、二氧化硫未檢出，含氧體積分數(shù)20.9%；4)濾筒內部無可見雜質成分，增加的質量主要來自于干燥過程中攜帶的肥料細微顆粒及尿素揮發(fā)產(chǎn)生的氣溶膠類物質

1.4 存在的問題

復合肥生產(chǎn)項目環(huán)評備案時的煙塵排放執(zhí)行《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)，煙塵排放限值為120 mg/m3，原始設計煙囪高度為30 m，實際建成高度為50 m。2015年對環(huán)評進行了修訂，將煙囪高度調整為50 m。2015年3月24日，新鄉(xiāng)市環(huán)保局對項目組織了環(huán)保驗收，驗收標準為旋轉造粒、烘干工段煙塵、二氧化硫、氮氧化物執(zhí)行《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》(GB 9078—1996)，煙塵、二氧化硫排放限值分別為200 mg/m3和850 mg/m3，驗收結論為合格，但并未明確是實測值合格還是折算值合格。根據(jù)GB 9078—1996規(guī)定，過量空氣系數(shù)為1.7，換算成基準氧含量為8.6%(體積分數(shù)，下同)。

2015年，河南省頒布了地方標準《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》(DB41/ 1066—2015)，規(guī)定在用爐窯自2017年1月1日起，煙塵、二氧化硫以及氮氧化物的排放限值分別執(zhí)行30，200和400 mg/m3，按照基準氧含量9%分別計算折算值。但因此次檢測煙氣中氧含量接近大氣中氧含量，折算系數(shù)高達120，即使實測濃度降至超低排放標準也無法保證煙塵、二氧化硫和氮氧化物的折算值達標。

2 原因分析

針對復合肥裝置存在的問題，其原因分析如下。

(1) 復合肥裝置采用旋轉造粒生產(chǎn)工藝，決定了系統(tǒng)處于常壓下運行，干燥機采用開口進料、負壓工作，不可避免要吸入大量的空氣，從而造成氧含量升高。

(2) 熱風爐耗煤量較少，產(chǎn)生的高溫煙氣與大量的冷空氣摻混，大大稀釋了燃煤產(chǎn)生的煙塵、二氧化硫和氮氧化物，再經(jīng)干燥、旋風除塵、重力除塵、文丘里洗滌除塵等工序后，排放尾氣中的污染物濃度已經(jīng)很低，重量法檢測的粉塵主要來源于干燥過程。

(3) 工業(yè)爐窯是指直接用高溫煙氣加熱工質、與粉狀物料間接接觸、不用空氣稀釋，從嚴格意義上講，旋轉造粒工藝不應執(zhí)行《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》，執(zhí)行《大氣污染物綜合排放標準》更為合適。

3 改造方案

根據(jù)河南心連心化肥有限公司復合肥分公司的生產(chǎn)現(xiàn)狀，制定了2種改造方案并分析了各自的優(yōu)缺點。

3.1 方案一：燃煤改燃氣

此方案是將燃料由燃煤改為燃氣，即采用氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)的弛放氣作為燃料。燃煤改燃氣通常采用燃燒機，具有自動化程度高、安全可靠的優(yōu)點。結合湖南岳陽創(chuàng)新爐窯燃燒設備制造廠生產(chǎn)的設備，制定了燃煤改燃氣方案。

3.1.1 主要參數(shù)

1 m3(標態(tài))弛放氣低位發(fā)熱值15 069 kJ(3 600 kcal)，燃氣燃燒器平均燃氣消耗量為914 m3/h(標態(tài))，動態(tài)燃氣壓力5～8 kPa，供熱能力12 557 555 kJ/h(3 000 000 kcal/h)，燃氣溫度為常溫，安裝燃燒器1只，燃燒效率≥95%，單臺燃燒器價格約7萬元，供貨周期20 d。

3.1.2 燃氣成本

3臺熱風爐消耗弛放氣2 752 m3/h，弛放氣價格0.27元/m3，燃氣成本約為743元/h，年燃氣成本約562萬元。

3.1.3 優(yōu)缺點對比

優(yōu)點：燃燒弛放氣熱效率較高，產(chǎn)生的煙塵、二氧化硫和氮氧化物濃度較低，利于環(huán)保達標。

缺點：改造難度較大，需對熱風爐本體進行改造，鋪設的管線較長，改造投資較大；弛放氣屬于危險氣體，使用不當容易發(fā)生爆炸事故；燃氣熱風爐仍需按照GB 9078—1996執(zhí)行，而旋轉造粒工藝不可避免地要吸入大量空氣，氧含量與大氣基本相同，折算系數(shù)非常高，無法達到標準要求；受氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)波動的影響大，一旦氮肥裝置停車，弛放氣停止供應，熱風爐無法運行。

3.2 方案二：改蒸汽加熱

3.2.1 改造流程及投資

使用壓力為1.3 MPa、溫度為190 ℃的飽和蒸汽通過翅片式換熱器加熱空氣，將空氣由常溫(冬季最低-10 ℃)加熱至170 ℃，50 000 m3/h(標態(tài))的冷空氣需消耗蒸汽6 t/h，需換熱面積2 200 m2，換熱后蒸汽變?yōu)?90 ℃的飽和水，換熱器尺寸為2 800 mm×2 000 mm×1 700 mm，空氣側阻力為450 Pa，3臺翅片式換熱器的價格約為40萬元。

目前，河南心連心化肥有限公司復合肥分公司二分廠造粒使用壓力為1.3 MPa、溫度為220 ℃的過熱蒸汽，3條生產(chǎn)線最大用汽量為8～9 t/h，改用同樣壓力的飽和水即可滿足造粒要求，由此測算新增蒸汽耗量約9 t。蒸汽價格按照80元/t計，用汽成本約720元/h，換熱后的飽和水返回除氧器，可抵消部分成本。

3.2.2 優(yōu)缺點對比

優(yōu)點：改造簡單，改造工期較短；省去熱風爐，污染物排放不必執(zhí)行《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》，可按照現(xiàn)行的《大氣污染物綜合排放標準》執(zhí)行，目前排放濃度符合標準要求；可以取消熱風爐操作崗位，降低操作人員的勞動強度，改善作業(yè)環(huán)境；受氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)的波動影響較?。毁Y源可以回收利用，符合清潔生產(chǎn)要求。

缺點：受蒸汽溫度限制，無法滿足更高的熱風溫度要求，需增設電加熱裝置，生產(chǎn)全固體配方肥料時將熱風溫度由170 ℃提高至300 ℃，消耗電能1 511 kW。

3.3 改造方案的確定

方案二不僅使工業(yè)園區(qū)內的資源得到了合理利用，而且是清潔能源，蒸汽產(chǎn)生的冷凝液可循環(huán)利用。因此，利用2016年11月生產(chǎn)淡季停車檢修機會，采用方案二進行了改造。

4 改造后運行情況

自2016年11月29日河南心連心化肥有限公司復合肥分公司一車間和二車間生產(chǎn)裝置開車后，蒸汽換熱器相繼投入使用，各溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。

表3 蒸汽換熱器投運后溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計

車間肥料類型生產(chǎn)配方測溫點溫度/℃一車間尿基配方30?5?5蒸汽換熱器進口160～16528?5?5干燥機進口130～13626?10?12干燥機出口43～57全固體配方17?17?17S蒸汽換熱器進口165～168干燥機進口136～142干燥機出口50～57二車間尿基配方28?10?1218?15?13蒸汽換熱器進口160～165干燥機進口130～136干燥機出口43～57

由表3可知，6個配方的復合肥分為尿基和硫基2種類型，除了全固體配方肥料17- 17- 17S外，其余均為尿基配方肥料。

生產(chǎn)尿基配方肥料時，蒸汽換熱器的蒸汽進口閥開度約為2絲，平均臺時產(chǎn)量在13 t左右，干燥機進口空氣溫度可達130 ℃以上，產(chǎn)品中水分質量分數(shù)可控制在0.38%～0.96%，平均控制在0.56%左右，產(chǎn)品顆粒強度在22.01～30.31 N/顆，達到指標要求。當水分質量分數(shù)低于1%時，繼續(xù)降低水分含量的難度大大增加，即生產(chǎn)尿基配方肥料時，干燥機進口空氣溫度無需過高，控制在115～125 ℃即可，既可保證產(chǎn)品水分含量及強度滿足要求，又可降低蒸汽消耗，從而降低生產(chǎn)成本。另外，在生產(chǎn)18- 15- 13尿基配方肥料時，臺時產(chǎn)量可達16 t，產(chǎn)品中水分質量分數(shù)在0.7%～1.0%，產(chǎn)品顆粒強度在22～25 N/顆，各項工藝指標均能達到指標要求。因此生產(chǎn)尿基配方肥料時可盡量多使用尿液，既可提高物料溫度和成球效果，同時產(chǎn)品外觀有光澤、色澤較為均勻，而且含氮質量分數(shù)18%～20%、低磷配方肥料可采用全尿液生產(chǎn)。

生產(chǎn)全固體配方肥料時，干燥機進口空氣溫度控制在136～142 ℃，臺時產(chǎn)量可維持在12 t，產(chǎn)品含水質量分數(shù)可控制在0.54%～1.08%，平均控制在0.8%左右，平均顆粒強度在24 N/顆左右。因本次生產(chǎn)的17- 17- 17S全固體配方肥料以硫酸鉀為原料，未添加氯化銨，且磷酸一銨和硫酸鉀的黏性較強，造粒效果較好，無法代表所有全固體配方肥料的生產(chǎn)狀況，需要通過生產(chǎn)添加氯化銨的全固體配方肥料作進一步的觀察。根據(jù)產(chǎn)品水分測定結果，采用普通粉狀尿素，蒸汽量控制在660～990 kg/h，臺時產(chǎn)量可提高1～2 t，預計水分質量分數(shù)可保持在1.1%左右，顆粒強度可達到20 N/顆以上。

5 結語

采用蒸汽換熱器替代燃煤熱風爐，不但實現(xiàn)了復合肥生產(chǎn)裝置尾氣中污染物的超低排放，而且通過清潔能源的合理利用，實現(xiàn)了使用前資源的共享、使用后資源的可持續(xù)循環(huán)利用，杜絕了燃氣與燃煤產(chǎn)生的二次污染，具有顯著的環(huán)保價值，值得推廣。