劉義明，楊守明，余 徽

（1. 四川宏達(dá)股份有限公司，四川 德陽 618400；2. 四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

高塔熔融造粒是我國復(fù)合肥生產(chǎn)主流工藝之一，屬于熔體型復(fù)合肥生產(chǎn)類別，其生產(chǎn)的復(fù)合肥產(chǎn)品顆粒內(nèi)養(yǎng)分分布均勻。該工藝?yán)媚蛩厝廴谝夯蛘呦跛徜@熔融液為分散液相，粉狀磷酸一銨、硫酸鉀、氯化鉀等原料均勻混合到液相中形成肥料漿液，漿液通過高塔造粒層噴頭噴入高塔內(nèi)，液滴與塔內(nèi)空氣逆流換熱，冷卻固化成顆粒狀產(chǎn)品［1］。高塔熔融體造粒生產(chǎn)復(fù)合肥技術(shù)由挪威海德魯公司20世紀(jì)60 年代開發(fā)，我國于21 世紀(jì)初建設(shè)了第一座高塔復(fù)合肥生產(chǎn)裝置，20多年來，在引進(jìn)消化國外技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合自主創(chuàng)新，我國已經(jīng)完全掌握高塔復(fù)合肥生產(chǎn)技術(shù)及裝備，造粒塔高度從40～50 m發(fā)展到120～130 m，塔內(nèi)徑從8～9 m 發(fā)展到19～22 m，單座高塔產(chǎn)能從8 t/d 發(fā)展到30 t/d。截至2020年年底，全國大概有320套高塔復(fù)合肥生產(chǎn)裝置，復(fù)合肥產(chǎn)能達(dá)到3 000 多萬噸，其生產(chǎn)過程中的污染物凈化技術(shù)亟需同步提高。

1 高塔熔融造粒污染物排放現(xiàn)狀

高塔造粒復(fù)合肥裝置生產(chǎn)過程主要污染源為氣體，按照污染物產(chǎn)生位置劃分，高塔造粒復(fù)合肥生產(chǎn)裝置污染物產(chǎn)生點(diǎn)有以下3處。

（1）塔底排放廢氣。這部分廢氣為塔底配料、冷卻、篩分和包裝等崗位由于物理揚(yáng)塵而產(chǎn)生的含有粉塵的廢氣。廢氣中粉塵主要成分是尿素或硝酸銨、硫酸鉀、氯化鉀、硫酸銨、鈣鹽惰性物等。對于年產(chǎn)20萬t復(fù)合肥裝置，這部分廢氣的流量為50 000～80 000 m3/h，ρ（顆粒物）為100～120 mg/m3，溫度比環(huán)境溫度高2～3 ℃，其中含有的氣態(tài)污染物很少。這部分廢氣通過布袋除塵器收塵后，廢氣中的ρ（顆粒物）小于20 mg/m3，達(dá)到大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，可直接通過排氣筒排放。

（2）熔融混合廢氣。這部分廢氣為造粒塔頂熔融槽和混合槽產(chǎn)生的廢氣。這部分廢氣含有尿素熔融分解反應(yīng)（見式（1）（2））以及與物料混合反應(yīng)（見式（3）（4））產(chǎn)生的NH3，以及塔頂物料混合過程由于物理揚(yáng)塵而進(jìn)入廢氣中的磷酸一銨、硫酸鉀、氯化鉀等粉狀物料。塔頂物料熔融與混合過程發(fā)生的副反應(yīng)如下：

熔融混合廢氣溫度比環(huán)境溫度高10 ～ 20 ℃，其中ρ（NH3）為200～600 mg/m3，ρ（顆粒物）為50～100 mg/m3。年產(chǎn)20萬t復(fù)合肥的高塔裝置，塔頂熔融混合廢氣流量為6 000～7 000 m3/h。這部分廢氣通過一級布袋除塵器回收粉塵后，再進(jìn)入洗滌塔進(jìn)行逆流水洗，凈化合格后的廢氣通過塔頂排氣筒達(dá)標(biāo)排放。

（3）造粒冷卻廢氣。造粒塔內(nèi)冷卻風(fēng)流速一般為0.59～0.62 m/s，出塔造粒冷卻廢氣溫度比環(huán)境溫度高6～9 ℃。年產(chǎn)20萬t復(fù)合肥的造粒塔內(nèi)徑為19 m，造粒冷卻廢氣工況風(fēng)量達(dá)到600 000 ～ 632 000 m3/h［2］，廢氣中ρ（顆粒物）為35～100 mg/m3，ρ（NH3）為20～50 mg/m3。生產(chǎn)不同配方復(fù)合肥時(shí)，造粒冷卻廢氣中顆粒物含量不同，主要原因是不同物料混合物在造粒時(shí)，成粒效果不同，產(chǎn)品粉化率存在差異。造粒冷卻廢氣由于流量大，排放位置距離地面110 m以上，凈化處理困難。以前，我國環(huán)保政策沒有要求處理這部分廢氣，企業(yè)直接通過塔頂排氣口排放。這部分廢氣雖然顆粒物含量低，但排放進(jìn)入大氣的顆粒污染物總量大，年產(chǎn)20萬t復(fù)合肥的造粒塔每年排放到大氣中的造粒冷卻廢氣中顆粒污染物達(dá)到260 t，噸產(chǎn)品排放量達(dá)到1.3 kg?，F(xiàn)在，國家已經(jīng)明確規(guī)定熔體型復(fù)混肥料顆粒物排放績效值為0.75 kg/t。因此，對熔體復(fù)合肥造粒冷卻廢氣進(jìn)行凈化處理已勢在必行，造粒冷卻廢氣中顆粒物去除率達(dá)到50%，顆粒物排放績效值即可達(dá)標(biāo)。

2 高塔熔融造粒冷卻廢氣現(xiàn)有凈化技術(shù)

國內(nèi)部分地區(qū)已經(jīng)要求對熔體復(fù)合肥高塔造粒冷卻廢氣進(jìn)行凈化處理后才能排放，已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的幾種高塔造粒冷卻廢氣凈化方法如下。

（1）在造粒塔頂增加填料洗滌塔。逆流洗滌塔頂造粒冷卻廢氣，洗滌后ρ（顆粒物）小于5 mg/m3，能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。但洗滌塔阻力300 Pa 左右，造成塔內(nèi)冷卻通風(fēng)量降低30%，導(dǎo)致復(fù)合肥產(chǎn)量降低30%以上。特別是夏天，由于環(huán)境空氣的溫度和濕度高，洗滌塔阻力導(dǎo)致的冷卻風(fēng)量減小對單塔產(chǎn)量的影響特別明顯，大幅增加了產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

（2）在造粒塔頂增加空塔洗滌裝置。造粒冷卻廢氣與洗滌水逆流接觸，氣液體積比為0.6～0.8 L/m3，空塔洗滌氣速2 m/s，洗滌后廢氣中ρ（顆粒物）小于30 mg/m3，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。但由于空塔洗滌裝置采取洗滌液霧化成小液滴來吸附溶解尾氣中的顆粒物，液滴粒徑在0.5～1.0 mm，洗滌后的排放廢氣中夾帶的洗滌液滴從110 m 高度的排放口下落，在高塔復(fù)合肥生產(chǎn)裝置周邊造成“下雨”現(xiàn)象，現(xiàn)場環(huán)境惡化嚴(yán)重。同時(shí)，大流量循環(huán)泵在塔頂運(yùn)行，也造成電耗上升。

（3）在造粒塔頂安裝布袋除塵器。對于年產(chǎn)20 萬t 復(fù)合肥裝置，造粒冷卻廢氣工況流量達(dá)到600 000 m3/h，布袋除塵器的過濾面積達(dá)到10 000 m2，布袋除塵器過濾阻力達(dá)到1 000 Pa以上，需要風(fēng)機(jī)對造粒冷卻廢氣增加動力，設(shè)備投資大，安裝占地面積大。同時(shí)，布袋除塵器不能減少造粒冷卻廢氣中的NH3，由于冷卻廢氣比環(huán)境空氣的溫度和濕度高，廢氣中過濾下來的尿素等粉塵吸潮嚴(yán)重，夏天裝置停車時(shí)，如果布袋保溫不好，造成布袋表面粉塵吸潮而堵塞濾孔，布袋過濾器失去過濾效能。

3 陣列式降膜除塵技術(shù)與高塔熔融造粒冷卻廢氣凈化的耦合性分析

陣列式降膜除塵技術(shù)是四川大學(xué)開發(fā)的交叉流降膜陣列脫除氣溶膠顆粒的新技術(shù)［3］，以工業(yè)廢水或中水為介質(zhì)，通過降膜陣列除塵器形成規(guī)則排布的除塵柱，對工業(yè)尾氣中的顆粒物進(jìn)行物理洗脫。實(shí)驗(yàn)條件下［4］，除塵柱單元排數(shù)n與氣相中顆粒物的質(zhì)量脫除率η滿足：

根據(jù)（5）式，除塵柱排列數(shù)n=103 排時(shí)，氣相中顆粒物脫除率可達(dá)50%。

氣相通過除塵柱陣列的壓力降滿足：

其中，Δp為單元排壓降，Pa；u為表觀氣體流速，m/s。表觀氣體流速為1.0 m/s 時(shí)，103 排除塵柱總的氣相阻力約為42.2 Pa。

造粒塔頂造粒冷卻廢氣出塔流向如圖1 所示。高塔頂混凝土平面層有一個(gè)氣洞，沿塔壁圓周有圓環(huán)狀水槽，內(nèi)徑19 m的高塔，環(huán)狀水槽寬度2.3 m，用于收集飄入塔頂?shù)挠晁?，塔頂最頂層是擋雨棚。造粒塔?nèi)冷卻廢氣從塔頂氣洞出來后，向塔壁圓周轉(zhuǎn)向90°，擴(kuò)散進(jìn)入大氣中?，F(xiàn)有高塔增加的造粒冷卻廢氣凈化設(shè)施安裝在塔頂層與塔頂擋雨棚頂之間。

圖1 現(xiàn)有造粒塔塔頂廢氣走向

降膜除塵洗滌系統(tǒng)需要降膜柱陣列布置空間、集水池和循環(huán)泵等條件，氣體流向和降膜柱陣列相互垂直。在高塔塔頂圓周收集水槽與擋雨棚之間布置洗滌降膜柱陣列，降膜柱由收集槽收集，通過循環(huán)泵循環(huán)形成降膜柱陣列，塔頂造粒冷卻廢氣垂直降膜柱陣列流過，顆粒物被降膜柱吸附洗滌，造粒冷卻廢氣獲得凈化，塔頂布置交叉流降膜柱陣列洗滌示意圖見圖2。

圖2 造粒塔增加交叉流降膜柱陣列示意圖

對于內(nèi)徑19 m的高塔裝置，環(huán)狀水槽2.3 m寬度上部空間可以排列180單元排降膜柱，滿足最低布置103單元排降膜柱要求，降膜柱高度達(dá)到3 m，即可保證氣體進(jìn)入降膜柱的速度為1 m/s，滿足交叉流降膜柱陣列洗滌氣速要求，復(fù)合肥造粒塔頂物理?xiàng)l件與氣液交叉流洗滌系統(tǒng)所需硬件條件實(shí)現(xiàn)了高度匹配。

因此，現(xiàn)有高塔在塔頂增加陣列式降膜除塵洗滌系統(tǒng)硬件條件上完全能夠?qū)崿F(xiàn)，洗滌效率超過50%，達(dá)到環(huán)保要求，增加氣相的阻力小于50 Pa，對生產(chǎn)負(fù)荷的減量只有5%。因氣速較低，洗滌降膜柱陣列從機(jī)制上避免了氣液夾帶，可有效避免高塔“下雨”現(xiàn)象。

4 結(jié)論

我國現(xiàn)有高塔熔融造粒復(fù)合肥裝置的造粒冷卻廢氣流量大，排放口位置高，增加有效的凈化裝置困難，四川大學(xué)開發(fā)的陣列式降膜除塵系統(tǒng)脫除氣體中粉塵新技術(shù)具有操作條件溫和，達(dá)到復(fù)合肥高塔造粒冷卻廢氣需要的凈化效率且形成的氣體阻力低，對復(fù)合肥造粒塔的產(chǎn)量影響幅度小的顯著優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有復(fù)合肥高塔塔頂造粒冷卻廢氣排放的流向與陣列式降膜除塵凈化技術(shù)的要求相匹配，塔頂結(jié)構(gòu)條件與該技術(shù)要求的基礎(chǔ)條件相匹配。

因此，該技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合肥高塔造粒冷卻廢氣的凈化，具有投資省、對生產(chǎn)不利影響小的特點(diǎn)。