造粒喷头的性能要求和测试

孙晓明，郭文波

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750026）

自然通风式造粒塔配套旋转式造粒喷头的尿素成粒工艺为国内多数尿素生产厂家所普遍采用。其工艺过程是：经蒸发提浓后浓度约为99.7%左右的尿液，由尿素熔融泵加压输送到造粒塔顶部喷头中，尿液在旋转喷头离心力的作用下由喷头小孔甩出，分布在造粒塔的横截面上。液滴下落的过程中被塔底源源不断进入的冷空气所冷却，固化成为尿素颗粒，放出的热量被空气带出塔顶。

造粒喷头与电机主轴相连（见图1），由内分布器和外筒组成，外筒为分布着喷孔（见图2）的锥台体或柱体。不同型号的喷头喷孔密度分布区别较大。

图1 造粒喷头示意图

图2 喷孔分布示意图

造粒喷头是尿素成粒的关键设备。出于质量控制需要，造粒喷头要满足一定的性能要求。更新喷头时要对新喷头进行必要的测试，（1）评估其综合性能是否能满足生产需要，（2）基于测试数据编写可靠的操作规程。

1 造粒喷头性能要求

1.1 生产能力

喷头的生产能力由设计制造厂家根据装置的生产能力确定，两者要匹配，否则既不能保证高负荷时的来料处理，也无法保证产品质量。一般喷头的最大生产能力要达到正常负荷的120%。

1.2 喷头转速

喷头制造商会提供一个转速操作范围，实际运行中要随着生产负荷的变化而调节。一般情况下，生产负荷高，入喷头的流量大，喷头转速就要高，两者基本上成线性关系（见图3）。

图3 喷头转速与负荷的关系

1.2.1 喷头转速过低 （1）转速过低，喷头会发生溢流粒子结块，严重时会出现“拉稀”现象，粒子粘塔底，或在刮料机刮臂上形成“驼峰”，既不能保证产品质量，还威胁到产品输送系统的安全运行；（2）转速过低，粒子密集，易发生交叉碰撞，产生尿素粉尘；（3）造粒塔直径固定，转速过低则喷洒直径小，空气从塔底进入后会有一大部分沿塔壁上升，而塔的中心部仅有少量空气与粒子传热，气固比大幅下降，同时由于局部空气温升过快而产生气体偏流，进一步降低传热效率，出塔粒子温度超高[1]。

1.2.2 喷头转速过高 （1）转速过高，易使喷洒直径大于造粒塔直径而发生粘塔现象，塔壁累积的结晶物掉落存在极大的安全风险；（2）喷头转速越高，液滴获得的离心力越大，形成的颗粒越小。

1.3 产品粒度和粒子分布

GB2440-2001对农用小颗粒尿素优等品的粒度要求是：粒径（0.85~2.80 mm）≥93%。造粒喷头的设计制造水平是产品粒度的决定性因素，比如喷孔表面有毛刺，会使小粒子和粉尘量增大。喷孔直径则是颗粒大小的关键：孔径越大，粒度越大；孔径越小，粒度越小。粒子大小应均匀，粒子分布应具有如下特点：偏大或偏小的粒子最少，粒径1.80 mm（GB2440-2001所规定的农用小颗粒尿素合格粒径的中间值约为1.8 mm）左右的粒子分布最广。

1.4 出塔粒子温度

出塔粒子温度过高给产品外观质量的影响主要体现在两方面：结块和粉化。粒子温度高，容易在散库存贮过程中因释水而粉化。也有研究尿素结块机理的文章认为，较高温度的尿素粒子在缓慢降温冷却过程中，溶解在残余水分中的尿素结晶析出，在各种力的作用下发生结块[2]。

生产中通常采用调节造粒塔进风量来调节出塔粒子温度，但这一手段在夏季高温季节往往没有调节余地，因而喷头本身的设计显得极为关键。比如喷头的喷洒直径过小或颗粒在塔的横截面上分布不均匀都会降低塔的利用率；颗粒过大会降低传热效果，这些因素都将导致出塔粒子温度升高。

1.5 粒子强度

GB2440-2001中虽然没有对尿素产品的粒子强度做明确规定，但粒子的强度显著影响着最终产品的外观质量，如果粒子强度低，会在后续输送、储存、包装过程中由于碰撞、挤压、摩擦而产生大量粉尘，粒度下降。粒子强度除了与尿素中的水含量等工艺因素有关外，还与造粒喷头的性能有密切的关系，比如粒径过大会产生空心，强度降低。

2 新喷头性能测试

喷头在运行过程中由于流体冲刷、检修和维护不当等原因，使用寿命不长，一般为3年，运行质量下降时要及时更换。新喷头在正式投运前要进行一系列必要的性能测试，找出最佳工作区。下文以2010年7月试运浙江温岭市环球造粒喷射设备有限公司设计制造的小喷头（简称“温岭喷头”）为例，讨论新喷头的性能测试。

2.1 最低允许转速

根据厂商所建议的转速控制范围（245~300 r/min），启动喷头在260 r/min转速下造粒，观察出塔粒子正常，再以2~3 r/min的幅度降低喷头转速，持续观察出塔粒子状况。当降低到某一转速时，粒子将出现粘连、结块现象，表明有溢流发生；仍以2~3 r/min的幅度逐步提高转速至溢流现象消失，将这一转速称为溢流转速，是喷头运行的最低允许转速；改变负荷测试，不同负荷所对应的溢流转速的连线，称为“溢流线”（见图4），工作转速要始终处于溢流线的上方。可以看出，负荷和溢流转速近似线性关系。

图4 温岭喷头的溢流线

2.2 最高允许转速

准备3 m的测量尺，通过造粒塔中上部的窥视窗口可以测得喷头喷洒直径到塔壁的距离。保持负荷不变，以2~3 r/min梯次提高喷头转速，当粒子距塔壁小于0.8 m，可能发生粘塔现象，将这一转速称为粘塔转速，是喷头运行的最高允许转速；改变负荷测试，连接不同负荷所对应的粘塔转速，可得到一条“粘塔线”（见图5），工作转速要始终处于粘塔线的下方。可以看出，负荷和粘塔转速也呈线性关系。

2.3 最佳工作转速

如前所述的测试过程中，每个梯次的转速约停留8~10 min，中心化验室分别取样（取样部位为2#皮带半成品，非包装成品），分析粒子分布和强度，操作人员测量出塔粒子温度，汇总数据进行对比。表1为环境温度35℃、100%负荷测得的一组数据。

表1 100%负荷时温岭喷头测试数据

图5 温岭喷头的粘塔线

综合比较，100%负荷下喷头转速在260 r/min时粒度最好，且粒径1.6~2.0 mm的粒子分布最广（见图6），粒子强度最高，确定为最佳工作点。

图6 100%负荷260 r/min时的粒子分布

同样可测得不同负荷下的最佳工作点。工作线必定在溢流线的上方、粘塔线的下方（见图7），用于指导操作人员加减负荷时对喷头的调节。

3 结语

图7 温岭喷头最佳工作线

2010年7月温岭喷头在完成性能测试、评估后正式投运，到目前已运行了25个月，使用期间产品质量控制良好，基于测试数据所编写的操作规程也在实践生产中验证了其可靠性。目前存在的问题是出塔产品粒度（2#皮带取样）一般能达到99%以上，而经过运输、散库存贮，完成包装后的成品粒度下降较多，一般在94.5%~96%。这一现象在先后使用几代喷头的过程中都存在，制约着产品外观质量的提升，需要进一步分析探讨并加以解决。

[1]贾荣辉.夏季尿素粒子强度下降的原因分析[J].渭化科技，2000，（2）:28-29.

[2]张天来，叶世超，茅启昌，等.尿素结块原因及防结块技术[J].中氮肥，2002，（2）：8-11.