尿素造粒塔粉尘回收技术刍议

王 献

（合肥瑞鑫化工科技有限公司，安徽合肥 230061）

0 引 言

随着社会经济的快速发展，能源危机、环境污染日趋严重，尤其是以PM2.5为代表的颗粒物污染问题受到了大家的广泛关注。因此，近年来，国家不断加大大气污染的治理力度。

尿素造粒塔是尿素生产（塔式尿素造粒装置）中的关键设备，尿素造粒塔内通过自然通风和机械通风使造粒喷头喷出的融熔尿素在下落过程中凝固成型并冷却，而在尿素造粒塔顶排放气中会夹带不可忽视的尿素粉尘，这些尿素粉尘大部分将降落在附近数公里范围内，对区域环境和周边人员造成损害；同时，这部分尿素白白地排放掉增加了装置的消耗，也削弱了企业在市场中的竞争力，制约了企业的生存和发展。因此，对尿素造粒塔粉尘进行回收已势在必行，既有利于提升企业的竞争力，又有利于节能环保。

1 尿素造粒塔粉尘产生的原因及危害

1.1 尿素粉尘产生的原因

尿素造粒塔粉尘的产生有多方面原因，一般认为主要有以下几方面的因素。

（1）熔融尿素成粒过程中会发生一些化学反应，会产生一些粉尘。

（2）尿液从造粒喷头喷出以后，与来自塔底的冷空气在造粒塔内相遇，由于尿液本身的向下运动以及冷空气的向上运动，使尿素液柱断裂，形成长度不等的液柱短节，该短节的长度取决于尿液的内在粘性，由于尿液表面张力的存在，液柱短节最终会形成近似于球形的尿素颗粒。由于尿素液柱断裂的随机性，必然会形成一部分细小的尿素颗粒和粉尘，当上升的空气流速大于这些粒子的沉降速度时，这些细小的尿素颗粒和粉尘就会随上升空气一同排至塔外。

（3）当尿液中的水分超标时，尿素颗粒中的水分从内部向外部蒸发，会造成颗粒的二次破裂，产生不规则的尿素粉尘；当尿液中的游离氨超标时，造粒过程中由于游离氨的分离，也会造成尿素颗粒的碎裂而产生粉尘。

（4）熔融尿素温度过高，容易产生粉尘和空心现象。

（5）造粒喷头上开有许多规则的圆形小孔，如果系统中有杂质，如金属碎片、毛刺、密封盘根碎片等，就会堵塞喷头小孔，造成小孔通道的不规则，如此极易产生粉尘。

（6）造粒机的工况不稳定，如造粒机轴弯曲或摆动、振动等，都会导致尿液出现不规则运动，使尿素颗粒发生碰撞而产生粉尘。

（7）造粒塔的通风状况不良，如通风偏流、风量过大，尿素颗粒的运行轨迹就会发生变化，尿素颗粒就会相互碰撞而产生粉尘（有时会导致颗粒粘连，形成不规则的颗粒）。

（8）据 《氮肥工艺设计手册——尿素》，1 kg尿素所需要的冷却空气量约为7.23 m3，即吨尿素所需要的冷却空气量为7 230 m3，通常设计时吨尿素所需冷却空气量取8 000～10 000 m3，则φ19 m造粒塔最大自然通风量为6×105m3／h。生产中，造粒塔的通风量可根据系统的生产负荷、环境温度进行调节，若通风量过大，易造成塔顶的粉尘量过大；通风量过小，冷却空气量不足，尿素颗粒得不到充分冷却，易造成尿素粒子粘连和尿素颗粒温度过高，继而易产生粉尘。

1.2 尿素粉尘的危害

尿素造粒塔粉尘治理是长期困扰尿素企业的一大难题。由于国内大部分尿素装置原设计并没有考虑粉尘治理的问题，因此目前大部分造粒塔的粉尘仍采取直排形式排放，未作任何处理。环保监测数据表明，较高浓度的尿素粉尘在自然通风的高流速下直排大气，带来以下诸多问题。

（1）污染周边环境。尿素粉尘排放，对厂区周边的农作物和花草树木的生长会造成严重影响，道路和建筑物被腐蚀，周边居民生活及健康状况也会受到影响；尤其是每年春秋季气压较低时，由于风速小，尿素粉尘不易被风带走，从而容易沉降积聚在厂房周围，使周边环境遭到较严重的污染。

（2）粉尘超标排放。虽然目前尿素造粒塔粉尘的国家环保排放标准还没有正式颁布，但2017年12月13日在北京召开的全国氮肥绿色发展会议上，环保部及中国氮肥工业协会已初步形成共识，拟规定尿素造粒塔粉尘排放浓度≤30 mg／m3、氨含量≤10 mg／m3。

（3）尿素产量损失。造粒塔顶排放粉尘浓度高，尿素产量损失较大。

2 粉尘治理技术

2.1 φ19 m尿素造粒塔粉尘排放概况

尿素造粒塔粉尘总排放量为通风量与含尘浓度的乘积，常用吨尿素粉尘排放量来进行评价。φ19 m尿素造粒塔的原设计产能为400 kt／a，自然通风量约为6×105m3／h，塔内平均风速为0.57 m／s，排放气粉尘浓度为 120～220 mg／m3，则吨尿素产生的粉尘量为1.2～1.8 kg，测定状况下尿素损失量1.5～2.0 t／d。400 kt／a产量的φ19 m尿素造粒塔，在大气风速0.5 m／s的条件下，粒径大于10μm的颗粒大致降落在4 km半径之内（以尿素造粒塔为中心）。

2.2 自然通风式粉尘回收技术

2.2.1 工艺原理

自然通风式粉尘回收装置是在造粒塔顶建一箱体，箱体内部有填料、收水器、喷头，其中，喷头共3层（组），下面一组喷头向上旋流喷射，中间一组喷头向下喷淋喷洒，最上面一层为清洗喷头，用于清洗附着在收水器上的尿素粉尘。造粒间安装有2台循环水泵，工艺上采用三级分离、三级吸收循环喷淋洗涤技术，即用工艺冷凝液或解吸水解废液洗涤粉尘同时除去塔顶排放气中的NH3，循环洗涤到一定浓度的稀尿液返回尿素系统利用。

2.2.2 应用情况

国内有很多尿素生产厂已经应用了自然通风式粉尘回收技术，但实际运行状况不太理想，尤其是在夏季，由于增设了粉尘回收装置，尿素（颗粒）出（造粒）塔温度一般会上升5～7℃，造成尿素结块严重，不得不将回收箱体内的填料扒出以降低出塔尿素颗粒温度。另外，自然通风式粉尘回收装置2组喷头只能开1组，如果2组全开，排放气易形成 “天女散花”，排放气带液严重，造成二次污染，其排放的尿素粉尘浓度在50～80 mg／m3。河南心连心化肥有限公司、安徽三星化工有限责任公司、安徽昊源化工集团有限公司、山东华鲁恒升化工股份有限公司、山东鲁西化工股份有限公司、浙江晋巨化工有限公司等企业均存在上述情况。

目前有的公司在做自然通风式粉尘回收装置时，为得到中标机会、占有市场份额，在招投标的过程中，恶意压低价格，并承诺保证造粒塔排放气体中尿素粉尘含量≤10 mg／m3，而一旦中标，施工过程中却使用劣质的钢材及填料（填料有的用玻璃钢，有的用0.3～0.5 mm的不锈钢薄皮，使用不到2 a玻璃钢腐蚀脱落，堵塞喷头，或不锈钢薄皮严重变形，不能正常使用），使粉尘回收装置在运行中存在极大的安全隐患。如果哪个公司承诺使用自然通风式粉尘回收装置尿素造粒塔排放气中尿素粉尘含量＜30 mg／m3、尿素粒子温升＜5℃，肯定是造假、欺骗客户，因为事实上根本达不到这个指标。

2.2.3 投资及效益

以φ19 m尿素造粒塔为例，自然通风式粉尘回收装置的总投资一般在180万～220万元。

据现使用自然通风式粉尘回收装置的尿素生产厂家进行统计，有80%的厂家不回收其产生的稀尿液，原因是：粉尘回收率仅50%左右，循环洗涤液中尿素浓度太低，达不到工艺上要求的浓度，无回收价值。于是，很多尿素生产厂家干脆一次性循环后将洗涤液排入碳铵液槽，利用水解装置予以处理，效益甚微。

2.3 强制通风式粉尘回收技术

在自然通风式粉尘回收装置使用效果不佳的情况下，合肥瑞鑫化工科技有限公司经认真研究，设计出了强制通风式粉尘回收装置。该强制通风式粉尘回收装置是在尿素造粒塔顶设置一箱体，箱体顶部加装6台14×105m3／h的轴流风机（匹配φ19 m尿素造粒塔），总风量约为84×105m3／h；箱体内部加装复合填料，并增加填料高度，使填料层形成水幕，可更好地对尿素粉尘进行洗涤吸收；箱体内2层喷淋喷头为三角形分布，可杜绝喷淋死区，实现粉尘的有效喷淋洗涤；箱体上部装有1层收水器、1层除雾器，以除去排放气中的水汽，杜绝带液现象，并尽量克服尾气拖尾这一世界性难题。

粉尘的回收效率是评价强制通风式粉尘回收技术应用成功与否的重要指标。合肥瑞鑫化工科技有限公司设计的几套强制通风式粉尘回收装置，实际运行中粉尘回收率均达90%以上，这主要归功于喷淋喷头、填料和收水器的设计。

合肥瑞鑫化工科技有限公司设计的强制通风式粉尘回收装置，除尘液的来源及回收利用视具体情况而定，各生产厂家的情况会有所不同，既可以将洗涤液回收至二表槽，也可以直接加入尿液系统中去（洗涤液浓度达8%～15%时即可补入到系统中）。补液最好采用水解废液，水解废液补入循环槽（循环槽设计有隔板）；在更换造粒喷头时，可用水解废液或蒸汽冷凝液对喷头进行冲洗。

2.3.1 技术特点

（1）工艺流程先进、技术成熟、安全可靠，配套设备性能优越，可保证装置稳定、优质、长周期运行。

（2）强制通风式粉尘回收装置的箱体、支承、支架全部采用304材质（特别指定的材料除外），可避免每年都要高空防腐而带来的安全风险；所有喷淋喷头、喷头本体材料均采用316L。

（3）强制通风式粉尘回收装置整体置于造粒塔上方，造粒塔采用自然通风和强制通风相结合的方式，粉尘回收装置的通风量大大高于原造粒塔设计的冷却空气量；此外，安全方面的考虑也非常周全，粉尘回收装置具有较强的抗风、抗震能力。

（4）强制通风式粉尘回收装置采用可靠、有效措施保证除尘效果和气水分离效果，可避免雾化洗涤液带出造粒塔造成二次污染。

（5）强制通风式粉尘回收装置可根据生产负荷进行相应的负荷调整（通过调节风机风量或风机开启台数进行控制）。

（6）强制通风式粉尘回收装置采用DCS控制，可实现自动／手动控制的切换，主要控制信号通过DCS通讯接口进入厂区DCS系统，外送循环液可通过流量计计量，从而可计算出每天回收尿素的数量；采用自动调节阀，其配置数量满足过程控制要求，并能实现远传操控，从而减轻操作人员的劳动强度。

2.3.2 技术指标

（1）造粒塔排放气粉尘浓度≤30 mg／m3（保证值）、氨浓度≤10 mg／m3。

（2）粉尘回收效率达90%以上，回收稀尿液浓度8%～15%（质量分数），可返回尿素系统利用。

（3）出造粒塔尿素颗粒温升＜1℃。

2.3.3 应用情况

吉林通化化工股份有限公司、河南心连心化肥有限公司、山东华鲁恒升化工股份有限公司的应用情况表明，强制通风式粉尘回收装置投运后，既解决了尿素造粒塔通风量方面的问题，保证了尿素粒子温度不升高，又更好地回收了尿素，同时还避免了增设风机后排放气带液的问题。2017年12月22日，环保部门对山东华鲁恒升化工股份有限公司尿素造粒塔排放气进行了72 h监测，结果为：造粒塔排放气中的尿素粉尘含量＜30 mg／m3，尿素粒子温升＜1℃，粉尘回收率达90%以上。为此，合肥瑞鑫化工科技有限公司就其开发的强制通风式粉尘回收技术申请了国家专利，专利号：ZL201220523238.9、ZL201620310010.X。

2.3.4 投资及效益

以φ19 m尿素造粒塔为例，强制通风式粉尘回收装置的总投资一般在280万～320万元。

几家尿素生产企业的统计数据表明，强制通风式粉尘回收装置投运后，尿素粉尘回收率均达到90%以上。其中，河南心连心化肥有限公司三厂φ19 m造粒塔（尿素造粒塔由自然通风式粉尘回收装置改造为强制通风式粉尘回收装置）日产尿素在1 550 t时，日可回收尿素约1.8 t，尿素售价以1 500元／t计，日增效益为1.8×1 500＝2 700元；配套6台轴流风机功率合计为90 kW，电价以0.5元／（kW·h）计，日用电费用为90×24×0.5＝1 080元，即年（以330 d计）回收尿素粉尘的效益为（2700-1080）×330÷10000＝53.46万元；总投资约130万元的技改项目，不到3 a即可收回投资成本。

2.4 布袋式除尘技术

尿素造粒塔布袋式除尘技术是由锅炉烟道气布袋除尘技术演变而来的，其技术标准差异不大。锅炉烟道气布袋除尘装置安装在地平面，有足够的空间布置设备，与其他设备相结合，其除尘效果完全可以达到设计要求，且能实现长周期、稳定运行。以φ19 m的尿素造粒塔为例，尿素造粒塔布袋除尘装置安装在造粒塔顶，需加工1个高约4m、直径14m的箱体，φ19m造粒塔自然通风量为60×105m3／h，增加布袋后风机风量一定要大于自然通风量，方能使塔内不会形成正压，不影响尿素粒子的出塔温度。合肥瑞鑫化工科技有限公司设计的尿素布袋除尘装置分为4个粉尘回收室，共设4台20×105m3／h引风机，总风量约80×105m3／h，风机风压在3 000～4 000 Pa，风机叶轮采用304不锈钢；设有φ133 mm×6 m的布袋约4 000个，布袋具有耐酸、碱及防腐蚀的性能；箱体内部装有400台电磁阀，用于对附着在每个布袋上的尿素粉尘进行反吹。据计算，增设布袋除尘装置以后，尿素造粒塔粉尘回收率可达98%，造粒塔排放气中的粉尘含量 ＜5 mg／m3。

2.4.1 布袋除尘装置存在的问题及探讨

（1）布袋除尘装置安装在高90 m以上的造粒塔塔顶，施工空间小，设备重量大，特别是风机的安装，既要避免风机的振动，又要考虑风机长时间在造粒塔顶运行会不会对造粒塔的结构产生影响，这就给设备安装施工带来很大困难，安装风险极大；而若在地面上加工好部分设备再进行整体吊装，安装成本又会过高，尿素企业和施工单位均难以承受。

（2）尿素装置开车初期或生产不正常时不适合使用布袋除尘装置，因为开车初期和生产不正常时，蒸发系统尿液经常打循环，且打循环时要用蒸汽吹扫喷头及管线内的尿液，而尿素粉尘遇水汽会粘连结晶，堵塞布袋，致使布袋阻力增大，尿素颗粒出塔温度升高，严重时会造成尿素结晶堵塞塔底料斗，生产无法正常进行。

（3）夏季及南方气候潮湿地区不宜使用布袋除尘装置，因为夏季及气候潮湿地区空气湿度较大、雨水较多，尿素粉尘易结晶，粘附在布袋上，使布袋失去除尘功能，易造成尿素颗粒出塔温度升高，甚至生产无法正常进行。比较发现，气温在15℃左右时，使用布袋除尘技术的尿素装置尿素颗粒出塔温度在70℃，而相同生产负荷情况下采用强制通风式粉尘回收技术的尿素装置，其尿素颗粒出塔温度只有58℃，且随着气温的升高，使用布袋除尘技术的尿素装置尿素颗粒出塔温度还会成倍增长。布袋除尘效果固然好，但如何降低尿素颗粒出塔温度，是我们必须研究并解决的一个重要课题。

（4）塔顶4台风机必须24 h正常运转，一旦风机出现故障，整个尿素装置必须减量生产，待风机检修好以后方能转入正常生产，由此将会给企业带来不小的经济损失。

2.4.2 投资及效益

以φ19 m尿素造粒塔为例，布袋除尘装置总投资一般在600万～700万元。

布袋除尘装置有4台20×105m3／h的风机，每台风机每小时用电160～180 kW·h；布袋除尘装置中的电磁阀、仪表空气系统、鼓风机等合计每小时用电约1 000 kW·h；另外，运行中只要布袋上粘连尿素，就必须更换布袋，费用较高。可见，布袋除尘技术回收尿素粉尘的效益远远低于其用电成本和运行成本，无任何经济效益可言，只是作为环保设施而已。

3 结束语

当前，在国家环保治理力度不断加大的背景下，尿素造粒塔粉尘治理已势在必行，据环保部门消息，国家近期可能出台对尿素造粒塔粉尘排放进行在线监测和无人机取样分析，达不到排放要求的企业要进行限期整改或予以重罚。为此，尿素生产企业要对造粒塔粉尘治理问题引起足够重视，至于选择哪种尿素粉尘治理技术，企业需首先了解各种尿素粉尘回收技术的技术原理、优缺点及应用业绩，然后根据自身的实际情况而定，力求做到既有利于企业发展又造福于社会。