尿素造粒塔设备布置与管道布置的设计要点

2018-09-06

化肥设计 2018年4期

(中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223)

国内尿素造粒装置主要采用塔式造粒，即采用圆柱形高大混凝土造粒塔，通过造粒塔上部造粒喷头喷洒尿素熔融物料，塔底自然通风将下降的尿素颗粒冷却降温形成尿素颗粒产品。本文以国内某100万t/a尿素造粒塔项目为例，探讨了采用新型强制通风加除尘洗涤装置的尿素造粒工艺技术，论述设备布置和管道设计上的一些技术要点。

1 造粒塔蒸发造粒技术

1.1 工艺流程

来自低压分解塔底部的尿素溶液，经液位控制阀减压之后，送到闪蒸分离器，绝对压力约为0.045MPa。温度从135℃降到84℃，有相当一部分水、NH3和CO2闪蒸出来，进入一段蒸发冷凝器中冷凝。离开闪蒸分离器的尿液(质量分数约为73%)流入尿液贮槽，再由尿液泵送入一段蒸发器。一段蒸发器分离器分离出的尿素(质量分数约95%)溶液自流至二段蒸发器，在二段蒸发器进一步浓缩到99.7%后，由熔融尿素泵送往造粒塔进行造粒。成型的尿素颗粒经造粒塔底部刮料机以及皮带输送机送至仓库进行包装。

造粒产生的粉尘由塔顶的引风机抽吸进入造粒塔上部的粉尘洗涤器。造粒塔粉尘洗涤器为填料洗涤，使用洗涤器循环泵将稀尿液送至洗涤器上部分布器，当洗涤液的浓度达到一定程度后，通过管道排至尿液槽。洗涤器的补液使用解吸处理后达标的工艺冷凝液。PID流程见图1。

图1 PID流程图

1.2 工艺特点

与传统造粒塔自然通风不同，本项目采用强制通风加除尘洗涤装置，进风口为调节式百叶窗(带调节风量装置)，出风口在造粒塔顶部，设置多台造粒塔轴流引风机进行强制抽风，加强空气与尿素颗粒对流。在喷头层上部设置承水层、填料层、喷淋层，并配有洗涤循环泵，粉尘洗涤效果较好。

2 设备布置要点

造粒塔塔体总高为120m，外筒直径为28m，内筒直径为21m，分为喷头层、承水层、填料层、喷淋层及塔顶引风机层，采用钢筋混凝土现浇筒体结构。操作间设置于EL100.00层，为塔内封闭式[1]。电梯为客货两用，设于塔壁西侧，电梯与楼梯相对布置，根据文献[1]，楼梯间为封闭式，与电梯前室间设置防火门。楼梯间平台为3.2m×8.0m；塔顶屋面设置女儿墙。在EL20.500与EL27.000分别设置通往尿素主框架的钢平台过道，该通道是尿素主框架与造粒塔之间日常检修的主要通道。

2.1 造粒喷头装置

造粒喷头置于EL100.00平面造粒塔筒心，并配有造粒喷头和喷头前过滤器提升装置，一开一备，可实现不间断生产。喷头层操作间为23m×8m，熔融尿素调节装置及公用工程管道均布置于操作间内，四周设置冲洗水地沟，坡向楼梯一侧，在塔壁内侧设置地漏，将收集管穿出塔壁收集。

2.2 粉尘洗涤装置

由于尿素颗粒形成的特点，不可避免地会有尿素粉尘产生。在造粒塔上部设置粉尘洗涤回收装置，一方面可以将尿素粉尘回收，减少对环境的污染，以达到环保达标排放的目标；另一方面还可以降低消耗，增加经济效益。

粉尘洗涤装置安装除尘喷头、冲洗喷头、收水填料层，达到去除粉尘和收集雾化水的目的，其整体布局见图2。

图2 粉尘洗涤装置

2.2.1 喷淋层

洗涤装置中除尘喷头共分两层布置，除沫器喷头布置在上层，喷头分多组朝上，填料层洗涤喷头布置在下层，喷头分多组朝上。单个喷头的覆盖面积是由喷头本身的喷洒角度和雾化距离所决定的，因此，要保证造粒塔洗涤装置的整个截面被洗涤液覆盖，需要根据所选用喷头的特性计算，要保证有足够的喷头数量来满足喷洒面积。工艺洗涤液通过除尘喷头后雾化，可以迅速将尿素粉尘溶解，达到粉尘回收的目的。

除尘喷头在设计时需要考虑的主要问题有3个：①根据除尘能力计算粉尘洗涤循环水的流量；②喷洒面积要覆盖整个除尘装置截面，喷头的数量直接影响到除尘的效果；③不同的喷头形式其雾化滴液尺寸不同，导致除尘效率也不同。

2.2.2 填料层

在洗涤装置中布置填料层的目的主要有2个：一是增大气液两相的接触面积，提高洗涤效率；二是将随着排放气体一起上升的含有尿素成分的水雾进行拦截，这样可以有效降低污染物的排放，减少洗涤循环水的损耗量。

为了降低填料层的阻力降，保证造粒塔的通风，需要定期清洗填料层。由于在运行过程中，填料层表面不断受到含有尿素的湿空气的污染，导致其流通面积不断变小，阻力不断增大，故在填料层上方布置多组洗涤喷头，以实现定期冲洗填料的目的。

2.2.3 洗涤液槽

洗涤液槽位于承水层的侧方，造粒塔内外筒之间。内外筒分别设置通行疏散不锈钢门用于承水层巡检。用于洗涤液槽的洗涤液循环泵应对称布置，两泵之间设置检修人孔。洗涤液槽的平面布置见图3。

图3 洗涤液槽的平面布置

2.2.4 塔顶屋面的布置

造粒塔塔顶屋面布置造粒塔引风机，设备检修起吊单元，屋面均布设置雨水收集地漏，塔壁周围设置女儿墙。

(1)引风机布置。与传统造粒塔自然通风不同的是，本项目在强制通风形式的基础上，采用塔顶洗涤装置的新型造粒塔技术，可以有效减少粉尘的排放和污染。在塔顶均匀设置多台造粒塔引风机，使整个塔截面气流均匀。塔顶屋面布置见图4。

图4 塔顶屋面布置

(2)设备检修起吊单元。造粒塔顶部设置两组起吊单元：一组设置在洗涤循环泵正上方，用于起吊循环泵至塔顶屋面；另一组设置在楼梯间顶部，采用悬臂吊轨，吊臂长度5m，可360°旋转，用于起吊引风机和循环泵至地面。两组吊装机构均采用电动葫芦，其布置见图4。

3 管道设计要点

3.1 熔融尿素管道布置要点

尿素熔点为132.7℃，且尿素溶液的黏度随温度升高而下降(见图5)。为防止尿素溶液99.7%(ω)结晶，要求送至造粒喷头的熔融尿素管道为带有坡度的蒸汽夹套管。采用夹套管的目的是为了保持管内高黏度流体的流动性，以避免在大气环境温度下流体结晶。

图5 尿素溶液温度与黏度曲线

尿液内管按9m一段设计(该部分管道材料按单根9m的规格采购)，并设有可拆卸法兰，以便于拆卸疏通，夹套内管要求无焊缝。夹套管、夹套法兰以及夹套膨胀节的运用是布置熔融尿素管道的重点。由于本项目具有产能大、塔体高的特点，并考虑到尿素熔融泵的扬程及管道阻力降的损失，故取消熔融尿素管传统的“π”形弯设计，采用夹套膨胀节的形式，这样不仅满足了管道柔性设计的要求，并能减少管道阻力降的损失。采用的夹套膨胀节的形式及配管图见图6。