海德鲁流化床造粒装置的粉尘治理

黄卫星

(中海石油化学股份有限公司 海南东方 572600)

中海石油化学股份有限公司海南基地一期尿素造粒装置采用海德鲁流化床大颗粒造粒工艺。在实际运行过程中，该造粒装置的造粒机、冷却器、破碎机以及输送、提升、筛分环节存在大量的尿素粉尘，不仅影响造粒装置的长周期稳定运行和尿素产品质量，而且影响工作环境和操作人员的身体健康。因此，认识造粒粉尘形成机理，分析其生成的影响因素并采取有针对性的措施，加强粉尘治理，具有非常重要的意义。

1 粉尘的形成和处理工艺

1.1 粉尘的形成

海德鲁流化床大颗粒造粒装置的粉尘主要产生于造粒机和大颗粒破碎机。

尿素颗粒在造粒机中长大是通过累积机理进行的，即尿液经特制喷头雾化后，微小的液滴喷洒在流化床层中的晶种表面，通过连续蒸发和固化，从而实现尿素颗粒的长大。雾化的微小尿素液滴若在接触晶种之前水分就完全蒸发，便会固化形成粉尘；或者喷出的微小液滴直接穿透流化床层，当其沉降速度小于流化空气的带出速度时，便形成粉尘并随造粒尾气进入洗涤系统。

破碎机是造粒装置第二大粉尘来源。破碎机的作用是将造粒机出料中超大颗粒予以破碎，作为晶种重新返回造粒机。破碎机辊间距过小，破碎产生的粉尘量就越大。

此外，在输送、提升、筛分过程中，由于粒子之间的摩擦、挤压也会产生少量粉尘。

1.2 粉尘处理工艺

含尿素粉尘的废气在排放之前必须进行净化回收处理。该造粒装置含尿素粉尘废气主要来自造粒机、流化床冷却器和各除尘点(如提升机、破碎机、振动筛的顶部以及皮带输送机的卸料点等)。造粒机出口废气中含有约占装置产量3.5%的尿素粉尘，其平均粒度为3 μm。流化床冷却器及其他除尘点的粉尘量比造粒机处少得多，颗粒也更大,平均粒径为20 μm。含尿素粉尘的废气原通过3台除尘风机进入冲击型湿式洗涤塔中进行净化回收处理，除尘效率大于99%，可满足大气排放控制要求[1]。

2 粉尘的危害

造粒装置中的粉尘危害很大，除恶化工作环境、危害操作人员健康之外，还会产生如下影响。

2.1 造粒机结疤

造粒机是造粒装置的核心设备，造粒机内的粉尘积累形成结疤，按存在的部位可以分为多孔板堵塞、造粒机外壁结疤、出口风道结疤三大类。多孔板堵塞会导致造粒机流化空气量下降，降至一定程度后将引起造粒机晶种不流化，喷头喷出的尿液直接洒落在床层上，使尿素粒子发生黏连而形成大块，导致出料恶化。造粒机外壁结疤，特别是造粒机顶部的结疤累积至一定程度后，会脱落砸入造粒机床层中并压住喷头，喷头喷出的尿液直接喷在脱落的结疤上，使结疤不断长大，直至造粒机死床。出口风道结疤将导致造粒机出口负压无法维持，对造粒机后期的安全运行有较大的影响。

造粒机结疤是累积效应造成的，量变到一定程度后引起质变，导致造粒机长周期运行中断，此时必须停运造粒装置对造粒机进行清洗，由此带来系统消耗增加、操作强度大等问题。

2.2 引起设备故障

粉尘会恶化设备运行工况，引起设备故障。

(1)斗提机底部粉尘结疤会引起斗提机料斗刮底，造成电动机运行电流突然上升、传动的三角皮带断裂。

(2)粉尘对设备，尤其是对现场电气和仪表的安全运行构成一定的威胁。飘进现场电气柜的粉尘容易吸潮，易造成电气柜故障跳车。粉尘积累在电动机的散热片、散热风扇上，致使电机散热不良，引起设备高温故障。

(3)粉尘黏附在振动筛筛网网孔上，导致筛分效果变差，致使成品粒度不合格。结疤堵塞下料口等隐蔽位置，引起设备堵料、电动机电流增大。

(4)堵塞设备的除尘管线，导致除尘效果差。因此，设备的除尘管线运行一段时间后，必须安排冲洗。

(5)皮带输送机出料口及转动辊筒结疤，会引起皮带跑偏和磨损，缩短皮带的使用寿命。

2.3 堵塞管道，引起堵料事故

造粒机晶种返料管线上若存在大块结疤，将导致返料管线上的单向阀卡涩而无法打开，从而引起造粒机返料管堵料。抽料机内部出现结疤，将引起通道堵塞，导致发生堵料事故。由于上述位置比较隐蔽，检查困难，处理难度较大。

2.4 影响尿素产品质量及其他

粉尘增多不仅影响尿素产品的外观、粒度及破碎强度，而且会导致尿素散装库、包装楼、转运栈桥粉尘弥漫，引发职业病。

3 粉尘的综合治理

粉尘治理措施包括：①从源头进行控制，深入了解工艺影响因素，改进工艺控制措施，调整相关参数，减少粉尘的生成量；②在粉尘后处理方面，对收集、洗涤系统进行优化，避免粉尘排放。

3.1 源头控制

影响造粒机粉尘生成的主要因素有以下方面，可采取相应的措施，以减少粉尘的生成。

(1)造粒机进料尿液浓度的控制

海德鲁流化床大颗粒造粒装置要求造粒机进料尿液质量分数≥96%。从分析结果来看，实际进造粒机尿液质量分数低于96%。若进料尿液浓度过低，尿液经雾化后喷洒至晶种表面，其中的水分难以在造粒机所允许的停留时间内完全蒸发，造成生成粒子的强度降低，大量流化粒子相互黏接、摩擦，导致粉尘生成量增大。在实际运行中发现，若进料尿液浓度过低，往往导致系统工况恶化，风机负荷和洗涤系统负荷增大，返回蒸发系统的尿液量增加，造粒机运行周期缩短。

蒸发系统真空度偏低是导致尿液浓度低的主要原因。由于该尿素装置地处海南省，环境温度高，蒸发系统真空度在高温下不易达标。

处理措施：尿素前系统中、低压分解器的操作温度由155 ℃和143 ℃的低限提高至158 ℃和148 ℃，中、低压系统的操作压力由1.58 MPa和0.38 MPa降至1.55 MPa和0.34 MPa，使系统负荷前移，降低进入蒸发系统尿液中游离氨的浓度，蒸发系统的真空度由-58 kPa提高至-61 kPa。

(2)调整添加剂

海德鲁流化床大颗粒造粒装置要求在进料尿液中添加甲醛作为造粒过程的防结块剂[2]，其添加量控制在0.45%～0.55%(质量分数)。若甲醛添加量不足，将导致造粒机粉尘量大幅增加。但试验发现，添加甲醛的效果不如添加脲醛溶液。即甲醛与熔融尿素反应，保证1 h左右的反应时间，将生成的脲醛溶液添加至质量分数96%的尿液中，造粒得到的尿素颗粒强度更高，产生的粉尘量更少。

技改措施：在尿素装置蒸发系统框架上增设脲醛反应器，将原直接添加至尿液泵出口的甲醛改为添加至该反应器，在此与尿液充分反应后再加入尿液泵的入口。经此改造后，洗涤系统返回前系统质量分数45%尿素溶液的量由8.5 t/h下降至7.5 t/h，表明生成的粉尘量明显下降；尿素产品的抗破碎强度由20 N/颗提高至40 N/颗，外观及表面更光洁。

(3)造粒机料位的控制

流化床造粒技术是通过喷头将熔融尿液喷洒至处于流化状态的晶种上而得到颗粒状尿素，当造粒机料位过低时，喷头喷出的雾化液滴就会直接穿透床层而逃逸到流化空气中，若流化空气流速超过尿液液滴的沉降速度，随着除尘风机的抽吸，雾化液滴进入洗涤系统，导致洗涤系统负荷增大。

控制措施：通过现场喷淋试验，确定喷头在正常运行压力下喷射的液滴高度，以此高度控制造粒机料位。在实际控制中，要求造粒机的料位控制在1 m以上，充满整个观察视镜，同时防止流化床形成沟流、涌流等非正常流化状态，防止雾化液滴的逃逸。

(4)造粒机温度的控制

在控制中发现，造粒机温度对造粒系统的稳定运行同样有着重要的作用。若造粒机温度低于105 ℃，尿液中的水分在所允许的停留时间内不能被及时蒸发，造成产品水分不合格；若造粒机温度过高，喷头雾化喷洒出的微小液滴在接触到晶种表面之前水分即完全蒸发、干燥、固化，导致粉尘的大量生成[3]。一般造粒机温度超过110 ℃，系统粉尘量就急剧增加，导致洗涤系统负荷增大。

优化措施：造粒机实际温度控制在105～110 ℃范围内。

(5)造粒喷头压力

造粒喷头压力由压力控制阀调节，按设计要求，该压力控制在0.11～0.18 MPa范围内。实践证明，造粒喷头压力控制在设计要求上限或超过上限操作，造粒机粉尘生成量增加。其原因在于伴随造粒喷头压力的增大，喷头喷淋高度增加，雾化液滴容易穿透造粒机流化床层的稀相区，从而形成大量粉尘[4]；严重时，液滴直接被喷射至造粒机顶部，导致顶部结疤急速长大。

改进措施：控制造粒喷头压力在设计低限操作；造粒喷头压力过高时，及时增加喷头组。

(6)破碎机的维护

破碎机辊间距太小，直接导致大颗粒尿素经破碎后产生的粉尘量增多[5]。

改进措施：通过定期分析产品粒度分布来调整破碎机辊间距；定期清理滚筒间的结疤，清洗造粒机时彻底清洗该结疤。

3.2 后处理措施

目前，洗涤系统运行良好，主要在加强现场粉尘的收集方面采取了以下改进措施。

(1)定期冲洗除尘管线。各个除尘点设置有除尘管线，用于收集粉尘集中部位的粉尘，这些管线一般在每年大修时才进行彻底冲洗。但现场检查发现，运行一段时间后，各除尘点的粉尘较多，除尘管线被粉尘完全堵死，每年1次的除尘管线冲洗无法满足现场需求，故安排在装置停车时定期清洗除尘管线。

(2)增设除尘点。原工艺设计仅在振动筛、破碎机、斗提机等处设置除尘点，在实际运行过程中发现尿素成品皮带输送机的下料口处粉尘量较大，导致成品皮带栈桥处烟雾弥漫。成品皮带栈桥设计有30°的斜坡，地面为钢结构，粉尘吸潮后较滑，工艺操作人员在运转的皮带输送机旁清扫及巡检时，存在较大安全隐患。另外，造粒导向器、最终产品冷却器原设计未设置除尘管线，根据现场实际情况，增设成品皮带输送机下料口、造粒导向器、最终产品冷却器等处的除尘管线，保证成品输送过程的现场清洁卫生。

(3)更换碳钢除尘管线。原设计除尘管线材质为碳钢，腐蚀严重，每次冲洗时都有大量的锈渣，导致回收溶液的污染。为此，将除尘管线逐步更换为不锈钢管或PVC管，避免了管线的腐蚀和结垢。

(4)更换大流量除尘风机。原除尘风机设计空气流量为8 250 kg/h，无法满足现场除尘需求。增加更多的现场除尘点后，更换大流量除尘风机的要求更加迫切。在不改变原除尘风机进出口管、连接尺寸及基础的情况下，更换为空气流量16 500 kg/h的除尘风机，有效改善了尿素造粒装置的现场环境。

4 结语

尿素粉尘能引起造粒机结疤、设备故障、堵料事故，影响尿素产品质量及安全、环保一系列问题。针对影响粉尘生成的因素，提出了优化控制措施，从源头控制粉尘的生成量。在粉尘后处理方面，采取定期冲洗除尘管线、增设除尘点、更换除尘管线材质、更新除尘风机等措施，加强粉尘的收集。经以上综合治理，尿素造粒装置的粉尘得到有效控制，现场工作环境明显改善。