布袋除尘在尿素造粒塔上的应用

卢敏荣

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

1 尿素造粒塔粉尘的形成

1.1 尿素造粒塔基本造粒原理

我国化工产业尿素生产所使用的造粒塔普遍采用的是圆柱形或者矩形的高大混凝土结构，造粒塔通过造粒喷头喷洒尿素熔融物料经过通风降温而固化形成尿素颗粒产品。

具体过程如下：高温（约140℃）熔融状态的尿素溶液从造粒塔塔顶的旋转喷头喷洒出来，线状的液态尿素在重力和表面张力的作用下，破裂成很多微小的小段，以液滴状态在塔内下落，被由下而上的冷空气冷却并凝固，落至塔底形成60℃左右的固体尿素颗粒[1]。

1.2 尿素造粒塔的粉尘产生

在造粒塔生产过程中，除了化学反应等基本原因外，尿素液柱的随机断裂、尿素颗粒中的水分或者游离氨就会从内部向外蒸发分离、造粒喷头上细孔通道不规则、造粒塔内通风偏流导致的尿素颗粒碰撞，都会产生细小粉尘[2]。

因此造粒塔顶会有大量的粉尘排放到空中。据统计，尿素造粒塔每喷洒1t物料就会产生1.5kg~4.5kg的粉尘，排放的粉尘大部分都会在造粒塔周围沉降，增加厂区周围的大气腐蚀强度，造成农作物减产、混凝土破裂、金属腐蚀等现象，在当前环保大环境下，尿素造粒塔除尘已是势在必行。

2 尿素造粒塔除尘方式和其优缺点

尿素造粒塔在尿素造粒生产的过程中，必须进行通风冷却。造粒塔的通风方式有自然通风和机械通风2种，机械通风造粒塔是由风机来协助造粒塔通风散热，而自然通风的造粒塔则没有风机，靠造粒塔本身高度差形成的气流推动力完成通风散热，自然通风的造粒塔塔内上升气流的推动力很小，粗略的计算公式如下。

式中：ΔP为推动力，kg/m2；H为尿素塔高度，m；ρ进/ρ出为进塔/出塔干空气密度，kg/m3。

以50m塔高为例，进塔空气温度设为30℃，出塔空气温度设为79℃，则可取ρ进=1.165kg/m³，ρ出=1.029kg/m3，计算出ΔP=6.8kg/m2，换算成压差值为68Pa。

早期化工行业的环保要求并不严格，尿素造粒塔多采用自然通风方式。自然通风由于没有辅助通风等配套设备，因此能耗、建设成本和生产成本低。其缺点也很明显：尿液的冷却速度缓慢，尿素颗粒的尺寸大小受到限制，由于自然通风的气体流动力小，造粒塔出口无法布置阻力稍大的除尘装置，这限制了造粒塔出口除尘装置的选择，排放的气体中尿素颗粒含量较大，大气污染和尿素经济损失也较大。

机械式通风造粒塔是采用风机辅助的强制通风设备，相比自然通风的造粒塔，机械通风造粒塔的通风量大，冷却速度快。另外，由于采用机械强制通风，通风量大，气体流动力强劲，因此可以在造粒塔出口选择多种除尘装置，对尾气中的尿素粉尘进行捕集回收，减少对大气的污染和尿素成品的经济损失。当然，机械通风塔的建设成本、运行能耗、设备维护成本要比自然通风塔高。

目前造粒塔上的除尘装置主要分湿法除尘和干法除尘。

湿法除尘典型的代表就是喷淋水洗除尘。喷淋水洗除尘工艺运行阻力小，因此可以应用于自然通风造粒塔，并且建设成本较低。但从运行效果来看，单级的喷淋水洗除尘器除尘效率不高，造粒塔口存在明显的拖尾现象。如果布置多级喷淋水洗装置，产生的运行阻力就超过了自然通风造粒塔的自身气体流动力，还需要加装风机进行辅助通风，会增加建设成本。但即便是多级喷淋水洗工艺的除尘效率也不高，并且耗水量大，废水处理同样也存在压力，已经无法满足当前的环保和排放要求。

干法除尘中首选电除尘和布袋除尘，这2种除尘方式在电力行业中广泛应用，技术成熟，除尘效率高。1）电除尘即高压静电除尘，利用高压静电场来捕集粉尘颗粒。其优点是运行阻力小，通过布置多级电场、增大集尘面积，可以提升除尘效率，理论上可达到99.5%以上。但尿素造粒塔的情况不同于电力行业：一是空间位置限制，电力行业的电除尘建设于地面上，空间足够大，因此可以布置多级电场来提升除尘效率；但尿素造粒塔的直径和结构承重量都是有限的，无法在造粒塔上叠加多级电场。二是被造粒塔排放的尿素颗粒都是细小颗粒状粉尘且伴有挥发的氨气，电除尘运行过程中易产生火花，存在较大安全隐患。因此，电除尘并不适用于尿素造粒塔。2）布袋除尘是通过滤袋物理过滤的方式来达到除尘的目的。随着新型高精度、耐腐蚀滤袋的研发投产，袋式除尘的除尘效率一般能高达99.95 %以上，并且效率稳定，基本上不受烟尘物化特性影响，还可捕集PM10 以下的粉尘颗粒和重金属[3]。

3 布袋除尘应用于尿素造粒塔分析

3.1 布袋除尘的技术措施和优势

布袋除尘技术成熟，性能优异，成本可控，已广泛应用在电力行业等领域。

3.1.1 布袋除尘原理

布袋除尘器依靠纤维滤料做成的滤袋和滤袋表面上形成的粉尘层来过滤粉尘。通常的织物滤料，含尘气流通过纤维层时，由于纤维间的孔隙远大于粉尘粒径，所以刚开始过滤时，筛分作用很小，主要是纤维滤尘机制：惯性碰撞、拦截、扩散和静电作用。但是当滤布上逐渐形成了一层粉尘黏附层后，则碰撞、扩散等作用变得很小，主要是靠筛分作用除尘。袋式除尘器的滤尘效率高，主要是靠滤料覆膜和其上形成的粉尘层进行除尘，滤布则主要起形成粉尘层和支撑它的骨架的作用。所以为控制一定的压力损失而进行清灰时，应保留住粉尘层，不应清灰过度，导致除尘效率显著下降，滤料磨损加快。

新的滤袋运行中粉尘层形成、滤料间隙被填充后，过滤效率明显提高，排放稳定在低值。

3.1.2 高精过滤技术，实现超低排放

布袋除尘技术已经应用多年，早期受限于滤袋滤料的性能影响，布袋除尘存在滤袋寿命较短、工况适应范围较差、抗拉抗折性能差等缺点，但随着新型的高强度、耐腐蚀、耐高温、高过滤精度的滤料开发成熟，布袋除尘性能优异，排放稳定，可对各种粒径的尿素颗粒、粉尘实现高效拦截，总体排放可控制在5mg/Nm³以下，实现长期稳定的超低排放。

3.1.3 布袋除尘耗能小，成本可控

与电除尘的高耗能不同，布袋除尘纯靠滤袋物理过滤来实现除尘，只需配置相应的空压机系统提供压缩空气来实现滤袋运行中的清灰功能即可，而且压缩空气使用量小，电气设备少，总体耗能低，运行操作简单，维护方便。而且随着新型滤料的应用，滤袋的使用寿命大幅延长，目前常规滤袋的使用寿命可达40000h，金属滤袋的使用寿命更长，大大延长了滤袋的更换周期，有效降低了布袋除尘的使用成本。

3.2 布袋除尘的高效清灰技术

该技术是一种高效、大流量以及低压的长袋行脉冲喷吹技术。

清灰系统是布袋除尘器的核心技术之一。清灰效率直接影响除尘器运行阻力和滤袋寿命。清灰系统采用长袋低压脉冲技术，采用质量稳定可靠的淹没阀，合理设计和布置清灰系统气路的元器件，可方便地实现清灰方式和参数的选择和调整，以满足不同工况的运行要求，保证清灰系统高效稳定。

图1为该公司的二次引流专利技术，通过喷嘴末端的引流孔，在压缩空气通过喷嘴喷出时，可经引流孔引动周围空气一同喷入滤袋中，经实验测量，可提高30%的喷吹气量，节约了压缩空气用量，实现更好的清灰效果。

图1 喷嘴末端二次引流结构及效果

3.3 高均匀性气流分布技术，满足造粒塔运行散热要求

由于使用环境的特殊性，应用于尿素造粒塔上的布袋除尘器与电力行业的布袋除尘器有所不同。

尿素造粒塔的降温性能直接影响造粒塔的产量和尿素颗粒的成型，因此尿素出塔温度需要降到60℃以下。所以造粒塔上的布袋除尘不仅需要拦截回收尿素粉尘，实现超低排放的功能，还要有效实现尿素塔通风降温的功能，而降温效果与塔内的上升气流的均布情况和风量直接相关。理论上来说，塔内的气流分布越均匀，上升气流与下落尿素颗粒接触就会越充分，换热效率越高，在塔底入口空气温度一定（入塔空气的温度按环境温度计）的情况下，气流分布和风量的大小直接决定了换热量的大小。

在气流分布方面，龙净流体方针中心和袋除尘实验中心通过大量模拟和实验，使尿素造粒塔配套布袋除尘器各分室的相对流量偏差绝对值控制在5%以内，气流均布系数δ小于0.25，气流分布较均匀，完全可以满足使用要求。

至于风量的大小，可以通过安装合适的顶部风机系统和底部通风机，来加强通风，满足布袋除尘的运行需要。

3.4 尿素造粒塔布袋除尘器的结构组成

尿素造粒塔配套布袋除尘器系统主要由壳体、花板组件、滤袋袋笼、清灰系统、风机系统、电气控制系统等组成。

与传统电力行业的布袋除尘不同的是，尿素造粒塔上的布袋除尘器的各个分室都需要安装1台单独的风机和阀门系统来实现各个分室的投入和退出。

3.5 布袋除尘应用于尿素造粒塔的缺点

布袋除尘器相比于其他的除尘方式，也有其缺点。布袋除尘靠高过滤精度的滤袋来高效地拦截回收尿素粉尘，在稳定实现超高除尘效率的同时，不可避免地会形成较大的运行阻力，造成压力损失，影响造粒塔的通风散热。

在自然通风造粒塔中，自然通风的气流上升推动力很小，因此加装布袋除尘器后，必须加装足够的风机系统辅助通风，才能保证尿素造粒塔的正常生产运行。对机械通风造粒塔，因布袋除尘的阻力较大，原有风机系统的余量不足，也要对风机系统进行改造，增大风机风量，才能保证造粒塔的散热效果。

因此，加装布袋除尘器的建设成本相对较高。

3.6 应用案例分析

以代号项目A为例，该项目尿素造粒塔原本采用的是多级喷淋水洗强制通风式的粉尘洗涤除尘装置，排放较高，塔出口存在比较严重的烟气拖尾现象，对周围空气造成严重污染，其排放已无法达到新的环保排放标准，必须进行改造。

经过分析校核，决定将原水洗强制通风式除尘装置改造为布袋除尘器。同时为降低改造成本，充分利用原有的各种设备，改造过程中将原水洗除尘装置内部构件全部拆除，利用原设备壳体来布置袋式除尘设备：1）原水洗除尘装置壳体部分（包括上部钢壳体部分及下部混凝土壳体部分）利旧，但拆除原内部喷淋洗涤装置，包括支撑梁、 管道、 喷头等设备，拆除原装置内部填料、收水器、除雾器、原顶板以及顶部设备。2）原设备拆除工作完成后，于上部钢壳体内部重新布置花板组件、 清灰系统等。同时对钢制壳体进行加高工作，利旧恢复顶板。3）待内外部设备安装完成后， 安装滤袋、 袋笼。4） 原顶部轴流风机风量等性能已不能匹配新的袋式除尘器，因此更换顶部轴流风机，风机系统采用变频风机，可根据尿素造粒塔的产量负荷来调整风机运行频率，从而降低运行能耗。

改造后运行效果稳定、良好，经第三方检测，塔顶各轴流风机排放口固体颗粒物排放浓度约3mg/Nm³。

如图2所示，完成布袋除尘改造后，运行中造粒塔顶部出口干干净净，没有原先的拖尾现象，已看不到烟尘。

图2 改造后造粒塔口的洁净排放

相比较于原水洗强制通风式除尘装置，袋式除尘有效减少了水耗，降低了生产系统的污水产量，增加了尿素粉尘的物料回收，提高经济效益，满足了新形势下的环保排放要求。

3.7 该案例存在的问题和改进方法

以上尿素塔改造案例总体运行效果良好，长期运行过程中也发现部分问题，经后续分析，给出了改进方法。1）夏天极端高温天气的影响。由于尿素造粒塔的冷却风是由塔身底部靠近地面周围的空气经由塔底部进入造粒塔中形成，在夏天极端高温天气时，地面经太阳暴晒温度非常高，地面附近的空气温度相应的也高，形成的冷却风进入造粒塔后的冷却效果不及设计预期，在造粒塔满负荷生产时，顶部轴流风机开到最大，依然只能将尿素颗粒出塔温度降到65℃左右，影响尿素生产。为保证生产，该案例的改进方法是在塔底进风口增设2台底部通风机，增加入塔风量，使造粒塔冷却效果达到设计要求。2）由于通过轴流风机排放口的尿素粉尘颗粒细小，吸附性较强，会吸附到轴流风机电机上，侵彻到电机内部，造成了几台电机绝缘下降，电机烧毁。改进方法为，更换绝缘、防护等级更高的电机，可杜绝此类电机烧毁现象。

4 结语

所谓金山银山，不如绿水青山，经济要发展，环境更需要保护，各行业环保政策越来越严，环保标准越来越高是大势所趋。布袋除尘器结构简单，无论是尿素造粒塔新建项目还是旧塔改造项目，都可以比较便捷地加装或改装布袋除尘。与其他除尘器相比，布袋除尘器具有运行长期稳定、可实现烟尘超低排放、运行操作简单可靠、设备维护简便、低能耗且运行成本较低的优势，能够完全满足尿素造粒塔在新形势下的除尘和运行需求，将是尿素造粒塔除尘的必然选择。