自然通风尿素造粒塔粉尘回收清洁生产方案浅析

宜化股份中孚化工有限公司采用自然通风尿素造粒塔制造颗粒尿素。1#塔和2#塔的生产能力均为12万t/a。1#造粒塔高64 m,直径9 m。2#造粒塔高70m,直径11m。由于生产过程中造粒塔尾气中尿素粉尘排放量大,必须对造粒塔飘出的尿素粉尘进行回收。回收拟采用清洁生产方案,该方案不仅可以创造一定的经济效益,同时具有一定的社会效益和环境效益。笔者拟针对造粒塔排放尿素粉尘情况及其回收方案进行探讨和分析。
1　尿素粉尘产生的原因及危害
1. 1　尿素造粒塔运行情况
从二分塔出来的尿液经闪蒸以及一、二段蒸发系统真空加热提浓成为99. 7%的熔融尿液。熔融尿液进入旋转喷头,因喷头旋转产生的离心力被甩出喷头小孔,形成一缕缕细流,细流又被高速旋转的喷头切割成极短的小液柱,由于液体有内聚力而形成小液滴,均匀地喷洒于整个塔截面上,在塔内与冷却介质———空气逆流接触,经过凝固和冷却2个过程后尿素颗粒落入塔底。塔底收集的尿素颗粒经皮带运输机输送到筛分网进行粒径分离,合格的颗粒进入流化床降温除尘,得到的尿素颗粒成品送电子秤包装。鼓风机输送的凉风从底部进入流化床将粉尘(包括1. 2 mm以下的微小颗粒)和热量带走。被风吹出来的粉尘和微小颗粒进入洗涤装置,洗涤室内循环喷淋的洗涤液溶解粉尘,形成浓度为40% ~50%的尿素水溶液,经回收泵返回闪蒸、蒸发系统后,得到熔融尿液进入造粒工段,从而实现粉尘回收。尿素生产工艺流程见图1。
1. 2　尿素粉尘产生的原因
(1)化学反应过程造成的粉尘　喷出的熔融物在较高温度下和偏低的氨压下引起尿素分解而产生异氰酸和氨,但在冷却条件下,该2种介质在重新相遇后又能反应生成尿素。熔融物温度越高,分解越剧烈,形成的粉尘也增多。这样产生的尿素粉尘极为细小,均在10μm以下。
(2)喷头喷射出的粉尘　从单个小喷孔喷射试验中可以观察到,在喷孔射流周围总出现几条微细射流或微粒轨迹。当喷孔加工不规则时,如有凸缘、毛刺或划痕缺陷,造粒塔就会产生大量的尿素粉尘。
(3)喷头操作状态不正常引起的粉尘[1]　操作实践证明,如果熔融温度过低、喷量过小或喷头转速过高或过低,由于黏度增高,喷头内旋转液层厚度分布不佳,就会引起造粒状况恶化,细小空心颗粒增多,同时粉尘量增大。
(4)各种机械力破碎所造成的粉尘　这种力包括塔底刮料机转动时尿素颗粒破碎和颗粒在冷固前与塔壁或颗粒之间碰撞破碎。后者的发生往往是由于塔径与喷洒范围配合不当,或通风气流及塔内小回流对喷洒线的扰动或喷头设计参数选用不当,以及由于孔轴偏斜等原因造成颗粒运动轨迹的交错所致。
(5)风速过大　塔内风速过大时所携带的粉尘颗粒大,数量亦多。
1. 3　造粒塔尿素粉尘的危害
尿素粉尘对环境的危害较大,粒径大于7μm的颗粒在风速约为0. 5 m /s的大气条件下大致降落在6 km半径的区域内,对该区域的环境危害较大。造粒塔排放粉尘的90% ~99%均是易溶于水的尿素粉尘,在潮湿多雨地区粉尘常溶解合并成大颗粒,很快降落在厂区及其附近,形成腐蚀作用很强的大气环境,不仅危害农作物生长,而且腐蚀路面、锈蚀金属设施、损害建筑物。对于造粒塔本身,其受损程度更为严重,塔顶部积满厚厚的尿素粉尘,在雨水作用下结垢于各处表面,甚至出现灰溜,尿素溶液可向混凝土塔体内部渗透从而腐蚀塔体。
1. 4　造粒塔尿素粉尘量计算
2006年12月17日~19日连续3天对1#和2#尿素造粒塔进行了全面监测,笔者采用热球式电风速计测量造粒塔放空口气速,利用大气采样器捕集尿素粉尘,采用质量法测定造粒塔放空气中尿素粉尘浓度。监测数据见表1。
　　1#塔截面积为25m2, 2#塔截面积为35m2,由表1可知, 1#尿素造粒塔塔顶放空气中尿素年流失量为1 108. 08 ,t 2#尿素造粒塔塔顶放空气中尿素年流失量为1 360. 8 t。
2　尿素粉尘回收清洁生产方案
2. 1　清洁生产方案比较
针对1#, 2#尿素造粒塔的具体特点,提出了3项清洁生产方案:①造粒塔顶部增设布袋除尘装置;
②造粒塔顶部增设湿式除尘装置;③造粒塔顶部增设电除尘装置。由于布袋除尘、湿式除尘方法的阻力均大大超过了自然通风尿素造粒塔的允许压降,因而只能用于机械通风的造粒塔。如果通过外加机械能克服除尘装置的阻力,吨尿素耗电一般不小于4 kW•h,1#, 2#尿素造粒塔年产30万,t其除尘装置年耗电大于120万kW•h,约合100万元。故采用布袋除尘和湿式除尘等除尘设备来回收自然通风尿素造粒塔粉尘是不现实的。相比之下电除尘系统能满足尿素造粒塔通风量大、允许压降小、排风口位置高和投资成本低的要求。电除尘器是安装在排放尘源上方的一种轻型除尘设备,其处理能力很大。上海宝钢[2]120 t转炉设置的屋顶除尘器,其处理烟气量可达50万m3/h,烟气温度80℃,烟气浓度800 mg/m3,除尘效率大于90%,除尘器阻力小于30 Pa。
2. 2　增设电除尘装置可行性分析
电除尘能否应用于尿素造粒塔放空气,关键在于它的除尘效果和安全可靠性。
(1)电除尘器对粉尘的比电阻有一个适宜的范围,一般为104~1011Ω•cm。根据上海华东理工大学1995年对化肥厂尿素装置产品尿素的比电阻测定结果[2],产品尿素比电阻为2. 89×109Ω•cm,尿素粉尘比电阻为1. 98×109Ω•cm,其比电阻都在电除尘要求的最佳比电阻值范围内。
(2)尿素造粒塔放空气粉尘浓度分别为1. 9g/m3和1. 5 g/m3(均小于30 g/m3),粉尘浓度在电除尘器要求的最佳浓度范围内[3],无须设置预除尘装置。
(3)造粒塔尾气气速为0. 9~1 m/s(在0. 5~1. 5 m/s之间),尾气气速适宜电除尘器运行。
(4)尿素粉尘的粒径分布对电除尘的除尘效率有很大的影响。粉尘的驱进速度与粉尘的粒径成正比,粉尘粒径越大,驱进速度越快,电除尘效率越高[4]。1#, 2#尿素造粒塔尾气粉尘粒径为2 ~10μm,电除尘效率可以达到98%。
(5)湖南洞庭氮肥厂[2]于1985~1986年进行了尿素装置造粒塔电除尘模拟试验,其工艺数据证明采用电除尘回收尿素粉尘的方案是可行的。南京栖霞山化肥厂于1986年在成品包装皮带机处增设了1台高压静电除尘器,除尘效果也比较明显。以上分析说明尿素粉尘用静电除尘器回收粉尘的方案是可行的。
2. 3　电除尘装置增设方案
(1)除尘装置安装方案　在造粒塔塔顶排气口上设置收尘极板,在收尘极板间安装电极,接通高压电源而形成电场。当含尘气体通过电场时,粉尘在电场力作用下聚集在收尘极上,净化后的气体排出。在电除尘装置的收尘极板上安装电磁振打器,定时振打清扫收尘极上的粉尘,尿素粉尘落到塔底经皮带输送机送到筛分处,再进入流化床被鼓入的空气带入洗涤室。尿素粉尘经喷淋后形成浓度为40% ~50%的尿素水溶液,经回收泵返回闪蒸、蒸发系统后,熔融尿液重新进入造粒工段。为便于操作,最好将控制室设置在造粒塔下方。
(2)电除尘器设备选型　设计中对电场风速的选择取值为0. 8 m/s,电场提供最高直流电压为72kV,选择400mm的宽间距,极板为大C型,极线用RS线。采用40m2电除尘器,其设备性能参数。
技术指标参数技术指标参数
1#塔处理废气量/m3•h-1100×103废气温度/℃常温
2#塔处理废气量/m3•h-1140×103除尘效率/% 99.3
阻力损失/Pa 294电场负压/Pa 3 500
电场有效断面积/m240电场有效长度/m 10.08
电场风速/m•s-10.98极间距/mm 400
电场有效收尘面积/m22 016电流/A 0.3
电场有效高度/m 6.25供电装置户内式
型号GGAJ02-0.3A/72kV电压/kV 72
2. 4　投资及经济合理性评估
尿素造粒塔静电除尘装置投资预算:①造粒塔顶电除尘装置总设计费10万元;②电除尘装置本体制造费60万元;③电除尘装置电源、仪表控制设备20万元;④安装施工及调试费10万元。
3　清洁生产方案效益分析
3. 1　经济效益
宜化1#, 2#造粒塔每年排放粉尘约2 468 t/a,增设电除尘装置后回收率为80% ~90%,尿素价格按1 100~1 500元/t计,每年可实现直接经济效益217~333万元。尿素造粒塔电除尘装置经济技术指标分析见表3。
3. 2　社会效益和环境效益
宜化1#, 2#尿素造粒塔粉尘排放浓度为1. 5~1. 9 g•m-3,直接危害和影响着作业区和生活区职工的身体健康,对生产设备带来一定的腐蚀和损害,对造粒塔周围大气环境造成严重污染。尿素造粒塔增设电除尘装置后,按除尘效率98%计,尿素粉尘排放量大为减少,最大排放浓度为38 mg/m3(<120 mg/m3),最大排放速率3. 78 kg/h(<85kg/h),可实现达标排放(《大气污染物综合排放标准》二级排放标准)。该项目的实施有利于减缓设备腐蚀与损害,有利于当地的大气环境保护。