技术天地

     Stamicarbon

0  前  言

    从实验室规模起步，Stamicarbon大颗粒尿素造粒工艺目前已实现了工业规模上的首次应用。在获得最初的成功之后，斯塔米卡邦公司继续在一个试验厂里进行半工业规模的研究探索。然后就是运用Stamicarbon的工艺改造白俄罗斯Grodno Azot厂原有的装置，在该厂成功投产后，加拿大的Agrium也决定在原有的造粒装置里采用Stamicarbon的工艺。这两条生产线于2003年 9月完成改造，重点为造粒机的改进。

    Stamicarbon大颗粒造粒工艺以流化床造粒技术为基础，也是液膜喷射技术首次应用于尿素的大颗粒造粒，该技术能保证成品具有极佳的性能。本文将重点介绍所使用的设备，特别是造粒机，并总结实践经验。

    流化床大颗粒造粒是整个工艺中最核心的部分。Stamicarbon的大颗粒造粒工艺以浓度为 98.5％的熔融尿素为原料，加入甲醛后将其送入造粒机。造粒机为流化床造粒机，以空气作为流化剂。熔融尿素经过喷嘴喷射，在喷嘴上方形成尿素液膜，二次空气将粒种吸入液膜中。液膜厚度约为50～150μm，尿素颗粒被一层层包裹，液体层温度很高。流化床的温度相对较高，下面的包裹层有一个再融化的过程，通过最终的结晶，每一层包裹最后都成为晶体的一部分。因而，尽管使用了膜式喷嘴，颗粒内部并没有形成“洋葱”式的多层结构。

    离开造粒机之后，产品经过粗筛，进入一个冷却器，温度降至70℃后，通过主振动筛的筛选，不符合规格要求的颗粒被重新回收至造粒机中，体积太大的颗粒被送入破碎机中进行破碎，被破碎的颗粒和细微颗粒一并被送回造粒机。破碎机通过粒种的供给，保证粒子的平衡状态。在造粒机中没有粉尘或粒种材料生成，但破碎机是产生粉尘的主要来源，因此，在选定破碎机时，应该优化选择，使其产生最少的粉尘。

    合格产品将被进一步冷却至可贮藏温度，这一步骤使用流化床冷却器是最适宜的，使用散料热交换器也同样可行。

    从造粒工段和流化床冷却器过来的流化空气都会有一些粉尘，这些空气夹带着粉尘一起进入洗涤器。洗涤器共2个，分别用于大颗粒造粒装置和2个冷却器。洗涤器有专门的设计可将粉尘从气流中除去。随后，洗涤过的空气被排放到大气。2个洗涤器中的洗涤溶液经一定程度浓缩后将被送往熔融尿素厂。    

2.1  总体结构

    造粒机类似一个长方形的箱子，内有三个造粒区和一个冷却区。三个造粒区之间由内档板隔开。造粒机前端有两个回收入口，一个连接振动筛，另一个连接破碎机。所有熔融尿素喷嘴都安装固定在流化板上。

    第一个造粒区下面的空气输入是独立的，而另外两个造粒区的空气输入则是连通的。所有的空气输入均配有加热器，以便将流化床的温度控制在105℃。   

    冷却区只占整个造粒机的一小部分，它配有一个单独的没有加热器的空气输入装置。造粒机输出的颗粒产品温度为90～95℃。造粒机出口装有一个粗筛，对造粒机内颗粒产品的高度进行控制。

    由于产品在造粒区已经完全结晶，不需要配备调节区，流化床以上的造粒机侧壁呈小角度倾斜，以降低空气流速。由于此工艺产生的粉尘少，所以侧壁倾斜度相对较小。

    流化床的床层高度可以在很大范围内进行调节，但喷射区限制在喷嘴以上几厘米内。在喷射区以上，产品由流化空气烘干。在Grodno厂，我们的床层高600mm，但床层高达1500mm也是可能的，只是对能耗不利。

2.2  喷嘴

    大颗粒造粒工艺的核心部分就是喷嘴。我们的喷嘴在实验工厂中开发成功，并且取得专利。我们选择了膜式喷嘴原理以保证成品质量。膜式喷嘴原理有以下几个优点。

    (1)空气消耗低；喷射空气能耗低。

    (2)粉尘低。

    (3)成品呈很好的圆整度。

    (4)成品含水量低。

    (5)密度大。

    喷嘴在开始阶段会在喷嘴口上方形成一个零点几微米厚的液体膜，这层膜在喷嘴口上方几厘米处接触二次空气气流。二次空气从包围液体出口的一个环形管道高速喷出，空气的吸附作用将粒种从流化床吸起，迫使它们穿过液膜。这样，粒种不断被液膜包裹，并最终达到大颗粒成品规格。成品接近正球形，即使是过大的颗粒也是如此。球状外形使产品易于撤播，而且使颗粒粘结的趋势减少，这是因为颗粒问的接触面最小。

2.3  流化板

    流化板是为造粒机配给空气。为避免流动区域集中化，保持气流配给的规律性是非常重要的。流化板的另一个作用是将产品输送至造粒机出口。该过程一方面基于流化床原理，另一方面，在流化床底部喷嘴集中的地方，大小颗粒有互相分离的趋势，如若分离，将轻易扰乱喷射过程。所以，必须保证小颗粒不会附着在流化板底部，而是被输送到造粒机出口。流化板的独特设计能确保所有产品都能被顺利输送至出口。流化板的厚度是避免流化板在维修和操作过程中受损的关键。

2.4  喷头配置

    喷嘴由纵贯整个造粒机的喷头组成。这些喷头安装在流化板下面，熔融尿素喷头安装在空气喷头之内。这样便无需对熔融尿素喷头进行保温和作热，因为熔融尿素喷头可以由喷射空气进行保温。熔融尿素喷头通过一根细管与喷嘴的管口相连。

    熔融尿素喷头可与造粒机外部用于吹扫的蒸汽管线相连，也可与空气喷头的气源相连。后者的目的是使喷嘴管口在没有熔融尿素时也能保持通状态。熔融尿素喷头与蒸汽系统或喷射气流系统的连接是由三通阀控制的。

    振动筛决定成品颗粒的大小。大多数情况下，客户要求φ2.0～4.0mm之间的产品要达到某一百分比，同时允许一部分超出此范围的规格外产品。过大颗粒在经过破碎之后，其数量可以满足种粒供应的要求。

    振动筛的上层用于筛出过大颗粒，这些颗粒被直接送往破碎机。如直径为4mm的颗粒在第—个刚被筛除。筛目的大小视最终成品的规格而定。筛选剩下的产品将继续通过下一个筛，以筛除过细颗粒。合格产品将直接被送入储藏库。另一方面，振动筛也与破碎机相连接，以便在种粒不足的情况下，可将一部分合格产品直接运往破碎机进行破碎。

    除了产品规格外，产品的均一度有时也作为第二参数，并且日益突现其重要性。产品均一度的定义有多个，客户必须选择采用其中的哪—个。如果客户要求采用高均一度的标准，两层筛眼之间的差别就要小，循环率就会很高。

    回收率指返回到造粒机的产品与产量的百分比，回收率可以优化为最低值以避免高能耗，按普遍接受的产品规格计算，回收率为40％。

    我们在固体物流的不同地点安装流量计，以便操作工掌握确保工厂正常运行的信息。   

    过大颗粒以及在某些情况下一部分合格产品都要被破碎作为种粒，破碎机在Stamicarbon的大颗粒造粒过程中起着非常重要的作用。在造粒机中，种粒被一层层包裹，种粒就是由破碎机提供的。我们选择安装2台并行的破碎机以便防止合成尿素车间被迫停工等情况，若其中1台需要进行维修，另外1台也能供应种粒。在大多数情况下，出于对生产能力的考虑，最好安装2台破碎机。

    我们采用转鼓破碎机，所有相关的初步试验都已完成。我们与破碎机生产商一起，用Agrium的过大颗粒对破碎机进行一些测试，以便对破碎机转鼓的设计作出更好的选择。为最优化破碎机性能，对破碎机设计特点的改进工作仍在进行中。

    破碎机性能的一个重要方面是如何使破碎过程中粉尘的产生减少至最低程度。这些粉尘从破碎机鼓出，进入造粒机，成为造粒机粉尘堆积的主要原因。这些粉尘颗粒相对来说是比较大的，但在高速流化空气的作用下，这些粉尘还是会被吹至造粒机中。破碎后产生的粉尘大小直径约为φ1.2mm，进入造粒机的颗粒约为1.7mm。破碎机的间隙可根据成品规格的要求而进行调整，并可以优化，使回收率降至最低。为减少粉尘，生产商建议使用刻纹型破碎机。

    在Gtorino厂的应用

5.1.1  机械装置布置

    Grodno厂的布置并不是一种标准模式，但我们的主要目的是通过实验检验造粒机本身的工艺成效，从而证明膜喷射原理的独特性能。另一方面，该厂也让我们有机会从其他主要设备，如振动筛和破碎机等设备中获取经验。

5.1.2  工艺参数

    Grodno工艺参数由我们自己的热力学模型进行计算。工厂投产后，我们对模型的成效进行核算，并且做出一些细致的调整以保证其计算结果的准确性，这主要是针对流化工艺中的空气消耗和造粒机中冷却区的成效。

    出于机械和储运上的原因，该厂没有机会长周期运行，最长的运行周期为24天。实际上，即使一个周期过后，也无需对工厂进行停产清洗。在造粒机顶部有一些粉尘生成，但结构比较疏松，容易脱落。测试的重点在于低甲醛含量产品的生产。不幸的是，熔融尿素中的氨浓度高 (0.20％)，氨反应迅速，从而掩盖了甲醛的作用。这虽并不妨碍工厂的运转，但低甲醛含量的成品破碎强度不是很高。

    在几天时间内，我们进行了一个试验，即在不使用甲醛的情况下运行。我们用一种叫 UBESOFT的涂层材料代替甲醛，取得不错的效果。在这一系列试验过程中，我们对粉尘进行了测试，以下所有参数对粉尘的产生均有所影响，见表1。

    总的来说，造粒机中产生的粉尘低于生产能力的1％。试验的另一个重点是工艺过程中粉尘的大小，这些颗粒的大小范围由1台Andersen冲击器进行测试。此项工作由专门从事这类测试研究的DSM服务部负责。超过96％的粉尘>10μm，属于超大颗粒粉尘，表明在造粒机中几乎没有粉尘形成。这种超大颗粒粉尘主要在破碎机中产生，并且很容易清洗掉。粉尘测试结果见表 2，亦可作为洗涤器的选用规格。

5.1.3  储藏设施

    Grodno厂没有真正用于存放最终产品的储藏库。实际上，储藏库对保证产品质量非常重要，尤其对于Grodno当地的气候条件来说，冬天当地气温可能下降到－30℃，在这种条件下产品几乎是直接运入火车车厢。在密封的冷车厢内存放温度相对较高的尿素，会引起冰冷表面的湿气冷凝，从而导致产品粘结。冬天，Grodno厂便会发生这种情况。由此看来，最终产品冷却器和对产品进行散料储存对产品质量是至关重要的。

5.2  在Agrium厂的应用

5.2.1  机械装置布置

    该厂的布置符合总体设计潮流，主要在于造粒机的机械设计。

    (1)流化板过薄，容易造成沿开孔方向的断裂。

    (2)流化板折叠靠墙，并按垂直方向进行焊接。8周以后，折叠线上出现开裂。为此，对安装方案进行了调整。

    (3)运转初期，一个喷头和环状空气喷口相脱离，现在喷嘴的安装已得到改进，我们研制了一种相应的特殊工具。

5.2.2工艺参数

    总体说来，工艺参数符合实际情况。为避免结团的产生，我们优化了喷射气流。该厂不仅达到，甚至大大超出了预期指标。其工艺在以下几点中操作弹性很大。

    (1)每个喷头的熔融尿素剂量可在相当大的范围内进行调节，对成品的质量不会有很大的影响。产量越大，熔融尿素喷头里的压力越大，熔融尿素喷头中的压力为0.18～0.36MPa。

    (2)二次空气量地位十分重要。在开始几天，粗筛中存在一些过粗颗粒，二次空气气流经优化后，就再没有出现过粗颗粒。

    (3)在Delft大学试验室进行的试验表明，加强喷射空气流可使更多颗粒流向尿素液膜。如果颗粒流量太低，熔融尿素就不能完全被消耗，甚至在某些点上，液膜可能会形成一些气球，且并无种粒通过。

    (4)根据操作上的观点，熔融尿京的浓度可以在97.0％～99.0％之间。熔融尿素浓度的改变不会对工厂的运作造成很大影响，但是，它会影响成品的质量，最佳浓度范围应为98.5±0.3％，在这个范围内生产的产品质量良好。如果熔融尿素浓度降低，产品破碎强度就会下降，粉尘量和结块就会增加。

    (5)床的温度也有一个很大的可变范围。在投产的开始几天，我们就遇到一些关于造粒床温度控制的问题。冷却器中的温度变化会大大影响第一床的温度。

    不良状态下，第一床的温度在90～112℃之间变化，但没有影响产品质量。

6.1  循环比

    循环比取决于多个因素，其中最主要的是造粒机出口的颗粒大小分布。在Grodno和Agrium厂我们对颗粒粒径分布进行了测定。

6.1.1  造粒机出口

    造粒机的效率等于造粒机出口处符合顾客要求的产品的质量百分比。造粒机效率约为 70％，这一结果令人满意，其相应循环比约为40％，而实际循环比更高一些。

6.1.2  振动筛出口

    在Agrium厂，客户要求产品有更高的均一度，这町以通过缩小振动筛两层筛眼之间的整距来实现，产品均一度的提高，相应的回收率也将提高。

6.2  预期的清洁周期

    到目前为止，我们的经验表明，没有必要经常进行造粒机的清洁工作。在对Grodno厂进行检查时我们发现，在造粒机顶部有为数不多的结构疏松的粉尘堆积，如同结构松散的固体物质，只需轻轻一碰就会脱落。预计这些材料会轻易被流化床吸收而不会影响机器运作。Agrium厂的实践也证实了这一点。经过些机械维修之后，Agrium厂于2003年12月重新投入生产，其南生产线在 100天后停产接受检查，根据检查结果决定，北生产线不需要停车。

    根据这一经验，在正常操作条件下，机器连续运行可超过3个月。即使工厂每天连续运作，也无需太担心粉尘污垢问题。这两点表明，造粒机中粉尘量很低。   

6.3  排放

    排放物主要有两个重要参数：粉尘排放、氨排放。

6.3.1  粉尘排放

    粉尘主要来自造粒机。在该工艺中，冷却器几乎不产生粉尘，因为冷却器中产生的粉尘都由流化空气鼓出。造粒机中粉尘的主要来源由循环产生，其中包含被破碎过的产品。但造粒机顶端和冷却器排放的粉尘量很低，见表1。

    在Grodno厂，我们在各种操作条件下进行了广泛测量。造粒机中的粉尘生成最小于生产能力的1％，我们在Agdum厂也进行了相同的测量，结果显示，Agrium厂的粉尘生成量约为总生产能力的1％。在这两次测量中发现，粉尘中几乎不含超傲细粒。

    粉尘的品质对洗涤系统后的最终排放有很大影响，特别是细微的微米级颗粒是很难从气流中除去的，最终排放取决于洗涤系统的质量。实际上，粉尘的排放量是很低的，因为洗涤系统要清除少量的粗粒还是相对比较容易的。

6.3.2  氨排放

    氨来源于熔融尿素厂生产的熔融尿素溶液。在造粒机中，大多数氨转化成流化空气，只有少量存留于成品中。

    在洗涤系统中，流化空气要过水洗涤，但是在通常条件下，洗涤装置中的氨不会被洗涤溶液吸收，而是离开洗涤器并被排放到外界，但排放气体中的氨浓度不会超过容许限度。

6.4  预期的公用工程消耗

    (1)电耗。主要取决于风扇和喷射空气鼓风机的效率，所有风扇包括鼓风机的能耗为35～ 40kW·h/t。

    (2)蒸汽。蒸汽用于所有气流的加热。在正常条件下，中压蒸汽消耗大约为9kg/t。低压蒸汽在夏天只用于伴热，所以消耗量很小。冬天，低压蒸汽还会用于加热流化气体，消耗量增加。 

    (3)甲醛。实践表明，最终产品的储运性极佳，虽然甲醛含量仅为0.20％，与现有的工艺水平相比较，这么低的甲醛消耗是一笔不小的节约。我们有可能使用少量的甲醛，就可以生产出破碎强度高、不易结块的产品。结果显示，颗粒的含水量低，有利于降低产品的粘结度。颗粒的吸水性取决于熔融尿素本身的物理性质，与生产工艺无关。现在，我们正在研究进一步减少甲醛含量的可能性。

    (1)Stamicarbon成为历史上第一个拥有以氨和二氧化碳原料生产出优质大颗粒尿素的整条生产线技术的专利商。

    (2)采用Stamicarbon大颗粒造粒工艺，可以大量节省甲醛的使用量，与现有的其他工艺水平相比，可节省50％。

    (3)工艺中形成的粉尘及相应的湿基循环比约为生产能力的1％。

    (4)Agrium厂曾连续运行3个多月而无需清洗造粒机。