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塔式尿素造粒技術分析與探討

文檔作者：李作為等文檔來源：北京航天動力研究所		點擊數：	更新時間： 2025年05月17日
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［收稿日期］２０１６-１１-２３［作者簡介］劉孝弟（１９５８—），男，陜西富平人，博士，研究員，中國氮肥工業協會技術委員會委員、中國石油勘察設計協會設計委員會委員，長期從事尿素造粒技術的研究。塔式尿素造粒技術分析與探討劉孝弟，顧學穎，李作為（北京航天動力研究所，北京 １０００７６）［摘 要］簡述塔式尿素造粒系統常用造粒噴頭的工作原理和設計理念，并對造粒噴頭的設計計算方法進行了分析與探討，介紹各種造粒噴頭的應用情況并進行了比較，以期為業內人士提供一些設計思路和運行參考。［關鍵詞］塔式尿素造粒技術；造粒噴頭；工作原理；設計計算方法；應用情況［中圖分類號］ＴＱ４４１.４１ ［文獻標志碼］Ｂ ［文章編號］１００４－９９３２（２０１７）０２－００３５－０４尿素作為一種高效氮肥，是我國糧食穩產高產的重要保證條件之一，在農業生產中起著舉足輕重的作用。目前市場上 ９０％左右的尿素產品（中、小顆粒）是通過造粒塔生產的，其余的則是利用流化床、轉鼓等造粒設備生產的大顆粒產品。以下對塔式尿素造粒技術的演變、目前普遍使用的尿素造粒噴頭的設計計算方法和市場應用情況等進行分析與探討，以期為廣大技術人員和生產管理人員提供一些參考。１ 塔式尿素造粒噴頭的種類塔式尿素造粒噴頭曾經使用過固定式噴頭，其工作原理類似于淋浴用的噴頭，噴頭生產能力的調節主要取決于噴頭前安裝的儲液槽內液位的高度。由于此種噴頭的噴灑區域僅靠噴頭直徑的大小來決定，因此，一般在造粒塔內需布置多個噴頭才能滿足生產的需要。旋轉式造粒噴頭是目前塔式尿素造粒唯一選用的設備，利用安裝在造粒塔頂部中心位置的單個噴頭的旋轉進行熔融尿液的噴灑和造粒，噴頭的結構與尺寸主要受造粒塔直徑的影響，噴頭上開孔的直徑、孔數及噴頭的轉速決定了噴頭的造粒能力和產品顆粒的大小。迄今單個噴頭的生產能力最大可以達到 １５０～２００ｔ／ｈ。１.１ 按造粒機理分類１.１.１ 帶壓式噴頭帶壓式噴頭的工作原理是將熔融泵送來的尿液直接入噴頭造粒，其生產能力和噴灑區域除受制于噴頭本身的設計和噴頭旋轉速度外，還取決于熔融泵的揚程，極限情況是，如果熔融泵的揚程足夠大的話，噴頭可以不旋轉就直接保證噴頭的生產能力 （相當于固定式噴頭）。帶壓式噴頭的優點是，即使噴頭的噴孔發生一定比例的堵塞，在不考慮顆粒質量的前提下，噴頭照樣可以安全運行，有較長的運行周期 （比如 １個月以上）而不用頻繁進行清洗。但是，由于噴頭為帶壓運行，其缺點是：①熔融泵及系統的任何波動都會對噴頭的生產能力及噴灑區域造成影響，對于塔徑較小而造粒能力較大的裝置，就會出現尿素粒子粘壁現象 （如陜西某廠 １１００ｔ／ｄ尿素裝置 １６ｍ內徑造粒塔，就是此種原因造成了較大的困擾）；② 由于尿液直接進入造粒噴頭造粒，當尿液中游離氨超標或水分 （溫度在尿素熔點以上，基本上以水蒸氣的形態存在）超標，噴頭噴出的尿液中的游離氨或水蒸氣就會從溶液中快速溢出，造成尿素液滴迸裂而產生額外的粉塵。目前帶壓式噴頭僅在國內有使用，國外已經徹底廢棄。１.１.２ 常壓式噴頭常壓式噴頭是將熔融泵送來的尿液泄壓后再送入造粒噴頭，目前國外設計和廣泛使用的噴頭，無論是錐形直孔噴頭還是柱形斜孔噴頭，均為不帶壓的方式。這有兩方面的好處：因為噴頭的造粒能力、尿素顆粒的大小及噴灑區域完全取決于噴頭的結構設計和旋轉速度，而尿液泄壓后再送入造粒噴頭則徹底排除了熔融泵的殘余壓力第 ２期２０１７年 ３月中 氮 肥Ｍ-ＳｉｚｅｄＮｉｔｒｏｇｅｎｏｕｓＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒＰｒｏｇｒｅｓｓＮｏ.２Ｍａｒ．２０１７萬方數據及系統的所有干擾，可以使尿素粒子粘壁問題得到有效控制；更為重要的是，尿液泄壓后再送入造粒噴頭可以使尿液中的游離氨及殘余水蒸氣在造粒前及時排出，從而避免尿素液滴迸裂問題。常壓式噴頭由于自身的設計要求，也存在一些缺點：由于噴頭為不帶壓運行，當噴頭噴孔出現一定比例 （比如 １０％）的堵塞時，噴頭就需要及時清洗，不然就會影響其造粒質量和造粒能力，因此其清洗周期較帶壓式噴頭短，一般為１０～１５ｄ（江蘇某廠 ３００ｋｔ／ａ尿素裝置就是因為希望延長清洗周期而更換為帶壓式噴頭）。當然，未完全堵塞的噴孔造出的尿素顆粒會非常細小，這在顆粒質量要求越來越高的今天，噴頭及時清洗也是保證成品尿素質量的重要條件之一。１.２ 按噴頭結構分類１.２.１ 錐形直孔噴頭一般地，錐形直孔噴頭的全錐角在 ２０°～３０°，噴孔均為直孔形式，利用噴頭較大的全錐角可以適當地增大造粒塔內的噴灑面積，利于顆粒的冷卻。此種噴頭的材料一般使用不銹鋼（３０４或 ３１６Ｌ），壽命相對要長一些，一般為 ３～５ａ。目前國內設計的錐形直孔噴頭均為帶壓方式，國外設計的錐形直孔噴頭均為不帶壓方式。１.２.２ 柱形斜孔噴頭由于噴頭采用斜孔方式，噴頭的開孔需用數控銑床加工，加工難度要大一些，成本會相應高一些，不像直孔噴頭那樣用鉆床就可以加工；另外，由于采用斜孔方式，噴頭不能使用不銹鋼材料，一 般 使 用 鋁 合 金 材 料 （典 型 用 材 為６０６１Ｔ６），其使用壽命較不銹鋼要短一些，一般為 ２～３ａ。之所以柱形斜孔噴頭得到了廣泛使用，主要原因是，柱形斜孔噴頭造粒在塔內成品質量分布駝峰差不多僅為錐形直孔噴頭的 ５０％左右，即塔內的噴灑密度更均勻，水力試驗和實際使用效果均證明了這一點［１］，理論計算結果也具有基本相同的結論［２］，這一點對于顆粒的冷卻極為重要。錐形直孔噴頭與柱形斜孔噴頭造粒塔內橫向噴灑密度 （四川美豐綿陽分公司裝置實測數據）的比較見圖 １［注：圖中橫坐標刻度 “０”即為造粒塔中心 （中軸線）；縱坐標表示單位時間的噴灑量 （某個時間段的噴灑量），實測中在造粒塔直徑方向上布置多個小桶來接受成品，然后稱重，其耗用時間和成品總重量于此不重要，重要的是表征物料的分布狀況］。圖 １ ２種旋轉式噴頭橫向噴灑密度的比較對于噴頭噴筒上的開孔密度、開孔尺寸、開孔角度等問題，各種噴頭有不同的設計思路，實際使用效果也有所差異，這些因素主要影響造粒塔內顆粒的冷卻效果，以及產品粒徑和均勻度。２ 旋轉式尿素造粒噴頭的設計計算方法及討論塔式尿素造粒技術在國內的應用已有近 ６０ａ的歷史，一開始造粒噴頭的設計主要靠水力試驗的數據來確定，理論研究十分有限。可能出于技術保密的需要，關于造粒噴頭設計計算的報導極為稀少。《氮肥工藝設計手冊———尿素》［３］一書中，第五章之第四節比較詳細地介紹了 “旋轉造粒噴頭計算”的方法，此后，國內在這一方面的文獻報導幾乎停滯。在此筆者將該書中介紹的方法進行簡要闡述，并提出一些看法，以期起到拋磚引玉的作用。第一，在介紹造粒噴頭的基本工作原理時，為了確定噴頭的設計參數 （主要是為了計算噴頭內的壓力分布），人為地引入了尿液拋物面與噴頭假想頂點之間的距離 Δｈ這一特定參數 （圖２），并將其作為所有理論計算的基礎，且指出圖 ２ 旋轉噴頭示意圖［３］·３６· 中 氮 肥 第 ２期萬方數據一般可取 Δｈ＝１３０～２００ｍｍ。該規定沒有給出明確的出處，筆者也未找到有關的文獻報導及參考依據。第二，在實際計算過程中，直接選取 Δｈ＝２００ｍｍ進行計算，得出了關于噴頭運行參數的一系列計算結果和設計依據。第三，直接選取 Δｈ＝２００ｍｍ，利用假定的一個噴頭設計轉速，得到了尿液的旋轉自由液面形狀，再配套地給出一個噴頭的結構尺寸，噴頭錐體和尿液的旋轉液面構成一個尿液的存在區域（圖 ３中陰影部分），由此得出了噴頭內的壓力分布。這里存在一個值得討論的問題，那就是，如果噴頭的全錐角再大一點 （比如 α＞１０°），噴頭下部有些噴孔處就會沒有尿液，噴頭的工作能力就會出現偏差；再者，造粒噴頭在實際工作時，不斷地有尿液流入和尿液流出，其自由液面和圖 ３所給出的拋物面形態之間也會存在較大的差異，自然噴頭內的壓力分布也會有所不同。圖 ３ 旋轉液層拋物面母線及其在錐形噴頭內的狀態示例［３］第四，眾所周知，噴頭的外形尺寸和噴頭的造粒能力及適應的造粒塔內徑之間具有十分重要的關系，該計算方法認為，噴頭的造粒能力主要同噴頭的轉速有關 （表 １），之所以需要假設噴頭的轉速，目的就是為了得出噴頭內假想的（實際上存在形式有所不同）尿液拋物面及噴頭內的壓力分布，從而得出噴頭的有關設計參數。而工程實踐中，噴頭外形和開孔參數只要設計適當，不同的造粒能力完全可以對應同樣的噴頭轉速，這一點在實際生產中已經得到了證實。表 １ 噴頭轉速的選擇［３］生產能力／ｋｔ·ａ－１ ４０～１１０ ２４０ ４８０～５２０噴頭轉速／ｒ·ｍｉｎ－１ ３３０～３８０ ３００～３５０ ２５０～３３０實際上在設計造粒噴頭時，噴頭的外形首先要考慮造粒塔內徑 （噴灑需要）這一重要因素；其次需要考慮造粒能力，這一點在上述計算方法中沒有給予足夠的重視，因此該計算方法尚有改進的余地，這也許是國內其他單位設計的造粒噴頭必須采用帶壓運行方式的關鍵所在。噴頭采用帶壓運行，就可以利用熔融泵的殘余壓力及進入噴頭內的尿液管中液柱的高度來調節生產能力及噴灑區域，因而在一定范圍內可以彌補旋轉噴頭設計參數不太準確的問題。由于造粒噴頭內存在尿液流入和流出的狀況，因而造粒噴頭內尿液的自由形面和圖 ３所示的形態存在較大的差異。簡單地說，尿液首先流入造粒噴頭的底部，受噴頭旋轉的作用，尿液由于壓力的平衡在噴頭內有向上運動的動力，尿液在向上運動的同時，還存在下部噴孔的不斷流出，向上運動的尿液量必然是流入噴頭的總尿液量減去下部噴孔流出后的剩余部分，因此，噴頭下部永遠不可能存在如圖 ２和圖 ３所示的中空現象，尿液的自由界面將會是另一種全新的不斷平衡的準穩態形式。也就是說，Δｈ的假設本身存在一定的隨機性。當然，嚴格地進行尿液自由界面的計算是一個較為復雜的問題，利用有關流體力學的軟件解決起來也不容易。《氮肥工藝設計手冊———尿素》［３］一文介紹的計算方法作為一種前瞻性的探討，為準確的工程設計提供了非常有效的途徑。當然，隨著用戶數量的增多，造粒噴頭在實際裝置上運行后的實測數據，反過來可為該設計計算方法的改進不斷提供參考數據，噴頭的設計參數經過改進也會越來越接近實際要求，這也許就是上述噴頭仍然有比較穩定的市場占有率的重要原因。筆者在提出的常壓造粒噴頭最大工作能力 （極限負荷）設計理念的基礎上，對造粒噴頭的設計計算方法進行了研究，對旋轉式造粒噴頭提出了一套完整的理論設計計算方案，對于造粒噴頭內的壓力分布進行了較為準確的計算，據此設計的常壓式柱形斜孔造粒噴頭，以能夠滿足裝置最大造粒能力為前提，因而，在正常產量范圍里，保證了造粒噴頭穩定工作的要求，并得到了廣泛的應用［２］。３ 塔式尿素造粒噴頭應用情況簡介國內尿素生產廠家眾多，基本上在使用以下第 ２期 劉孝弟等：塔式尿素造粒技術分析與探討 ·３７·萬方數據幾種造粒噴頭：① 帶壓式錐形直孔噴頭，國產，主要應用在早期建設的中小型尿素裝置上；②常壓式錐形直孔噴頭，進口，僅有內蒙博大、內蒙鄂化、新疆天運、陜西陜化等幾家在使用；③常壓式柱形斜孔噴頭，國產，主要應用在新建大型尿素裝置上；④ 常壓式柱形斜孔噴頭，進口，主要應用在早期引進的大型尿素裝置上。由于柱形斜孔噴頭的設計理念中重點考慮了造粒塔內的噴灑區域，因而基本上應用在內徑大于 １２ｍ的造粒塔中，內徑在 １２ｍ以下的造粒塔中不太適用。常壓式柱形斜孔噴頭，進口和國產 ２種噴頭并存，使用的材料也均為 ６０６１Ｔ６，為一種高強度耐腐蝕鋁合金。比較而言，國產噴頭在設計理念和結構及制造上存在一些優越之處，具體表現在：國產造粒噴頭的開孔設計中采用了全不等孔徑、不等孔角度、不等開孔密度的設計概念，順應了造粒塔內尿液柱的成粒過程及顆粒運動軌跡，保證了造粒塔內的噴灑密度和冷卻效果，同時提高了顆粒的均勻程度［４～５］；結構設計上，采用自動焊接技術進行噴筒的雙面焊接 （進口產品為單面焊接），達到了較高的焊接強度 （北京航天動力研究所對于多個廠家的進口噴頭的裂縫進行過維修焊接），并避免了不必要的噴筒變形，保證了造粒過程中噴頭的動平衡效果；使用效果方面，已有四川天華、重慶建峰、內蒙天野、廣西河池、陜西陜化、內蒙億鼎等很多廠家的實例佐證，國產柱形斜孔造粒噴頭的使用效果優于同類進口噴頭，使用過國產柱形斜孔造粒噴頭的廠家已經完全放棄了同類進口噴頭的使用。以重慶建峰化工股份有限公司的尿素裝置為例，其國產柱形斜孔造粒噴頭的典型運行數據見圖 ４［４］。圖 ４ 重慶建峰成品尿素顆粒的分布情況４ 結束語由于產能過剩和國家對化肥行業一系列優惠政策的逐步取消或調整，尿素市場近年來一直處于比較低迷的狀態，尿素廠家效益狀況普遍不容樂觀，因而在裝置建設和設備改造時選擇合適的造粒噴頭對于企業來說非常重要。對于帶壓式錐形直孔噴頭，由于國產噴頭具有價格低廉及上文所述優點，考慮到生產成本等因素，其比較容易得到尿素生產廠家的接受。對于常壓式柱形斜孔噴頭，目前進口噴頭的價格基本上是同類國產噴頭的 ６～８倍 （一般為 ３５萬 ～４５萬元 ／臺，有時考慮到首次使用時的所謂專利費用，價格可能更高），且進口和國產 ２種造粒噴頭材料使用的都是 ６０６１Ｔ６（原產地為德國），使用壽命基本處于同一水平，而國產噴頭使用效果明顯存在優勢，但由于早期引進的大化肥裝置一開始比起小尿素裝置在技術和生產成本上存在優勢，多數廠家一直使用著進口噴頭，使用習慣和崇尚進口產品等原因決定了進口噴頭仍具有一定的市場，要讓這些生產企業改變傳統的使用觀念，用國產造粒噴頭取代同類進口產品，可能仍然有較長的路要走。常壓式造粒噴頭替代帶壓式造粒噴頭，只要在噴頭的結構設計上進行必要的改進，可以很容易地實現；而帶壓式造粒噴頭替代常壓式造粒噴頭，則需要更換整個造粒系統，需要的費用基本上相當于重新提供 １套造粒裝置的費用。因此，在裝置建設和設備改造時這些都需要生產管理者予以充分考慮。［參考文獻］［１］袁 一．化肥工學叢書———尿素 ［Ｍ］．北京：化學工業出版社，１９９７：２２８－２３６．［２］劉孝弟，顧學穎．旋轉式尿素造粒噴頭的設計理論研究及工程應用 ［Ｊ］．化肥工業，２０１４，４１（２）：１８－２４．［３］中 國 寰 球 化 學 工 程 公 司．氮 肥 工 藝 設 計 手 冊———尿 素［Ｍ］．北京：化學工業出版社，１９８８：３６２－３７２．［４］劉孝弟，褚曉斌，蔣 剛．尿素造粒的機理研究 ［Ｊ］．化肥工業，２０１５，４２（３）：２１－２５．［５］劉孝弟，朱余樂，呂俊復，等．塔式尿素造粒粒徑分析［Ｊ］．清華大學學報 （自然科學版），２０１６，５６（６）：５９２－５９７．·３８· 中 氮 肥 第 ２

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