斯塔米卡邦大颗粒尿素流化床造粒装置的设计与应用

斯塔米卡邦大颗粒尿素流化床造粒装置的设计与应用

固液体流态化是一种将液体和固体颗粒接触到整个系统的技术。流化床技术于1922年被Winkler首次用于煤气化工业后便逐步应用到不同的领域,至今已广泛用于加热、混合、浸取、干燥、造粒、吸收、气流输送等工艺过程。大颗粒尿素造粒装置便是流化床技术成功运用的实例之一。到目前为止,世界上生产大颗粒尿素的工艺主要有伍德公司流化床造粒工艺、斯塔米卡邦流化床造粒工艺、日本东洋工程公司流化床造粒工艺、荷兰GGT流化床造粒工艺。斯塔米卡邦大颗粒尿素流化床造粒工艺在国外工厂中有多个成功应用的实例,而对于中国成达工程公司而言,却是首次将其在EPC项目———孟加拉沙加拉化肥项目520kt/a尿素装置中运用,获得了成功。以下就该工艺的技术特点及应用情况进行介绍。1流轴理论的基础当流体自下而上通过固体颗粒床层,因流速不同可能会有以下几种不同的情况。1.1固定床阶段当流体流速较低时,流体只是穿过静止颗粒物之间的空隙而流动,颗粒间不发生相对运动,床层高度h1.2边界流量转化阶段若增大流体流速至一定值,此时床层的压降大致等于单位面积床层上的重力,部分固体颗粒位置稍有调整,床层略膨胀,床层高度为h1.3床层的流场继续增大流体流速,固体颗粒将悬于流体中,床层开始膨胀、增高,空隙率也随之增大,但床层的压降Δp保持不变,约等于单位床层面积上的重力,此时的床层具有类似于流体的性质,故称为流化床(如图1所示B区域)。1.4造粒装置的设计特点当流体流速继续增大,固体颗粒被向上的流体带走,流化床上界面消失,颗粒开始带出的速度称为带出速度v大颗粒尿素流化床造粒技术就是根据上述第3种流化特点而设计的工业化装置,流化床造粒装置具有以下几个特点:①类似液体特性,无固定形状,有一定的上界面,能像流体一样连续流动(利用这一特性可在流化床中实现固体的连续加料、卸料);②床层任意两截面间的压强变化大致等于两截面间单位床层面积上的重力;③恒定的压降,流化床内的颗粒处于悬浮状态(浮力=重力),Δp×A=W(式中:Δp———床层的压降,N/m2熔融造粒装置大颗粒流化床造粒工艺是整个尿素造粒装置中的核心部分。在斯塔米卡邦流化床造粒装置中,熔融尿素在流化状态下通过“膜喷涂”形式喷射到到晶种上生成颗粒尿素。此过程主要包括以下几点:①尿素以融熔状态通过喷嘴雾化;②尿素粒子分层增大,即连续凝固的很薄的一层熔融尿液涂到晶核上生长;③UF85[尿素25%(质量分率,下同),甲醛60%,水15%]作为一种特殊添加剂,在进入造粒机之前添加到尿液中,防止粒子粘连并降低粉尘。斯塔米卡邦大颗粒尿素造粒工艺以浓度为98.5%的熔融尿液为原料,加入UF85后将其送入流化床造粒机,以空气作为流化剂,流化空气的主要作用是使造粒机内的固体尿素粒子呈流态化并带走融熔尿液的热量(包括结晶热及部分显热),同时为晶核长大提供有利的空间。为喷涂得到大量的固体颗粒同时又没有结块,必须保持粒子之间的有效分离,流化空气便是方便、有效的载体,流态化则是避免从喷嘴喷出的尿液在晶种上结晶、固化并降低到一定温度之前相互粘连的唯一方法。在造粒机内,每个颗粒多次覆盖一层很薄的熔融尿素,粒子均匀、渐进式地长大最终形成外形基本一致的尿素颗粒。添加UF85后的熔融尿液,利用自身的压力通过经特殊设计的喷嘴喷射,在喷嘴上方形成尿素液膜,雾化空气将晶种吸入液膜中,液膜厚度在50~150μm,喷涂在晶种上的液膜结晶过程中还要放出热量,因熔融尿液温度相对较高,因此喷涂的过程中下面的包裹层有一个再融化的过程,通过结晶,每一层包裹最后都成为晶体的一部分;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;融熔尿液在晶种上喷涂、结晶的过程也是尿液中水分蒸发的过程。离开造粒机之后,产品经过粗筛、成品筛的筛选,不符合规格要求的小颗粒重新返回至造粒机中,超过规定尺寸的颗粒则被送入破碎机中破碎,与未达到规定尺寸的粒子一并被送回造粒机重新造粒。破碎机在晶种循环造粒过程中起到调节作用,保证粒子的动态平衡。合格产品将被进一步冷却至可贮藏温度后送到储运包装系统。从造粒机出来的空气都会夹带一些粉尘,一起进入洗涤器,洗涤过的空气被排放到大气中;洗涤器中的洗涤溶液经一定程度浓缩后被送往熔融尿素厂。斯塔米卡邦大颗粒尿素造粒工艺因特殊的喷嘴结构和较高的融熔尿液浓度,造粒过程中产生的粉尘量很少,从而减少了循环稀尿液的量。3下实际的热压设备造粒机是实现流化床造粒的重要设备,它是一个包含了3个造粒室和1个冷却室的矩形箱体,据不同的功能分为上箱体和下箱体。下箱体主要用于尿液管、雾化空气管的布置及流化空气的分布,每个分区相对独立;上箱体又分为造粒区和冷却区,每个分区用竖直的隔板分隔开,但造粒区和冷却区的上部空间则是一体的。造粒机的前端有2个晶种入口,用于接收来自破碎机和成品筛的晶种;造粒机的后端则是物料的出口。斯塔米卡邦造粒机的流化板、喷嘴及喷嘴的布置有其独有的特点,具体如下。3.1通过空气流量分布防止偏流上箱体和下箱体的分隔采用多孔流化板,熔融尿素喷嘴都安装在流化板上。造粒机的下箱体和上箱体相对应地也分为4个不同的腔室,空气流量有规律地分布,对防止偏流有十分重要的作用;流化板将空气分布到造粒机上箱体,并支撑颗粒在流化层停留时的重量,流化板水平安装,上面有穿透性的孔眼,形成一个向前突出的边缘,给颗粒轻微的纵向推力,这种穿孔结构有利于促进造粒机排空并将结块或块状物料输送到造粒机出口。3.2大颗粒成品的制备大颗粒尿素造粒工艺的核心部分是喷嘴。斯塔米卡邦膜式喷嘴有如下优点:①空气消耗低;②雾化空气能量消耗少;③粉尘产生量小;④产品有良好的圆整度;⑤成品含水量低。在开始喷射阶段,会在喷嘴口上方形成一个很薄的液膜,这层膜在喷嘴口上方几厘米处接触雾化空气气流;雾化空气从包围液体出口的一个环形管道高速喷出,空气的吸附作用将晶种从流化床吸起,迫使它们穿过液膜,晶种不断被液膜包裹,最终达到大颗粒成品所要求的规格。成品接近球形,即使是较大的颗粒也是如此,因此产品具有较好的分散相,粒子之间的接触表面最小,产品结块的可能性降低。3.3融熔历史网口与融熔高校管口连接口喷嘴是沿造粒机一组一组地安装在母管上的,这些母管位于流化板下面,融熔尿液母管套在雾化空气母管内,这样设计的目的是雾化空气可以为融熔尿液母管提供保温,从而省去融熔尿液管的伴热管线,因为出雾化空气加热器的雾化空气温度达到140℃。通过一个支管融熔尿液母管和喷嘴相连接。熔融尿素喷嘴可与造粒机外部用于吹扫的蒸汽管线相连,也可与雾化空气相连,这样设计的目的是使喷嘴管口在没有熔融尿素时能保持雾化空气处于常通状态,避免喷嘴堵塞。熔融尿素喷嘴与吹扫蒸汽系统或雾化空气系统的连接是由三通阀控制的。4系统集成设计在生产中的应用,得到了显著孟加拉沙加拉化肥项目520kt/a尿素装置最终产品为大颗粒尿素。装置采用斯塔米卡邦的池式反应器工艺技术,池式反应器的应用使高压圈设备得以简化并降低了整个框架的高度,从而降低了投资并简化了操作;最终产品的生产采用斯塔米卡邦的大颗粒尿素造粒工艺,同一专利商的工艺技术使得整个系统得以优化,工艺技术的整体优势得以更充分体现,同时也减少了不同专利商之间工艺条件的交接。项目历时3a建成,2015年9月一次性投运成功并产出合格尿素产品。在2015年11月24—26日进行的72h的性能考核中,装置运行平稳,达产达标。产品氮含量、缩二脲含量、甲醛含