塔式尿素造粒技术的研究论述

高塔造粒生产硝基复合肥的工艺研究

高塔造粒工艺生产复合肥是我国近10年发展起来的工艺。其产

品具有外观颗粒均匀、光润圆滑、均带小孔，养分稳定，水分低等特

点，深受农民欢迎，至今国内已建成装置的产量超过1000万t。高塔

工艺生产的主要是尿基复合肥。

硝基复合肥是指以硝铵磷或者硝酸铵作为氮源生产的复合肥，而

区别于使用尿素、氯化铵、硫酸铵等生产的传统复合肥。硝基复合肥

可以直接被作物充分吸收，具有速溶速效的特点，尤其适用于国内雨

水较少、气温较低的北方旱地碱性土壤。硝态氮肥可以促进作物快速

生长，特别适合于蔬菜、果树、烟草等经济作物。硝基复合肥在国际

上特别是在欧美国家得到广泛应用，据统计，俄罗斯、波兰、法国、

巴西、美国硝酸铵占氮肥总产量的比例分别为39.7％、30.9％、

27.5％、16.1％和12.6％，而我国加上进口不足5％。正是由于含硝

态氮肥料的优点，很多厂家看准市场需求，大力发展硝基复合肥。许

多厂家都尝试利用原有高塔设备生产硝基复合肥，但都存在一定问

题。

1 高塔造粒生产硝基复合肥存在的主要问题

1）无法连续生产。熔融后的硝酸铵在加入粉状物料后出现料浆

变黏稠，流动陛太差，频繁堵塞喷头和管道。

2）存在安全隐患。混合槽内硝铵容易剧烈分解，进而有发生火

灾的危险。

3）产量下降。熔融设备生产尿基产品时能力可满足，但生产硝

基产品时达不到生产尿基的产能。 2 高塔造粒生产硝基复合肥存在问题的原因分析

国内高塔硝基复合肥生产企业多以硝铵（硝酸磷肥、硝磷铵）为

生产原料，加入磷铵、氯化钾（硫酸钾）和其他添加剂进行生产，不

同于国外的以磷矿和硝酸为原料进行生产。但两种生产方法的原理相

同。下面以荷兰和俄罗斯的生产工艺为对照，分析国内高塔造粒生产

硝基复合肥存在的问题。

2.1 荷兰和俄罗斯高塔造粒生产硝基复合肥的特点

1）荷兰斯塔米卡本法硝酸磷酸铵钾生产流程。荷兰斯塔米卡本

公司（Stami Carbon）造粒塔喷淋造粒生产硝酸磷酸铵钾的工艺流程

尿素造粒塔氨治理措施

尿素造粒塔氨治理措施是指针对尿素生产过程中产生的氨气进行治理的措施。以下是常见的尿素造粒塔氨治理措施：

1. 制定严格的操作规程：制定尿素造粒塔操作规程，明确操作人员的责任和操作要求，确保操作的稳定性和安全性。

2. 安装氨气检测装置：在尿素造粒塔附近安装氨气检测装置，及时监测氨气浓度，一旦超过安全限值，及时采取相应的措施。

3. 提高设备密封性：加强尿素造粒塔的密封性设计，减少氨气的泄漏，防止环境污染和人员健康问题。

4. 配备有效的氨气处理设备：安装氨气处理设备，如氨气洗涤装置、吸收装置等，用于处理和降低氨气排放浓度。

5. 建立排放标准和监测控制系统：建立适用于尿素造粒塔氨气排放的排放标准，并安装监测控制系统进行实时监测和控制，确保氨气排放符合国家和地方的环境保护要求。

6. 加强培训和应急预案：对操作人员进行培训，提高其安全意识和应急处理能力，制定应急预案，明确紧急情况下的处理措施，确保人员和设备安全。

需要注意的是，针对不同尿素造粒塔的实际情况，具体的氨治理措施可能会有所不同，因此在制定治理措施时应根据具体情况进行分析和选择。

尿素造粒塔的建筑设计

中国成达工程有限公司 江端玉

[提要] 纵观各地尿素造粒塔的建筑设计，了解工艺特征，总结成熟的设计经验，根据以往尿素造粒塔设计中存在的问题采用了以往不同的设计思路，使尿素造粒塔在符合现有规范情况下，能够满足工艺、管道、电气、防火、疏散等等特殊要求。

[关键词] 地域特点 设计思路 防腐蚀 安全疏散

一. 概述

我国在二十世纪70年代后期，大量引进化肥装置。我公司在80年代初根据外商提供的基础设计资料（工艺包），先后设计了四川化工厂56万吨尿素装置、云南天燃气化工厂56万吨尿素装置、四川天燃气化工厂56万吨尿素装置以及辽宁锦西化工厂大化肥装置。独立设计海南大化肥、大庆大化肥以及近几年来的美丰30万吨尿素、建峰45万吨尿素、塔里木45万吨尿素等设计。纵观各地造粒塔的运行情况，了解造粒塔的工艺特征，总结成熟的设计经验。下面就建筑专业在造粒塔设计中的一些要点和青海造粒塔设计中的与其它造粒塔相同和不同之处做一个阐述。

青海100万吨钾肥位于青海省格尔木市察尔汗盐湖，地处格市东北方向约60公里处。场地较为平坦，地面相对标高介于2680.05m~2681.00m。地貌单元属昆仑山前洪湖积平原。根据《地震抗震设计规范》（GB50011-2001），格尔木抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，设计特征周期为0.55s。场地处于柴达木盆地新生代达布逊拗陷中东部的察尔汗湖区，据区域地质资料及邻近场地勘察资料，场地及其附近没有全新世活动断裂展布。此外，本场地第四系覆盖层厚度大于90米，不存在发震断裂错动对地面建筑物的影响。地下水测得稳定水位埋深为0.80m~1.00m：相对标高介于2679.25m~2680.0m之间。是赋存于①层水潜水。其补给水源为大气降水和冰雪融水。场地地下水和土质属于盐渍土，对混凝土结构具弱腐蚀性，但对钢筋混凝土中的钢筋具强腐蚀性。

［摘要］我国现有高塔熔体工艺生产尿基、硝基复合肥，成品粒度波动较大，常有大块肥、扁平粒、细粉的产生，生产过程较难控制。分析高塔熔体造粒工艺成粒机理，原料物性、配方、操作条件对造粒的影响；介绍根据成品粒度的状况及观察喷头造粒情况如何进行生产控制的经验，以生产内外在质优的复合肥。［关键词］高塔熔体造粒工艺；产品粒度；成粒机理；影响因素［中图分类号］TQ444［文献标识码］A［文章编号］1007－6220（2009）06－0041－04高塔复合肥熔体造粒工艺粒度成因机理及影响造粒的各种因素李晓波，韩春金，刘建华，崔聪娜，李金蓉（山西丰喜肥业（集团）股份有限公司闻喜复肥分公司，山西闻喜043802）

［收稿日期］2008－03－14；［修回日期］2009－06－29［作者简介］李晓波（1963－），男，山西闻喜人，高级工程师。E－mail：milxb＠126．com熔体造粒工艺的特点是：物料处于高温熔融状态，含水量很低，可流动的熔体直接喷入冷媒（冷媒通常是空气或熔体物料不溶解的液体，如矿物油等）中，物料在冷却时固化成球形颗粒。溶液的蒸发或浓缩固然需要消耗能量，但在能量利用方面远较干燥颗粒产品有效，更何况在某些生产工艺中还可以充分利用反应热来蒸发部分甚至全部水分。一般的造粒工艺，干燥机通常是生产装置中最大的而且也是最昂贵的设备，而熔体造粒工艺无需干燥，节省了投资和能耗。本文主要对高塔复合肥熔体造粒工艺粒度成因机理及影响造粒的各种因素讨论如下。1高塔熔体造粒工艺原理及工程装置熔体塔式造粒制造尿基复合肥料主要是利用尿素熔体可与磷酸一铵、氯化钾等混合形成低共熔点的特性，生成均匀的含有固体悬浮物的较低温度熔体料浆。熔体料浆通过特制喷头，喷入造粒塔中分散为一定粒度的液滴，液滴在空气中与上升气流进行热交换冷却并表面收缩，成为表面圆滑的小球粒，即可获得养分分布均匀的多养分颗粒状肥料。工程装置包括如下过程：固体原料处理，粉料提升输送，熔融混合，造粒，冷却，包装。2熔体造粒工艺造粒机理熔体法造粒机理不是一种机理，而是几种机理的组合，其间难有明确界线，并贯串造粒全过程。2．1成核机理任何新球开始形成的初期都是先形成一个球核。当液态尿素与粉料混合时，在机械搅拌的作用下粒ThemechanismofgranuleformationforproductionofcompoundfertilizerbymeltgranulationinprillingtowerandfactorsimpactingparticlesizeLIXiao－bo，HANChun－jin，LIUJian－hua，CUICong－na，LIJin－rong（WenxiCompoundFertilizerCompany，FengxiFertilizer（Group）Co．，Ltd，Wenxi，Shanxi043802，China）Abstract：Thevaryingproductparticlesizeswithblock，flatandpowdershapesintheproductionofurea－basedornitro－basedcompoundfertilizersappearintheexistingmeltgranulationinprillingtowerinChina，whichresultsinthecontroldifficulties．Themechanismofgranuleformation，andtheeffectsofrawmaterialphysicalproperties，formulaandoperatingconditiononparticlesizedistributionareanalyzedanddiscussed，theexperiencesofsupervisingtheparticlesizestatusandgranulationconditionatnozzleareintroducedforcontrollingtheproduction，withthepurposeofproducingthehighqualitycompoundfertilizerofauniformparticlenutrientandappearance．Keywords：meltgranulationinprillingtower；particlesizeofproduct；mechanismofgranuleformation；factors◆复混肥◆412009年11月第24卷第6期磷肥与复肥Phosphate＆CompoundFertilizer子互相靠紧，由于粒子之间的毛细作用进而聚集成核，这是任何新核形成必不可少的过程。在间断造粒中，球核的形成发生在造粒设备稍稍转动的几圈后。在连续造粒过程中，进入造粒机的原料，一部分形成球核，一部分使球核长大。因此，造粒时成核和长大是同时发生的，这个过程发生在混合槽初始阶段，即加入细粉（粒径小于1．0mm的颗粒晶种）。2．2成层机理已经形成的球核，在搅拌过程中聚集新料而逐渐长大，称为成层机理。此过程是当连续往球核上添加液态尿素和粉料时，表面带黏性的球核由于毛细力的作用，在搅拌时会一层层地聚集粉料，使球核逐渐增大。在实际生产中，球核多以这种方式长大，这个过程发生在混合槽中期阶段。2．3聚结机理几个小球核联结在一起，称为聚结。由于小球核在造粒机喷头的料浆互相碰撞和挤压，球核逐渐密实，在离心力的作用下，毛细管中的水被挤到球核的表面，在继续碰撞和挤压中彼此联结在一起，使其长大。球核的聚结可以是两个或多个以成对或多面体的形式集结在一起，其以聚结方式长大的速度较成层长大得快。以聚结方式长大的球，尺寸范围较大，颗粒不圆整。这个过程发生在造粒机喷头内初、中期阶段。2．4粉碎机理在造粒过程中，部分原料虽暂时聚集在一起，但因水分不足，毛细黏结力弱，球核强度小，在其他核团的撞击下已形成的球核会破碎。这在造粒的过程中是不可避免的，这部分散料在继续造粒过程中会粘附到其他球核上。对粒度较粗或亲水性较差的原料，由于球核破碎的几率很高，往往会导致造粒过程不能顺利进行，故对这类成球性差或难成球的原料需加以粉碎，并添加一些黏结剂，以改善其成球性。这个过程发生在混合槽初、中期阶段。2．5破损机理已形成的球在长大过程中，由于冲击或碰撞而破裂成小碎片，这种小碎片往往会形成新球核或与其他的球核聚集成新球。若出现大量的球核破裂或成扁平球，则说明造粒工艺参数不适宜，也可能是塔内热交换不好所致，必须加以调整。这个过程发生在喷头喷浆初、中、末期阶段。2．6磨损机理已形成的球在长大过程中，有些球表面因水分不足或无黏结剂而粘附不牢，在互相摩擦过程中被磨损，这些被磨损下来的粒子，又粘附到其他的球上而形成新的球核。这个过程发生在喷头喷浆初、中、末期阶段，一般在小漏斗处最为严重。2．7磨剥转移机理在造粒过程中，由于球的相互作用和磨剥，一定数量的原料从一个球转移到另一个球上，这种“磨剥转移”是在球与球每次碰撞时，非常少的原料从一个球的表面转移到另一球的表面，而不存在交换。这个过程发生在混合槽初、中期阶段与喷头喷浆初、中、末期阶段。2．8电荷作用机理尿液与磷酸一铵、氯化钾、填充剂等粉料带异性电荷，根据同性电荷互相排斥、异性电荷相吸引的原理，液态尿液与固态磷酸一铵、氯化钾、填充剂等粉料发生静电相互作用形成小颗粒。这个过程发生在混合槽初、中期阶段。2．9离缩作用机理悬浮的料浆通过特制高速旋转的喷头，在离心力的作用下喷洒成小液滴，小液滴表面在空气中冷却收缩成小球粒。这个过程发生在喷头喷浆初、中、末期阶段。2．10黏沙性物料相配机理在所有复合肥造粒工艺中，要想造好粒，黏性物质与沙性物质必须满足一定的配比，才能造粒。尿素、氯化钾、填充剂是沙性物质，磷酸一铵就是黏性物质，只有沙性物质与黏性物质配比适度，才能形成均匀、圆润的颗粒。这种黏沙性物料相配机理影响造粒过程的始终。以上几种机理组成了熔体法造粒的基本过程。这些过程能引起颗粒数量和尺寸上的改变，在任何情况下，颗粒的形成和长大均存在一个或几个成粒机理。3工艺条件对造粒的影响制备流动性良好的混合料浆是熔体造粒的技术关键，直接关系到生产的连续性和产品质量。制备混合料浆的主要工艺条件有：固体物料预热温度，熔体物料温度，混合时间，固体物料细度，氮磷钾配比等，各工艺条件对造粒的影响分述如下。3．1物料预热温度和混合物料温度对造粒的影响固体物料的预热主要是为了保证混合物熔融操作的顺利进行。若物料温度太低，无法达到使混合物保持熔融态的起点温度，操作过程无法连续进行；若预热温度过高，不但能耗增加，且也会影响422009年第24卷第6期磷肥与复肥混合物料的温度。混合物料温度低，料浆流动性差，但温度过高则会使尿素发生水解：CO（NH2）2＋H2O2NH3＋CO2而水解的发生与混合时间、温度有关。在CO（NH2）2－NH4H2PO4－KCl－H2O［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝1∶1∶1］体系中，尿素的分解可以用二级反应动力学方程式描述：α＝KC0τ／（1＋KC0τ）式中α———尿素分解率，％；K———给定温度下有效反应速度常数，L／（mol·min）；C0———尿素初始浓度，mol／L；τ———混合时间，min。当C0＝6．5mol／L（相当于尿素质量分数27．5％）时，K＝1．11×109e－21800／RT，若混合时间一定，则随着温度升高，尿素分解率也明显增加。在磷酸一铵存在下将发生如下反应：CO（NH2）2＋2NH4H2PO4（NH4）4P2O7＋CO2尿素水解产生的氨被磷酸一铵吸收生成了聚磷酸铵。该反应的结果是导致混合过程产生泡沫，并使其黏度急剧上升，影响喷淋造粒过程，颗粒产品中会有气孔，降低了产品的机械强度及外观质量。3．2混合时间对造粒的影响为了使物料能充分混合，颗粒中养分均匀，除了一定的搅拌强度外还需有一定的混合时间。混合时间的长短对尿素的分解有显著影响，随着时间延长，聚磷酸铵量也将增加。聚磷酸铵的存在将极大地增加混合物的黏度，到一定时间料浆黏度迅速上升，最后无法流动（不同的氮磷钾配比混合时间对料浆黏度的影响有差异）。因此，在保证充分混合的前提下混合时间愈短愈好，一般混合时间≤4min。3．3固体物料细度对造粒的影响为了使肥料养分均匀分布，固体物料应具有一合适的粒度范围。物料太细，增加了破碎的难度，功耗增加，同时密封也困难，导致粉尘飞扬；物料太粗，则造粒效果不好，容易堵塞喷头孔眼及多产扁平球，并影响养分的均匀分布和产品的颗粒强度。原料的粒度和粒度分布对造粒影响甚大。原料粒度越小并具有合适的粒度分布，则颗粒间排列越紧密，毛细管的平均直径越小，分子黏结力亦越强。因此，为了稳定地进行造粒和得到较高强度的颗粒，所用的原料必须有足够细的粒度和合适的粒度分布。高塔复合肥采用粉状填充剂就是为了提高物料比表面积，减少颗粒的孔隙率以提高颗粒的强度。大量研究证实，颗粒的抗压强度与颗粒的比表面积成正比。虽然物料越细，其水分迁移速度越慢，会造成结块，但由于细度对成球和强度具有决定性作用，因此，造粒物料仍要求有适当细度。在造粒原料中加入某些添加剂，可以极大地改善物料的成粒性，这主要是因为所加的添加剂均为亲水性好、比表面积大的物质，它们的加入可改善物料的亲水性和比表面积。添加剂具有较强的黏结力，对改善黏性物质与沙性物质的配比，改善物料颗粒间的连接状况，起着颗粒间分子力的传递作用，其黏结能力越大，颗粒机械强度越高。3．4氮磷钾配比对造粒的影响熔体造粒试验中发现，高氮比复合肥料在制造过程中，由于使用了较多的尿液，增加了熔体物料的液相量，使得喷淋造粒过程更易控制掌握，因此，高氮比复合肥料更具可操作性。但是却产生大量的小颗粒，粒径≤1．0mm，即通常说的细粉。如果大量细粉不均匀返回混合槽，就会恶化料浆物系，使造粒产生更多的次品，形成恶性循环，使成品外观质量变差。3．5原料含水量及物性对造粒的影响在原料天然性质中，对造粒过程起主要作用的是原料颗粒表面的亲水性和形状。高塔复合肥所用的主要原料为粉碎后的填充剂。这种物料表面亲水性较高，其矿粒被水湿润的能力较大，毛细作用较强，毛细水的迁移速度较快，这些性质决定了物料良好的成粒性。原料水分对造粒有一定的影响。原料尿液水含量过低［w（H2O）1．5％左右］，尿液喷洒不足，原料很难成球，球核长大较慢，且强度很低；原料水分过高，初始成球较快，但易造成球核互相粘结变形，导致球核粒度不均匀。此外，过湿的物料易造成“粘塔现象”。3．6混合槽温度对造粒的影响对高塔熔体造粒，不同的配方，混合槽温度控制均有差异。可以说，料浆的流动性或黏度是温度的函数。提高温度，料浆的流动性变好，易于造粒，但却易多产细粉，同时颗粒在塔内自由落下时，温度高不利于冷却，颗粒冷却效果不好，会带来粘塔和粘漏斗，严重时引起系统停车，不严重时易产大块肥、细粉及扁平粒，给后工序带来困难，加大生产成本；温度控制过低，料浆流动性变差，不利于造粒，严重时堵塞喷头或料浆在混合槽凝固，最终导致系统停车。所以对每种配方，最佳的造粒温度应该是高于气体、液体、固体三相点的临432009年第24卷第6期李晓波等高塔复合肥熔体造粒工艺粒度成因机理及影响造粒的各种因素