斯塔米卡邦大顆粒尿素流化床造粒裝置的設計與應用

斯塔米卡邦大顆粒尿素流化床造粒裝置的設計與應用

固液體流態(tài)化是一種將液體和固體顆粒接觸到整個系統(tǒng)的技術。流化床技術于1922年被Winkler首次用于煤氣化工業(yè)后便逐步應用到不同的領域,至今已廣泛用于加熱、混合、浸取、干燥、造粒、吸收、氣流輸送等工藝過程。大顆粒尿素造粒裝置便是流化床技術成功運用的實例之一。到目前為止,世界上生產(chǎn)大顆粒尿素的工藝主要有伍德公司流化床造粒工藝、斯塔米卡邦流化床造粒工藝、日本東洋工程公司流化床造粒工藝、荷蘭GGT流化床造粒工藝。斯塔米卡邦大顆粒尿素流化床造粒工藝在國外工廠中有多個成功應用的實例,而對于中國成達工程公司而言,卻是首次將其在EPC項目———孟加拉沙加拉化肥項目520kt/a尿素裝置中運用,獲得了成功。以下就該工藝的技術特點及應用情況進行介紹。1流軸理論的基礎當流體自下而上通過固體顆粒床層,因流速不同可能會有以下幾種不同的情況。1.1固定床階段當流體流速較低時,流體只是穿過靜止顆粒物之間的空隙而流動,顆粒間不發(fā)生相對運動,床層高度h1.2邊界流量轉化階段若增大流體流速至一定值,此時床層的壓降大致等于單位面積床層上的重力,部分固體顆粒位置稍有調(diào)整,床層略膨脹,床層高度為h1.3床層的流場繼續(xù)增大流體流速,固體顆粒將懸于流體中,床層開始膨脹、增高,空隙率也隨之增大,但床層的壓降Δp保持不變,約等于單位床層面積上的重力,此時的床層具有類似于流體的性質,故稱為流化床(如圖1所示B區(qū)域)。1.4造粒裝置的設計特點當流體流速繼續(xù)增大,固體顆粒被向上的流體帶走,流化床上界面消失,顆粒開始帶出的速度稱為帶出速度v大顆粒尿素流化床造粒技術就是根據(jù)上述第3種流化特點而設計的工業(yè)化裝置,流化床造粒裝置具有以下幾個特點:①類似液體特性,無固定形狀,有一定的上界面,能像流體一樣連續(xù)流動(利用這一特性可在流化床中實現(xiàn)固體的連續(xù)加料、卸料);②床層任意兩截面間的壓強變化大致等于兩截面間單位床層面積上的重力;③恒定的壓降,流化床內(nèi)的顆粒處于懸浮狀態(tài)(浮力=重力),Δp×A=W(式中:Δp———床層的壓降,N/m2熔融造粒裝置大顆粒流化床造粒工藝是整個尿素造粒裝置中的核心部分。在斯塔米卡邦流化床造粒裝置中,熔融尿素在流化狀態(tài)下通過“膜噴涂”形式噴射到到晶種上生成顆粒尿素。此過程主要包括以下幾點:①尿素以融熔狀態(tài)通過噴嘴霧化;②尿素粒子分層增大,即連續(xù)凝固的很薄的一層熔融尿液涂到晶核上生長;③UF85[尿素25%(質量分率,下同),甲醛60%,水15%]作為一種特殊添加劑,在進入造粒機之前添加到尿液中,防止粒子粘連并降低粉塵。斯塔米卡邦大顆粒尿素造粒工藝以濃度為98.5%的熔融尿液為原料,加入UF85后將其送入流化床造粒機,以空氣作為流化劑,流化空氣的主要作用是使造粒機內(nèi)的固體尿素粒子呈流態(tài)化并帶走融熔尿液的熱量(包括結晶熱及部分顯熱),同時為晶核長大提供有利的空間。為噴涂得到大量的固體顆粒同時又沒有結塊,必須保持粒子之間的有效分離,流化空氣便是方便、有效的載體,流態(tài)化則是避免從噴嘴噴出的尿液在晶種上結晶、固化并降低到一定溫度之前相互粘連的唯一方法。在造粒機內(nèi),每個顆粒多次覆蓋一層很薄的熔融尿素,粒子均勻、漸進式地長大最終形成外形基本一致的尿素顆粒。添加UF85后的熔融尿液,利用自身的壓力通過經(jīng)特殊設計的噴嘴噴射,在噴嘴上方形成尿素液膜,霧化空氣將晶種吸入液膜中,液膜厚度在50~150μm,噴涂在晶種上的液膜結晶過程中還要放出熱量,因熔融尿液溫度相對較高,因此噴涂的過程中下面的包裹層有一個再融化的過程,通過結晶,每一層包裹最后都成為晶體的一部分;盡管使用了膜式噴嘴,顆粒內(nèi)部并沒有形成“洋蔥”式的多層結構;融熔尿液在晶種上噴涂、結晶的過程也是尿液中水分蒸發(fā)的過程。離開造粒機之后,產(chǎn)品經(jīng)過粗篩、成品篩的篩選,不符合規(guī)格要求的小顆粒重新返回至造粒機中,超過規(guī)定尺寸的顆粒則被送入破碎機中破碎,與未達到規(guī)定尺寸的粒子一并被送回造粒機重新造粒。破碎機在晶種循環(huán)造粒過程中起到調(diào)節(jié)作用,保證粒子的動態(tài)平衡。合格產(chǎn)品將被進一步冷卻至可貯藏溫度后送到儲運包裝系統(tǒng)。從造粒機出來的空氣都會夾帶一些粉塵,一起進入洗滌器,洗滌過的空氣被排放到大氣中;洗滌器中的洗滌溶液經(jīng)一定程度濃縮后被送往熔融尿素廠。斯塔米卡邦大顆粒尿素造粒工藝因特殊的噴嘴結構和較高的融熔尿液濃度,造粒過程中產(chǎn)生的粉塵量很少,從而減少了循環(huán)稀尿液的量。3下實際的熱壓設備造粒機是實現(xiàn)流化床造粒的重要設備,它是一個包含了3個造粒室和1個冷卻室的矩形箱體,據(jù)不同的功能分為上箱體和下箱體。下箱體主要用于尿液管、霧化空氣管的布置及流化空氣的分布,每個分區(qū)相對獨立;上箱體又分為造粒區(qū)和冷卻區(qū),每個分區(qū)用豎直的隔板分隔開,但造粒區(qū)和冷卻區(qū)的上部空間則是一體的。造粒機的前端有2個晶種入口,用于接收來自破碎機和成品篩的晶種;造粒機的后端則是物料的出口。斯塔米卡邦造粒機的流化板、噴嘴及噴嘴的布置有其獨有的特點,具體如下。3.1通過空氣流量分布防止偏流上箱體和下箱體的分隔采用多孔流化板,熔融尿素噴嘴都安裝在流化板上。造粒機的下箱體和上箱體相對應地也分為4個不同的腔室,空氣流量有規(guī)律地分布,對防止偏流有十分重要的作用;流化板將空氣分布到造粒機上箱體,并支撐顆粒在流化層停留時的重量,流化板水平安裝,上面有穿透性的孔眼,形成一個向前突出的邊緣,給顆粒輕微的縱向推力,這種穿孔結構有利于促進造粒機排空并將結塊或塊狀物料輸送到造粒機出口。3.2大顆粒成品的制備大顆粒尿素造粒工藝的核心部分是噴嘴。斯塔米卡邦膜式噴嘴有如下優(yōu)點:①空氣消耗低;②霧化空氣能量消耗少;③粉塵產(chǎn)生量小;④產(chǎn)品有良好的圓整度;⑤成品含水量低。在開始噴射階段,會在噴嘴口上方形成一個很薄的液膜,這層膜在噴嘴口上方幾厘米處接觸霧化空氣氣流;霧化空氣從包圍液體出口的一個環(huán)形管道高速噴出,空氣的吸附作用將晶種從流化床吸起,迫使它們穿過液膜,晶種不斷被液膜包裹,最終達到大顆粒成品所要求的規(guī)格。成品接近球形,即使是較大的顆粒也是如此,因此產(chǎn)品具有較好的分散相,粒子之間的接觸表面最小,產(chǎn)品結塊的可能性降低。3.3融熔歷史網(wǎng)口與融熔高校管口連接口噴嘴是沿造粒機一組一組地安裝在母管上的,這些母管位于流化板下面,融熔尿液母管套在霧化空氣母管內(nèi),這樣設計的目的是霧化空氣可以為融熔尿液母管提供保溫,從而省去融熔尿液管的伴熱管線,因為出霧化空氣加熱器的霧化空氣溫度達到140℃。通過一個支管融熔尿液母管和噴嘴相連接。熔融尿素噴嘴可與造粒機外部用于吹掃的蒸汽管線相連,也可與霧化空氣相連,這樣設計的目的是使噴嘴管口在沒有熔融尿素時能保持霧化空氣處于常通狀態(tài),避免噴嘴堵塞。熔融尿素噴嘴與吹掃蒸汽系統(tǒng)或霧化空氣系統(tǒng)的連接是由三通閥控制的。4系統(tǒng)集成設計在生產(chǎn)中的應用,得到了顯著孟加拉沙加拉化肥項目520kt/a尿素裝置最終產(chǎn)品為大顆粒尿素。裝置采用斯塔米卡邦的池式反應器工藝技術,池式反應器的應用使高壓圈設備得以簡化并降低了整個框架的高度,從而降低了投資并簡化了操作;最終產(chǎn)品的生產(chǎn)采用斯塔米卡邦的大顆粒尿素造粒工藝,同一專利商的工藝技術使得整個系統(tǒng)得以優(yōu)化,工藝技術的整體優(yōu)勢得以更充分體現(xiàn),同時也減少了不同專利商之間工藝條件的交接。項目歷時3a建成,2015年9月一次性投運成功并產(chǎn)出合格尿素產(chǎn)品。在2015年11月24—26日進行的72h的性能考核中,裝置運行平穩(wěn),達產(chǎn)達標。產(chǎn)品氮含量、縮二脲含量、甲醛含