關(guān)于我國尿素造粒塔環(huán)保改造問題的探討

王偉臻

(綠色造粒技術(shù)有限公司， 北京 100102)

《化學(xué)肥料工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》目前處于征求意見階段，該標(biāo)準(zhǔn)的實施已不可避免。在2017年7月12日由中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會主辦的《化學(xué)肥料工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)討論會上，最新公布的尿素造粒塔的顆粒物“排放限值”確定為30 mg/m3(標(biāo)態(tài))，而“特別排放限值”確定為20 mg/m3(標(biāo)態(tài))，這對于在我國產(chǎn)能占比高達85%的塔式尿素生產(chǎn)企業(yè)來說影響和震動極大。在面對行業(yè)產(chǎn)能過剩、優(yōu)惠政策取消、生產(chǎn)成本不斷上漲、市場價格低迷以及越來越嚴(yán)格的環(huán)保督察等一系列經(jīng)濟和環(huán)保壓力的同時，所有的塔式造粒尿素生產(chǎn)企業(yè)都將需要投入巨額資金進行造粒塔的環(huán)保改造或造粒技術(shù)替換。然而，由于長期的環(huán)保欠賬，加上造粒塔改造的難度和風(fēng)險極大，使得國內(nèi)尿素造粒塔的改造問題陷入了一個“大工程公司不愿接，小技術(shù)公司改造達標(biāo)難和安全風(fēng)險大”的困局[1-2]。

筆者自2012年就開始關(guān)注國內(nèi)尿素造粒塔的污染問題，調(diào)研了其環(huán)保改造的技術(shù)可行性和經(jīng)濟性，先后與國內(nèi)外的尿素生產(chǎn)企業(yè)、工程公司、技術(shù)專利商及資深技術(shù)專家等進行了廣泛的交流，并參與了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會、中國氮肥工業(yè)協(xié)會組織的對新標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿的討論。本文就筆者幾年來的調(diào)研結(jié)果，結(jié)合國外尿素造粒技術(shù)的總體情況和尿素造粒塔改造辦法以及國內(nèi)尿素生產(chǎn)企業(yè)的實際情況，進行綜合的介紹。

1 我國尿素行業(yè)的塔式造粒技術(shù)和環(huán)保水平現(xiàn)狀及改變的必要性

塔式造粒和流化床造粒是當(dāng)今世界上最主要的尿素造粒技術(shù)。國內(nèi)以塔式造粒為主，產(chǎn)能占比高達85%左右，且全部是污染嚴(yán)重的自然通風(fēng)式傳統(tǒng)造粒塔；國外則以更加環(huán)保的流化床造粒技術(shù)為主，產(chǎn)能占比高達80%，且新建裝置基本都采用了流化床造粒技術(shù)。目前國外只有獨聯(lián)體國家和南亞/東南亞地區(qū)還在以塔式造粒為主，塔式造粒產(chǎn)能占比分別為81%和90%。

盡管獨聯(lián)體國家也是以塔式造粒為主，但與我國不同的是，獨聯(lián)體國家從1971年就開始逐步棄用我國目前廣泛采用的自然通風(fēng)式傳統(tǒng)造粒塔，而普遍采用了強制通風(fēng)加塔頂洗滌的新型造粒塔，并對尚存的傳統(tǒng)造粒塔進行了升級改造。這項工作主要由俄羅斯NIIK公司設(shè)計和實施。

我國作為世界第一大尿素生產(chǎn)國和使用國，尿素年產(chǎn)能高達77 000 kt，占世界總產(chǎn)能的40%，尿素年產(chǎn)量高達62 000 kt左右，占世界總產(chǎn)量的1/3，且生產(chǎn)企業(yè)分布得十分集中，超過一半的尿素產(chǎn)能集中在北京周邊500～700公里的半徑范圍內(nèi)。長期以來我國一直采用自然通風(fēng)式傳統(tǒng)造粒塔，顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)一直限定在150 mg/m3(標(biāo)態(tài))，而業(yè)內(nèi)外普遍認為實際排放值高于、甚至遠高于現(xiàn)行限值，令尿素生產(chǎn)行業(yè)一直飽受社會所詬病。尤其是近年來備受關(guān)注的霧霾問題，使國家面臨巨大的國內(nèi)和國際壓力。

此外，150 mg/m3(標(biāo)態(tài))的顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)在化肥行業(yè)已實施幾十年，既嚴(yán)重滯后于國際尿素生產(chǎn)行業(yè)，也不符合我國科學(xué)發(fā)展的理念，客觀上造成了污染嚴(yán)重的自然通風(fēng)式傳統(tǒng)造粒塔在國內(nèi)普遍使用和積重難返的窘狀。經(jīng)過40余年的技術(shù)引進和消化吸收，我國尿素生產(chǎn)行業(yè)在氨合成和尿素合成領(lǐng)域的技術(shù)水平已居世界前列，然而擁有的尿素造粒環(huán)節(jié)的技術(shù)和環(huán)保水平偏低，這與我國工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向是相悖的。滯后的標(biāo)準(zhǔn)和落后的技術(shù)不僅使我國成為受尿素粉塵污染影響最嚴(yán)重的國家，也造成了巨額的經(jīng)濟損失。按照我國現(xiàn)有尿素產(chǎn)能計算，即使所有生產(chǎn)企業(yè)都按照150 mg/m3(標(biāo)態(tài))的標(biāo)準(zhǔn)排放顆粒物，每年相當(dāng)于有一套800 kt裝置生產(chǎn)的尿素釋放到大氣中。

盡管現(xiàn)在國內(nèi)尿素生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟和環(huán)保壓力已經(jīng)很大，但仍需認識到我國當(dāng)前尿素造粒塔的技術(shù)含量偏低和污染嚴(yán)重的現(xiàn)實，積極配合國家新標(biāo)準(zhǔn)的實施進行有效的技術(shù)改造或技術(shù)置換，逐步走入綠色、環(huán)保的發(fā)展軌道，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的進一步升級。

2 關(guān)于我國尿素造粒塔環(huán)保改造方案的探討

實際上，行業(yè)內(nèi)針對尿素粉塵有濕法洗滌、電除塵、布袋除塵和電袋復(fù)合除塵等多種有效的處理方式，而造粒塔粉塵處理的難點在于排污點過高(達80～120 m)，且無可靠的除塵設(shè)備安裝位置。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，造粒塔的粉塵處理問題在國外也是一個難題，沒有很經(jīng)濟的解決辦法。以下將結(jié)合國外在尿素造粒環(huán)節(jié)的環(huán)保經(jīng)驗進行討論，供我國尿素生產(chǎn)企業(yè)參考。

2.1 借鑒國外成熟經(jīng)驗，規(guī)范改造國內(nèi)尿素造粒塔

如上所述，俄羅斯NIIK公司設(shè)計并實施了獨聯(lián)體國家的新型造粒塔建設(shè)和傳統(tǒng)造粒塔改造。NIIK公司對自然通風(fēng)式傳統(tǒng)造粒塔的改造內(nèi)容包括：① 增加尿素顆粒的降落高度；② 增加廢氣洗滌系統(tǒng)，并封閉塔頂；③ 增加廢氣洗滌系統(tǒng)的塔內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)；④ 增加造粒塔內(nèi)部冷空氣的線速度；⑤ 塔內(nèi)底部增加流化床冷卻器等。通過洗滌改造，將自然通風(fēng)式傳統(tǒng)造粒塔改造為強制通風(fēng)式新型造粒塔，使游離氨排放值降至40 mg/m3(標(biāo)態(tài))、尿素粉塵排放降低到25 mg/m3(標(biāo)態(tài))。同時，由于在造粒塔原始設(shè)計中未考慮到新增塔頂洗滌系統(tǒng)的巨大質(zhì)量，NIIK公司在造粒塔內(nèi)部設(shè)計了從底部到頂部的支撐結(jié)構(gòu)，由該支撐和造粒塔頂共同分擔(dān)新增洗滌系統(tǒng)的質(zhì)量，以確保改造后造粒塔的結(jié)構(gòu)安全；考慮到塔頂封閉和塔內(nèi)支撐縮小了塔徑，對產(chǎn)品溫度和質(zhì)量影響較大，NIIK公司在塔底增加了塔內(nèi)流化床冷卻器，以確保夏季時產(chǎn)品溫度在45～50 ℃。NIIK公司的傳統(tǒng)造粒塔改造示意見圖1。

以上是國外成規(guī)模進行新型尿素造粒塔建設(shè)和傳統(tǒng)尿素造粒塔改造的唯一可參考實例，設(shè)計和改造兼顧了環(huán)保、安全和產(chǎn)品質(zhì)量，但是改造費用大、時間長，運行成本升高，這也印證了傳統(tǒng)造粒塔的改造不存在技術(shù)障礙，但是缺少經(jīng)濟的改造技術(shù)，改造代價高。

2.2 借鑒國外先進經(jīng)驗，逐步用更加環(huán)保的流化床造粒技術(shù)取代污染嚴(yán)重的塔式造粒技術(shù)

長期以來，國內(nèi)尿素生產(chǎn)行業(yè)對塔式造粒和流化床造粒這兩項技術(shù)一直都有比較，相對來說，自然通風(fēng)式傳統(tǒng)造粒塔的投資和運行成本較低，而市場上又長期以塔式小顆粒產(chǎn)品為主，對終端用戶用肥習(xí)慣存在一定影響，塔式尿素產(chǎn)品在我國的產(chǎn)能一直居高不下。實際上，國外尿素生產(chǎn)企業(yè)也十分清楚自然通風(fēng)式傳統(tǒng)造粒塔在投資和運行成本方面的優(yōu)勢，但嚴(yán)格的環(huán)保政策決定了流化床造粒技術(shù)的普遍使用。隨著近年來國內(nèi)環(huán)保要求的提高，尤其是《化學(xué)肥料工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的即將實施，使得自然通風(fēng)式傳統(tǒng)造粒塔面臨淘汰，無論新塔建設(shè)還是老塔改造，生產(chǎn)企業(yè)都將不得不投入巨額資金以及較高的運行費用，塔式造粒也失去了原有的經(jīng)濟優(yōu)勢，我國尿素造粒也必將向著國外普遍采用的技術(shù)含量更高、更環(huán)保的流化床造粒技術(shù)方向發(fā)展。

另外，近年來國際上各技術(shù)商在流化床尿素造粒技術(shù)發(fā)展方面取得了很大的進步。其中，綠色造粒技術(shù)有限公司突破傳統(tǒng)觀念，在2012年推出的新一代冷料循環(huán)流化床尿素造粒技術(shù)(簡稱CRG技術(shù))，極大地簡化和優(yōu)化了工藝流程(見圖2)，明顯降低了投資和運行成本。隨后綠色造粒技術(shù)有限公司進一步研發(fā)并陸續(xù)向市場推出了尿素中顆粒和小顆粒流化床造粒技術(shù)、無甲醛尿素流化床造粒技術(shù)、多元增效尿素流化床造粒技術(shù)和造粒尾氣超低排放環(huán)保技術(shù)等一系列先進的、塔式造粒所無法比擬的先進技術(shù)，極大地拓寬了流化床造粒技術(shù)的適用性，為尿素生產(chǎn)企業(yè)提升環(huán)保水平、豐富產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、增強市場競爭力、提高企業(yè)效益等提供了可靠的技術(shù)保障。隨著技術(shù)的持續(xù)進步，流化床造粒技術(shù)已經(jīng)成為建得起、用得起、可替代塔式造粒、性價比較高且優(yōu)于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的實用技術(shù)。

圖1 NIIK公司的傳統(tǒng)造粒塔改造示意圖

圖2 綠色造粒技術(shù)有限公司的冷料循環(huán)流化床尿素造粒技術(shù)工藝流程

2.3 采用“分流法”，在解決造粒塔尾氣達標(biāo)排放的同時，豐富產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

“分流法”實際上是在造粒塔改造和以流化床造粒裝置替代造粒塔這兩個方案以外的折衷方案，其出發(fā)點主要基于以下考慮：

(1) 造粒塔的環(huán)保改造成本極大，生產(chǎn)企業(yè)僅為尾氣治理就耗資千萬甚至更高，往往心有不甘。

(2) 以新建流化床造粒裝置來徹底取代現(xiàn)有造粒塔，對于很多生產(chǎn)企業(yè)來說難以取舍。

“分流法”環(huán)保改造流程見圖3。

眾所周知，造粒塔頂?shù)奈矚庖绯隽颗c造粒塔產(chǎn)能直接相關(guān)，當(dāng)造粒塔產(chǎn)能下降時，塔頂尾氣的溢出量也會同比下降?！胺至鞣ā钡母脑焖悸肥?，將原引入造粒塔的尿液分流一部分，去生產(chǎn)更為環(huán)保的流化床尿素、UAN等產(chǎn)品，通過降低造粒塔負荷來大幅降低粉塵和氨的排放，并根據(jù)造粒塔實際強度輔以塔頂洗滌系統(tǒng)，在尾氣達標(biāo)排放的同時，改善產(chǎn)品質(zhì)量，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。而產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整正是很多生產(chǎn)企業(yè)的未來重點投資方向，應(yīng)與造粒塔改造結(jié)合起來，以提升投資效率和經(jīng)濟性。

圖3 “分流法”環(huán)保改造流程

3 關(guān)于造粒塔環(huán)保改造需要特別重視的幾個問題

3.1 改造指標(biāo)應(yīng)具有前瞻性

《化學(xué)肥料工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》在制定過程中，尿素造粒塔的顆粒物“排放限值”開始確定為50 mg/m3(標(biāo)態(tài))，后來降至30 mg/m3(標(biāo)態(tài))，而“特別排放限制”開始確定為30 mg/m3(標(biāo)態(tài))，后來降至20 mg/m3(標(biāo)態(tài))。盡管標(biāo)準(zhǔn)還沒有最終公布，但是可以看出國家整治化肥行業(yè)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)污染問題的決心很大，即使標(biāo)準(zhǔn)最終采用的排放指標(biāo)較寬松，仍可預(yù)見在不久的將來還會進一步嚴(yán)苛。因此，造粒塔改造時對排放指標(biāo)應(yīng)具有前瞻性，即應(yīng)按照遠優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)來改，切不可僅滿足標(biāo)準(zhǔn)，否則將來國家一旦進一步嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)企業(yè)將陷入改了又改，甚至改無可改的絕境。

3.2 重視改造的安全性

造粒塔改造的首要目的是解決達標(biāo)排放，從國外的改造經(jīng)驗和國內(nèi)的摸索情況看，增加塔頂深度洗滌和塔內(nèi)強制通風(fēng)是造粒塔改造的唯一有效辦法，但這種改造方式必然會對產(chǎn)品質(zhì)量和造粒塔的安全性產(chǎn)生很大影響，尤其是改造后的安全問題。

根據(jù)國內(nèi)某大型工程公司的規(guī)范計算，如果按照新標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿的指標(biāo)排放，一座年產(chǎn)能為300 kt的傳統(tǒng)造粒塔，新增塔頂洗滌系統(tǒng)的質(zhì)量需要達到160 t，而一座年產(chǎn)能為800 kt的傳統(tǒng)造粒塔，新增塔頂洗滌系統(tǒng)的質(zhì)量需要達到300 t以上。因此，造粒塔改造需要結(jié)合原始設(shè)計和現(xiàn)場勘察進行規(guī)范設(shè)計，考慮類似俄羅斯NIIK公司設(shè)計中的塔內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)塔毀人亡的重大安全事故。

汶川地震后，我國在2010年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，提高了建筑物的土建標(biāo)準(zhǔn)。對于2010年以前土建標(biāo)準(zhǔn)較低的傳統(tǒng)造粒塔，改造時尤其應(yīng)該重視塔頂洗滌增重對安全的影響。

3.3 應(yīng)與正規(guī)設(shè)計院合作，進行規(guī)范設(shè)計

傳統(tǒng)造粒塔的環(huán)保改造是一個兼顧了達標(biāo)排放、產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)的系統(tǒng)工程，尤其是我國尿素行業(yè)已發(fā)展了40多年，造粒塔的情況十分復(fù)雜，老塔改造既要考慮原始設(shè)計，又要進行現(xiàn)場勘察，更要規(guī)范實施。正規(guī)設(shè)計院專業(yè)齊全、設(shè)計規(guī)范、重視責(zé)任和聲譽、綜合實力強，尿素生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)與正規(guī)設(shè)計院合作，規(guī)范地進行老塔改造的設(shè)計和施工。

3.4 重視新標(biāo)準(zhǔn)中對尿素粉塵檢測方法的規(guī)定，避免無效改造和投資

造粒塔的塔徑大、污染物采樣和分析難度高，一直以來，國內(nèi)尿素造粒塔粉塵排放值的檢測方法缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，往往形成當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門、生產(chǎn)企業(yè)和改造單位各自使用自定的方法，對檢測結(jié)果互不信服的尷尬局面，這一問題在新標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中已引起了編制組的高度重視。目前中國氮肥工業(yè)協(xié)會已完成造粒塔污染物采樣和分析方法的起草，正在行業(yè)內(nèi)征求意見。生產(chǎn)企業(yè)在對老塔改造前應(yīng)嚴(yán)格參照新標(biāo)準(zhǔn)對于采樣和分析方法的要求，以免造成無效的改造和投資。

4 結(jié)語

《化學(xué)肥料工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的制定和實施，對我國尿素乃至整個化肥生產(chǎn)行業(yè)來說，既是一個巨大的現(xiàn)實壓力和困難，更是一個難得的產(chǎn)業(yè)升級的契機。國內(nèi)尿素的先進產(chǎn)能和落后產(chǎn)能長期共存以及落后產(chǎn)能不愿意輕易退出，導(dǎo)致了整個行業(yè)的產(chǎn)能嚴(yán)重過剩和經(jīng)濟效益低下，這種情況的持續(xù)必將拖垮先進產(chǎn)能，進而影響整個行業(yè)。隨著環(huán)保成為新的、并且十分有效的行業(yè)準(zhǔn)入門檻，勢必將加快我國尿素生產(chǎn)行業(yè)落后產(chǎn)能的退出和促進行業(yè)的整體升級；對于技術(shù)水平相當(dāng)?shù)南冗M產(chǎn)能來說，勢必將是得環(huán)保者得市場、得效益。只有這樣，我國尿素生產(chǎn)行業(yè)才能進入良性、科學(xué)發(fā)展的軌道上。