硝酸銨造粒塔粘塔原因分析及對(duì)策

李 勇

(天脊煤化工集團(tuán)有限公司，山西 潞城 047507)

引 言

天脊集團(tuán)硝酸銨裝置引進(jìn)法國(guó)K-T專利技術(shù)，采用管式反應(yīng)器法、塔式造粒法生產(chǎn)硝酸銨、多孔粒狀硝酸銨、硝酸銨溶液產(chǎn)品，單套裝置生產(chǎn)能力為20萬t/a。硝酸銨造粒塔有效高度39.164 m、內(nèi)徑7 m，由于造粒塔內(nèi)徑偏小，造粒塔粘塔嚴(yán)重，每月需要停車清洗2次～3次，每次消耗消防水約80 t，清洗后的廢硝酸銨溶液送至公司硝酸磷肥裝置回收利用。造粒塔粘塔嚴(yán)重不僅制約了裝置的連續(xù)運(yùn)行周期，也給硝酸磷肥裝置廢水回收帶來了壓力。

1 硝酸銨造粒原理

96%的硝酸銨溶液由熔融泵打至塔頂受槽，然后進(jìn)入造粒噴頭，物料在靜壓作用下從39.164 m處的造粒噴頭噴出，物料向下降落，與上升的空氣逆流接觸冷卻結(jié)晶，形成顆粒。造粒過程可分為3個(gè)階段：第一階段，硝酸銨溶液流出噴頭，成線狀拋物線向下降落；第二階段，線狀溶液斷裂，在表面張力的作用下形成球狀液滴；第三階段，球狀液滴逐漸凝固成固體顆粒，顆粒逐漸降溫，最終落至塔底皮帶上[1]。如圖1所示。

圖1 硝酸銨溶液造粒過程

2 硝酸銨造粒塔粘塔嚴(yán)重的原因分析

2.1 硝酸銨液滴(顆粒)運(yùn)行分析

液滴開始下落時(shí)，其加速度具有最大值，當(dāng)速度不斷增加到某一數(shù)值時(shí)，阻力、上吹風(fēng)力、浮力、重力達(dá)到平衡，這時(shí)顆粒開始做勻速下降運(yùn)動(dòng)[2]。硝酸銨液滴受力分析如圖2所示。

圖2 硝酸銨液滴受力

根據(jù)圖2液滴的受力情況列出式(1)～式(2)和第86頁(yè)式(3)～式(4)關(guān)系式。

G=mg=(π/6)d3ρsg

(1)

Fb=(m/ρs)ρg

(2)

Fd=ξA(ρu2/2)

(3)

Fc=Auc2ρ/2

(4)

式中，G為重力，N；d為硝酸銨小液滴的直徑，m；ρs為硝酸銨小液滴的密度，kg/m3；Fb為浮力，N；ρ為空氣密度，kg/m3；Fd為阻力，N；ξ為曳力系數(shù)，ξ=18.5/Rep0.6；Rep為硝酸銨小液滴在空氣中的雷諾系數(shù)，Rep=duρ/μ；μ為空氣黏度，Pa·s；A為顆粒面積，A=πd2/4，m2；u為顆粒飛行速度，m/s；Fc為上吹風(fēng)力，N；uc為上吹風(fēng)力速度，m/s。

根據(jù)牛頓第二定律：G-Fb-Fd-Fc=ma，可得a=g-(ρ/ρs)g-ξ(3ρu2/4dρs)-3ρuc2/4dρs。

2.2 粘塔分析

造粒塔粘塔的直接原因是硝酸銨顆粒沒有完全凝固就運(yùn)行至造粒塔塔壁和塔底。

2)從硝酸銨液滴(顆粒)的加速度公式可以看出，形成的硝酸銨液滴(顆粒)直徑越大，運(yùn)行時(shí)加速度就越大，下落時(shí)間就越短，越容易造成造粒塔粘塔；上吹風(fēng)力越大，其加速度越小，下落時(shí)間越長(zhǎng)，不容易造成造粒塔粘塔。

3)造粒硝酸銨溶液溫度越高，硝酸銨液滴本身含熱量越多，結(jié)晶越慢，越容易造成粘塔。

4)硝酸銨溶液濃度與溫度的關(guān)系如表1所示?？梢钥闯?，硝酸銨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，結(jié)晶溫度點(diǎn)越低，結(jié)晶越慢，越容易造成粘塔。

表1 硝酸銨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系

5)造粒噴頭孔徑越大，形成的硝酸銨液滴粒徑越大，硝酸銨下落速度就越快，并且直徑大的硝酸銨液滴本身含熱量多，降溫面積相對(duì)較小，因此造粒噴頭孔徑越大，越容易造成粘塔。

6)停一組噴頭時(shí)要用0.8 MPa蒸汽吹凈管線中的硝酸銨溶液，吹出的硝酸銨溶液速度大，吹出的硝酸銨溶液直接粘在塔壁上，因此噴頭開停頻繁容易造成粘塔。

3 采取措施

3.1 降低塔頂受槽液位

在滿足裝置負(fù)荷的前提下，將塔頂受槽液位由原來的80%降低至70%，以降低硝酸銨液滴(顆粒)水平分速度，減少造粒塔粘塔。

3.2 降低硝酸銨溶液溫度

生產(chǎn)硝酸銨產(chǎn)品時(shí)，在不影響造粒效果的前提下，將造粒硝酸銨溶液溫度由原來的162 ℃降低至157 ℃，以減少硝酸銨液滴本身的熱量，縮短凝固時(shí)間，減少粘塔。

3.3 提高造粒硝酸銨溶液濃度

硝酸銨產(chǎn)品是在多孔硝酸銨裝置上開發(fā)生產(chǎn)的，造粒硝酸銨溶液濃度按照生產(chǎn)多孔硝酸銨指標(biāo)控制在96%，由于生產(chǎn)硝酸銨產(chǎn)品不加添加劑，硝酸銨與多孔硝酸銨相比結(jié)晶速度慢，導(dǎo)致生產(chǎn)硝酸銨產(chǎn)品時(shí)，造粒塔粘塔嚴(yán)重。針對(duì)這種情況，生產(chǎn)硝酸銨產(chǎn)品時(shí)，將造粒溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從96%提高至97.5%，造粒硝酸銨溶液濃度提高后，造粒塔粘塔明顯減少，同時(shí)造粒塔底的落料由原來的2 t/d～3 t/d減少到1 t/d，并且工業(yè)硝酸銨產(chǎn)品的強(qiáng)度也明顯增高。

3.4 使用小孔徑的造粒噴片

原使用兩種孔徑的造粒噴片，一種是0.8 mm的噴片，一種是0.9 mm的噴片。由于工業(yè)硝酸銨不加添加劑，結(jié)晶較慢，粘塔嚴(yán)重，因此在生產(chǎn)工業(yè)硝酸銨時(shí)，優(yōu)先選用0.8 mm的噴片。

3.5 增大造粒引風(fēng)機(jī)頻率控制值

上吹風(fēng)力越大，硝酸銨液滴下降越慢、結(jié)晶越快，落至塔底的時(shí)間越長(zhǎng)，越不容易粘塔，夏季生產(chǎn)時(shí)將造粒引風(fēng)機(jī)頻率控制最高。

3.6 定期檢修造粒噴頭接口

如果造粒噴頭接口不處于水平狀態(tài)，造粒噴頭向造粒塔傾斜，硝酸銨溶液從噴頭噴出時(shí)的水平方向上的分速度增大，容易造成粘塔，鑒于這種情況，每年對(duì)造粒噴頭進(jìn)行接口檢修維護(hù)，使造粒噴頭處于垂直懸空狀態(tài)。

3.7 改造造粒噴頭

由于造粒噴頭設(shè)計(jì)不合理，只能整組(3個(gè)噴頭)開停，造成噴頭開停頻繁。針對(duì)這種情況，對(duì)造粒噴頭進(jìn)行了改造，中間一組噴頭由原來的一起控制改為單個(gè)控制，改造后減少了造粒噴頭開停次數(shù)。

4 實(shí)施效果

以上措施實(shí)施后，造粒塔粘塔情況明顯改善，因造粒塔粘塔造成的裝置停車次數(shù)和時(shí)間減少，裝置的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間由原來的10 d～15 d延長(zhǎng)至30 d～40 d，每年減少落料及粘塔硝酸銨約700 t，減少?gòu)U水排放約1 500 t，并且降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。