尿素裝置流化床造粒機(jī)運行周期短原因分析及處理

張 賀，孔祥瑩

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

0 引 言

中海石油華鶴煤化有限公司(簡稱華鶴煤化)520 kt/a尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦2000+TM工藝，大顆粒尿素造粒系統(tǒng)采用荷蘭荷豐流化床造粒機(jī)技術(shù)。流化床造粒機(jī)造粒與傳統(tǒng)造粒塔造粒相比，優(yōu)點主要是占地面積小、造價低，但普遍存在運行費用較高、運行周期短等問題。華鶴煤化尿素裝置自2015年投產(chǎn)以來，大顆粒尿素造粒機(jī)平均運行周期僅約25 d，在業(yè)內(nèi)處于較低水平，2021年1—9月大顆粒尿素造粒機(jī)平均運行周期相較于2020年更是呈明顯下降趨勢，平均運行周期僅約20 d，造粒系統(tǒng)運行周期亟待提升。

1 流化床造粒系統(tǒng)工藝流程簡介

蒸發(fā)系統(tǒng)送來的132～135 ℃、濃度約96%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的尿液在霧化空氣的作用下霧化為極細(xì)的小液滴，均勻地噴灑在流化空氣作用下呈流化狀態(tài)的晶種上面，通過累積方式使顆粒尿素長大，經(jīng)過一定的時間，顆粒尿素長至規(guī)定尺寸后，排至冷卻室冷卻后通過出料器排出。在篩分系統(tǒng)，安全篩篩出的粒徑≥13 mm的塊料送入回收槽用于再造粒，其余產(chǎn)品送至振動篩再次篩分——粒徑2.00～4.75 mm的顆粒尿素作為成品，送至包裝散庫；粒徑<2.00 mm的小顆粒與粒徑>4.75 mm的大顆粒經(jīng)破碎機(jī)破碎后作為晶種，返回造粒機(jī)。

流化床造粒機(jī)共分為3個隔室：第一室用來接受固體物料(細(xì)小顆粒和已破碎產(chǎn)品)并使晶種長大，第一室內(nèi)包含4組噴頭，每組噴頭為19個，共計76個噴頭；第二室與第三室使顆粒繼續(xù)長大至正常粒徑，第二室與第三室內(nèi)各包含3組噴頭，每組噴頭為20個，共計120個。

2 造粒機(jī)運行周期短問題

對造粒機(jī)進(jìn)行清洗是一項周期性工作，造粒機(jī)每運行一段時間后便會出現(xiàn)出料惡化(團(tuán)聚、結(jié)塊)的情況。2021年1—9月，華鶴煤化造粒機(jī)平均運行周期僅為20 d左右，最短運行周期為3 d、最長為32 d，造粒機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運行時間縮短、清洗頻次增加給圓滿完成全年生產(chǎn)任務(wù)帶來巨大的壓力；另外，清洗造粒機(jī)會耗費大量的人力與時間，清洗造粒機(jī)時尿液轉(zhuǎn)循環(huán)，大量尿液重復(fù)蒸發(fā)，導(dǎo)致尿素成品縮二脲含量增高，成品質(zhì)量控制難度增大，且清洗造粒機(jī)時高壓系統(tǒng)減負(fù)荷操作，導(dǎo)致裝置能耗增加。因此，延長造粒機(jī)運行周期、減少造粒機(jī)清洗頻次是一項勢在必行的攻堅任務(wù)[1]。

3 原因分析

從物料、工藝、設(shè)備三方面，利用親和圖對造粒機(jī)運行周期短問題的分析方向進(jìn)行梳理，造粒機(jī)出料惡化(團(tuán)聚、結(jié)塊)可能的影響因素如圖1所示。主要原因的排查與確認(rèn)過程如下。

圖1 造粒機(jī)出料惡化問題分析思路(親和圖)

3.1 物料方面的原因排查

造粒機(jī)出料惡化，物料方面的原因主要包括尿液濃度低、尿液中縮二脲含量過高、甲醛加入量過大、返回造粒機(jī)內(nèi)晶種(破碎機(jī)破碎后的物料與小顆粒物料)粒度過大等。通過對出料惡化時進(jìn)入造粒機(jī)各物料參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，與設(shè)計值進(jìn)行對比，尋找偏離較大的參數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果見表1?？梢钥闯觯谠炝C(jī)出料惡化階段，除尿液中縮二脲含量超出設(shè)計值外，其余各項物料指標(biāo)與設(shè)計值基本吻合，即物料方面造成出料惡化的主要原因為尿液中縮二脲含量超標(biāo)。

表1 出料惡化階段造粒機(jī)進(jìn)料參數(shù)控制情況統(tǒng)計

注：濃度或含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

縮二脲的熔點較高，在185～190 ℃，造粒系統(tǒng)入口尿液溫度約130 ℃，縮二脲在其中不會熔化；同時，縮二脲在尿液中不易溶解，在熔融尿液中呈固態(tài)。尿液輸送過程中，縮二脲易堵塞去造粒尿液管線濾網(wǎng)，造成造粒噴頭壓力不足，或固態(tài)縮二脲穿過濾網(wǎng)繼而堵塞噴頭，影響尿液噴淋形態(tài)；此外，成品尿素縮二脲含量高，會對作物造成傷害，如燒苗、燒根、抑制種子發(fā)芽等。因此，控制好尿液中的縮二脲含量，可有效避免因尿液噴頭噴淋狀態(tài)不好造成的尿素結(jié)塊，從而可延長造粒機(jī)的運行周期。

3.2 工藝方面的原因排查

造粒機(jī)出料惡化，工藝方面的因素主要包括霧化空氣溫度過高、流化空氣量不足、造粒機(jī)內(nèi)溫度控制過高、造粒機(jī)內(nèi)料位及溫度控制不當(dāng)、造粒機(jī)產(chǎn)生粉塵量太大等。通過對出料惡化時造粒系統(tǒng)各工藝參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，與設(shè)計值進(jìn)行對比，尋找偏離較大的參數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果見表2[2]。可以看出，除解吸水加入量較設(shè)計值高50%左右，其他工藝參數(shù)與設(shè)計值基本吻合，故可排除其他工藝因素的影響，著重對解吸水加入量偏大進(jìn)行分析。

表2 出料惡化階段造粒系統(tǒng)工藝參數(shù)控制情況統(tǒng)計

經(jīng)分析，解吸水加入量偏大的主要原因在于造粒機(jī)內(nèi)粉塵量大，為維持造粒機(jī)洗滌器內(nèi)尿液密度，需加大外部加水量進(jìn)行稀釋。造粒機(jī)運行過程中，不可避免地會形成大量粉塵，粉塵由造粒機(jī)洗滌器抽風(fēng)機(jī)(J07007)抽至造粒機(jī)洗滌器，用濃度約45%的尿液洗滌溶解并回收至地槽，再由地槽泵送至尿液儲槽(V06302)，繼而進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)提濃后重新造粒，如果造粒機(jī)內(nèi)粉塵量過大，粉塵會附著在造粒機(jī)內(nèi)壁上，形成大面積粉塵結(jié)塊[3]，一旦較大結(jié)塊從壁上墜落，不能被流化空氣托起隨尿素顆粒進(jìn)行運動，會壓住噴頭，導(dǎo)致部分區(qū)域尿液不能噴灑在晶種上而出現(xiàn)積聚現(xiàn)象，在多孔板上堆起“小山”，從而導(dǎo)致造粒機(jī)出料惡化。

3.3 設(shè)備方面的原因排查

造粒機(jī)出料惡化，設(shè)備方面的因素主要有以下兩方面：一是噴頭噴淋形態(tài)不好——噴頭正常情況下噴淋形態(tài)應(yīng)為橢圓形，噴頭孔徑變大后，噴頭噴淋形態(tài)發(fā)生變化，霧化效果變差，尿液不能霧化為微小的液滴，而是形成大液滴，將周圍尿素顆粒粘結(jié)在一起形成大塊；二是造粒機(jī)內(nèi)尿素顆粒的流化狀態(tài)差——由于多孔板破損、堵塞等原因，流化空氣不能均勻地分布在造粒機(jī)的每一處空間，導(dǎo)致顆粒不能良好流化，出現(xiàn)團(tuán)聚、結(jié)塊等現(xiàn)象?？梢?，需對造粒機(jī)內(nèi)主要構(gòu)件——噴頭、多孔板、尿液管線等進(jìn)行排查[4]。

3.3.1 噴頭排查

選取造粒機(jī)內(nèi)196個噴頭中的10個噴頭切割進(jìn)行抽樣檢查，與新噴頭對比，噴頭孔徑已有明顯區(qū)別——差值在0.24～0.86 mm之間，偏差均值為0.56 mm。

噴頭中包含噴帽和轉(zhuǎn)子，噴頭工作中，在具一定壓力尿液的沖擊下，轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動，從噴頭口噴淋出橢圓形液膜，噴頭孔徑會因長期沖刷而逐漸變大，在噴頭壓力不變的情況下，噴頭噴淋形態(tài)發(fā)生改變，噴淋高度降低，液膜變厚，此種情況下，霧化空氣不能有效地將尿液霧化為微小液滴，從而對尿素造粒造成負(fù)面影響。簡言之，噴頭在尿液長期的高壓沖刷下其孔徑逐漸變大，是設(shè)備方面導(dǎo)致造粒機(jī)出料惡化的主要因素。

3.3.2 多孔板排查

多孔板的主要作用為均勻分布流化空氣，使固體顆粒處于懸浮狀態(tài)，靜止?fàn)顟B(tài)時承受尿素顆粒的重量。多孔板上直徑2 mm的小孔是由沖壓得來的，并形成一個向前凸起的邊緣，以給固體顆粒一個向前的推動力，便于排料。檢查發(fā)現(xiàn)，多孔板無大面積損壞或堵塞，只有幾處輕微破損，經(jīng)多名技術(shù)人員反復(fù)衡量確認(rèn)，判斷多孔板不會對造粒機(jī)的運行狀況造成影響[4]。

3.3.3 尿液管線排查

在造粒機(jī)多孔板上發(fā)現(xiàn)大量結(jié)疤尿素，經(jīng)分析，可能是尿液管線泄漏，泄漏尿液在流化空氣的作用下吹至多孔板上，造成多孔板上形成尿素結(jié)疤而致堵塞；接著對造粒機(jī)下箱體中尿液輸送管線進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)第三室第10組噴頭所屬尿液管線泄漏十分嚴(yán)重，已嚴(yán)重堵塞第三室流化空氣通道。簡言之，造粒機(jī)出料惡化設(shè)備方面的另一主要原因是尿液管線存在泄漏。

4 優(yōu)化/處理措施

4.1 降低尿液中縮二脲含量

造粒機(jī)出料惡化時，取樣分析池式反應(yīng)器下液、CO2汽提塔下液、精餾塔下液、尿液槽尿液、蒸發(fā)系統(tǒng)出液中縮二脲含量分別為0.18%、0.43%、0.51%、0.58%、0.99%。可以看出，縮二脲在汽提塔與蒸發(fā)系統(tǒng)中形成較多。

華鶴煤化CO2汽提法尿素裝置中，汽提塔內(nèi)溫度較高，其出液溫度控制在168～173 ℃，通過CO2汽提池式反應(yīng)器出液中的NH3，液相中氨濃度、氣相中氨分壓較低，汽提塔內(nèi)工況非常適合縮二脲的生成。因此，控制好汽提塔出液溫度，避免汽提塔出液超溫能有效控制縮二脲的產(chǎn)生，并控制好汽提塔液位，減少尿液在汽提塔內(nèi)的停留時間，可減少縮二脲的生成。經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn)，汽提塔液位控制在50%左右減少縮二脲生成效果最佳。

華鶴煤化尿素裝置尿液蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)系統(tǒng)溫度高(熔融尿液溫度超過130 ℃，縮二脲產(chǎn)生較多)、尿液濃度高、氨分壓低，最容易生成縮二脲。于是，控制二段蒸發(fā)器下液溫度在130 ℃左右，并控制二段蒸發(fā)分離器內(nèi)較低液位(可避免尿液在其中停留時間過長)，尿素蒸發(fā)系統(tǒng)出液縮二脲含量降至0.76%左右。

4.2 減少造粒機(jī)內(nèi)粉塵產(chǎn)生量

(1)控制甲醛加入量。甲醛作為生產(chǎn)大顆粒尿素的添加劑，具有抑制粉塵產(chǎn)生的作用。華鶴煤化采用UF系統(tǒng)控制甲醛加入，甲醛溶液通過甲醛計量泵計量后，與尿素熔融泵出口的一股尿液匯合進(jìn)入脲醛反應(yīng)器底部，在堿性條件下進(jìn)行充分反應(yīng)，聚合物再由溢流管線匯入尿素熔融泵入口，一同送入造粒系統(tǒng)。華鶴煤化地處黑龍江鶴崗市，冬季氣溫較低，UF系統(tǒng)各條管線易發(fā)生凍堵，工作人員巡檢過程中應(yīng)多注意觀察，一旦發(fā)現(xiàn)甲醛加入量下降應(yīng)立即處理，避免長時間甲醛加入量不足。

(2)控制尿液濃度。尿液濃度越低，造粒機(jī)內(nèi)粉塵量越多?？赏ㄟ^控制蒸發(fā)系統(tǒng)真空度和蒸發(fā)下液溫度來達(dá)到控制尿液濃度的目的。正常生產(chǎn)時，華鶴煤化將一段蒸發(fā)真空度控制在約-70 kPa、一段出液溫度控制在125～127 ℃、二段蒸發(fā)真空度控制在約-82 kPa、二段出液溫度控制在130 ℃左右，波動較小，可將尿液濃度控制在(96±0.2)%，本參數(shù)控制較好。

(3)控制造粒機(jī)料位。造粒機(jī)料位控制越低，造粒機(jī)內(nèi)尿素顆粒受流化空氣作用其起伏越大，尿素顆粒相互碰撞作用越強(qiáng)，越易產(chǎn)生粉塵；但造粒機(jī)料位控制過高，又會導(dǎo)致造粒機(jī)內(nèi)尿素顆粒流化狀態(tài)差，影響造粒機(jī)出料。目前，華鶴煤化將造粒機(jī)內(nèi)料位控制在60%左右，粉塵產(chǎn)生量最少。

4.3 處理孔徑變大的噴頭

針對噴頭孔徑變大問題，最有效的處理方式為更換造粒機(jī)內(nèi)全部噴頭，但華鶴煤化尿液噴頭均為國外進(jìn)口，196個噴頭全部更換，成本較高，目前正在積極尋求能夠滿足生產(chǎn)所需的國內(nèi)噴頭生產(chǎn)廠家，盡快實現(xiàn)主要備件的國產(chǎn)化。與此同時，為滿足生產(chǎn)需求，提出提高噴頭壓力與霧化空氣壓力的臨時調(diào)控措施——將噴頭壓力提至450 kPa，以提升噴淋高度至正常值；將霧化空氣壓力提至480～500 kPa，以使尿液得到充分霧化。此兩項臨時調(diào)控措施落實后，造粒工況得到改善。華鶴煤化已將噴頭更換列入2022年度檢修計劃，以徹底解決噴頭孔徑變大的問題。

4.4 處理泄漏的尿液管線

造粒機(jī)下箱體中尿液管線分為水平總管與垂直支管兩部分，一組噴頭包括2根尿液總管，1根尿液總管上均布9～10根尿液支管，每根支管上方接噴頭，尿液噴頭外部被霧化空氣包裹。

華鶴煤化采取補(bǔ)焊的方式處理尿液管線漏點，其難點在于漏點的確認(rèn)。將霧化空氣管切除，使整個尿液管線裸露出來，利用噴頭吹掃蒸汽進(jìn)行查漏——將噴頭用特制堵頭封堵，留出最外側(cè)2個噴頭用于流通，將蒸汽壓力提升至正常工況下的壓力，保壓10 min，對尿液管線進(jìn)行排查，最終確認(rèn)尿液管線漏點在尿液管線與霧化空氣管線接觸的角焊層處。對漏點進(jìn)行補(bǔ)焊，再查漏確認(rèn)無泄漏后，成功處理了該漏點[5]。

5 結(jié)束語

華鶴煤化針對造粒機(jī)運行周期短、造粒機(jī)清洗頻次高的問題，從物料、工藝、設(shè)備等三方面進(jìn)行分析與排查，確定主要影響因素，并提出相應(yīng)的解決措施。2021年10月，上述優(yōu)化/處理措施全部落實后，華鶴煤化造粒機(jī)出料惡化現(xiàn)象得到有效緩解，造粒機(jī)運行周期得以延長——由平均20 d左右延長至40 d左右，有效降低了員工勞動強(qiáng)度、提升了裝置運行效能，為企業(yè)完成年度生產(chǎn)任務(wù)打下了堅實的基礎(chǔ)，并為日后類似問題的處理積累了經(jīng)驗。