浅析声振型造粒喷头的优势及应用前景

陈 虎 梁海云

中国五环工程有限公司 武汉 430223

浅析声振型造粒喷头的优势及应用前景

陈 虎*梁海云

中国五环工程有限公司 武汉 430223

分析声振型造粒喷头的结构特点及工作原理，重点探讨声振型造粒喷头的优点、应用前景及发展方向，为尿素造粒喷头的研究提供一个思考方向。

声振型造粒喷头 尿素粉尘 粒度均匀

造粒喷头作为造粒塔装置的关键部件，直接影响尿素颗粒的大小、粉尘含量以及产品质量，开发研究新型造粒喷头是尿素装置生产技术进步的方向之一。目前国内小颗粒尿素造粒主要使用的造粒喷头为旋转型造粒喷头，在长期使用的过程中出现了一些问题，例如：环境污染大、粉尘多、更换检修麻烦，尿素颗粒不均匀等，降低了国内尿素产品的竞争力。在新型造粒喷头的研制上，日本东洋公司的声振型造粒喷头具有有效控制喷洒半径、实现自动调节、粉尘少、颗粒均匀等特点，运用于国际项目特别是东南亚的一些企业，效果良好。笔者认为这种喷头具有广阔的发展前景，值得国内设计公司借鉴。

1 喷头的特点及设计优点

声振型造粒喷头体积较小，布置方便，一般采用多喷头布置，具体喷头见图1。

图1 声振型造粒喷头

其工作原理主要是在喷头内部设置一个振动板，当尿液滴向振动板时产生的声波在振动板周围形成一个谐振器，发出一定频率的声波作用于球弧形液面上，在声波能量以及尿液自重的共同作用下，使得熔融尿液脱离喷孔下落。这种造粒方式类似于吊点滴，液滴是间断产生的，形成的尿素颗粒也比较均匀[1]。相较于旋转式喷头，声振型喷头有以下优势：

(1)尿液颗粒下降时受力较小，避免尿液附着塔壁，仅受到自身重力和声波压力，下落时速度分别为V1和V2，图2为声振型喷头尿液喷出示意图。喷头底部弧度很大，V1与V2之间的夹角很小，近似于垂直向下。这种造粒方式大幅减少了旋转喷头转速不均匀造成尿液附着塔壁的情况，避免了尿液附着塔壁结块造成的不安全因素。

图2 声振型喷头尿液喷出

(2)采用集中多点喷洒，充分利用造粒塔空间，减少塔内径，声振型造粒喷头体积小，一般采用多点布置，以圆形造粒塔为例，将造粒区域集中在造粒塔中心，其喷头分布见图3。可以保证在有效的空间内尽可能多地造粒，实现生产规模的最大化。对于生产负荷不同的项目，可依据单个喷头的生产能力选择合适数目的喷头以满足生产要求。

某项目采用TOYO技术，造粒喷头采用环形布置，尿素装置生产能力为1725t/d，只需布置9个声振型喷头，造粒塔内径仅需14.5m即可满足生产要求。同样生产能力的情况下，采用旋转式喷头时需要的造粒塔内径为20～22m。相比之下，声振型喷头可以大幅减少造粒塔截面积，减少占地。

图3 喷头分布(圆塔)

(3)便于维修，安全性能高，喷头的检修、清洗可以逐个进行，不影响其他喷头的正常工作。尿液槽与喷头之间设置三通阀进行切断和调节，减少了检修喷头时尿液溢出造成的烫伤，提升了检修、清洗喷头的安全性。同时，喷头检修不致生产能力下降，以生产能力为1725t/d的尿素装置，9喷头为例，在一个喷头处于检修状态无法工作的情况下：

1725÷24÷8=8.98 t/h

其结果小于9t/h的生产能力。

此时，通过三通阀调节喷头流量，保证单个喷头在检修时尿素生产能力不下降，最大程度上实现尿素的连续生产。

(4) 粒度均匀，粉尘少，声振型造粒喷头使尿液在造粒塔内均匀分布，尿液散热效果好，尿素颗粒强度高，可达7.5N以上。在塔底增加强制通风装置，可大幅降低尿素下落时的高度，避免了尿液自降高度过高产生大量粉尘的问题。同时在造粒塔塔顶设置粉尘回收装置，可将排放气体中的粉尘含量降至50ppm以下，满足环保要求的同时提高粉尘回收率。

经实验测试，声振造粒喷头生产的尿素颗粒均匀度高，相较于国际先进的Tuttle喷头[2]造粒有一定优势。

图4为同样在ACES工艺中运用时两种喷头生产尿素颗粒粒径分布图。声振型喷头在造粒过程中尿素颗粒大小均匀，颗粒主要集中在1.0mm～2.4mm之间，占到整个尿素产品的96%以上。

(5)自动适应负荷变化，声振型造粒喷头生产的尿素粒径与喷孔直径有关，喷孔直径确认，尿素颗粒大小随之确定。声振型喷头的生产负荷和振动频率成正比，当频率变高时，可以加快尿液喷洒速度，提高产量；当频率降低时，尿液喷洒速度减慢，产量降低，依据尿液量的变化自动调节生产负荷。

图4 两种喷头粒子粒径分布图比较

(6)能耗低、所需配套设备少，声振型造粒喷头避免了传统造粒喷头装置需要设置旋转装置的问题，尿液依靠自重和声波能量下降，不需外加能耗，在一定程度上节省装置电耗，降低成本。

2 声振型喷头的改进方向

2.1 加大喷孔孔径

目前声振型喷头主要生产粒径为1.0mm～2.4mm的尿素产品，用做农业肥料。尿素颗粒的大小与喷孔孔径成正比，增大声振型造粒喷头的喷孔尺寸，尿素颗粒也随之变大。在现有声振型造粒喷头的基础上增大喷孔尺寸，将尿素粒径大小调整为2mm～3mm乃至更大颗粒，提升肥料利用率的同时增加肥料的用途，提升产品竞争力。

2.2 添加可调频率声波装置

声振型造粒喷头尿液的流出是在振动板产生的声波以及尿液自身重力作用下共同完成的。波的能量受到尿液槽到造粒喷头高差的影响，高差过小，会导致熔融尿液难以从喷孔流出。在声振式造粒喷头内部布置一个可调声波波源，装置生产负荷变化时，波纹强度随之调整，保证造粒喷头能均匀喷洒；同时避免生产较大颗粒尿素时需要过大的波形能量而导致尿液槽与喷头之间高差过大的问题，节省布置空间。

3 应用前景

综上所述，声振型造粒喷头在尿素造粒技术上有一定的优势和发展空间。

(1)可以利用其喷洒均匀度好、塔径利用率高的特点进行老厂改造。国内大多数尿素生产厂家都存在尿素质量差、产能低等缺点，面临日趋激烈的尿素市场失去了竞争优势，改造迫在眉睫。以声振型喷头代替旋转式喷头进行造粒，在保证尿素颗粒均匀度的情况下充分利用造粒塔空间，可提升尿素产品质量和尿液利用率，降低生产成本。

(2)利用声振型造粒喷头污染低的特点将其运用于新厂，从源头上控制尿素粉尘，降低尿素粉尘污染，有利于环境保护。推广新造粒技术减少污染。

(3)国内尿素造粒以旋转造粒喷头为主，加强对新型造粒技术的研究，利于开拓市场。

4 结语

虽然声振型造粒喷头的使用还不及旋转型造粒喷头普遍，但发展速度快，特别在印尼、印度、伊朗等国家得到好很好的应用，生产规模由年产几十万吨到百万吨以上不等。业主反映，在长期实用过程中，喷头造粒稳定，产品具有颗粒均匀、强度高、粉尘少等特点。造粒喷头的优劣最终是靠尿素产品质量决定的，国内设计行业可以以此为契机对造粒喷头进行改进或者再创造，提升造粒技术，促进企业发展。

1 王文善. 尿素工学(第二版)[M].北京：化学工业出版社，2012：230.

2 韩文龙，董睿敏，刘 刚.Tuttle造粒喷头在ACES尿素装置中的应用[J]. 西北煤化工，2014，(2)：28.

2017-01-15)

*陈 虎：助理工程师。2014年毕业于武汉理工大学材料加工成型专业获硕士学位。从事管道设计布置工作。联系电话：15827527319 ， E-mail：chenhu@cwcec.com。