硝酸铵造粒塔粘塔原因分析及对策

李 勇

(天脊煤化工集团有限公司，山西 潞城 047507)

引 言

天脊集团硝酸铵装置引进法国K-T专利技术，采用管式反应器法、塔式造粒法生产硝酸铵、多孔粒状硝酸铵、硝酸铵溶液产品，单套装置生产能力为20万t/a。硝酸铵造粒塔有效高度39.164 m、内径7 m，由于造粒塔内径偏小，造粒塔粘塔严重，每月需要停车清洗2次～3次，每次消耗消防水约80 t，清洗后的废硝酸铵溶液送至公司硝酸磷肥装置回收利用。造粒塔粘塔严重不仅制约了装置的连续运行周期，也给硝酸磷肥装置废水回收带来了压力。

1 硝酸铵造粒原理

96%的硝酸铵溶液由熔融泵打至塔顶受槽，然后进入造粒喷头，物料在静压作用下从39.164 m处的造粒喷头喷出，物料向下降落，与上升的空气逆流接触冷却结晶，形成颗粒。造粒过程可分为3个阶段：第一阶段，硝酸铵溶液流出喷头，成线状抛物线向下降落；第二阶段，线状溶液断裂，在表面张力的作用下形成球状液滴；第三阶段，球状液滴逐渐凝固成固体颗粒，颗粒逐渐降温，最终落至塔底皮带上[1]。如图1所示。

图1 硝酸铵溶液造粒过程

2 硝酸铵造粒塔粘塔严重的原因分析

2.1 硝酸铵液滴(颗粒)运行分析

液滴开始下落时，其加速度具有最大值，当速度不断增加到某一数值时，阻力、上吹风力、浮力、重力达到平衡，这时颗粒开始做匀速下降运动[2]。硝酸铵液滴受力分析如图2所示。

图2 硝酸铵液滴受力

根据图2液滴的受力情况列出式(1)～式(2)和第86页式(3)～式(4)关系式。

G=mg=(π/6)d3ρsg

(1)

Fb=(m/ρs)ρg

(2)

Fd=ξA(ρu2/2)

(3)

Fc=Auc2ρ/2

(4)

式中，G为重力，N；d为硝酸铵小液滴的直径，m；ρs为硝酸铵小液滴的密度，kg/m3；Fb为浮力，N；ρ为空气密度，kg/m3；Fd为阻力，N；ξ为曳力系数，ξ=18.5/Rep0.6；Rep为硝酸铵小液滴在空气中的雷诺系数，Rep=duρ/μ；μ为空气黏度，Pa·s；A为颗粒面积，A=πd2/4，m2；u为颗粒飞行速度，m/s；Fc为上吹风力，N；uc为上吹风力速度，m/s。

根据牛顿第二定律：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铵颗粒没有完全凝固就运行至造粒塔塔壁和塔底。

2)从硝酸铵液滴(颗粒)的加速度公式可以看出，形成的硝酸铵液滴(颗粒)直径越大，运行时加速度就越大，下落时间就越短，越容易造成造粒塔粘塔；上吹风力越大，其加速度越小，下落时间越长，不容易造成造粒塔粘塔。

3)造粒硝酸铵溶液温度越高，硝酸铵液滴本身含热量越多，结晶越慢，越容易造成粘塔。

4)硝酸铵溶液浓度与温度的关系如表1所示。可以看出，硝酸铵溶液质量分数越低，结晶温度点越低，结晶越慢，越容易造成粘塔。

表1 硝酸铵溶液质量分数与温度的关系

5)造粒喷头孔径越大，形成的硝酸铵液滴粒径越大，硝酸铵下落速度就越快，并且直径大的硝酸铵液滴本身含热量多，降温面积相对较小，因此造粒喷头孔径越大，越容易造成粘塔。

6)停一组喷头时要用0.8 MPa蒸汽吹净管线中的硝酸铵溶液，吹出的硝酸铵溶液速度大，吹出的硝酸铵溶液直接粘在塔壁上，因此喷头开停频繁容易造成粘塔。

3 采取措施

3.1 降低塔顶受槽液位

在满足装置负荷的前提下，将塔顶受槽液位由原来的80%降低至70%，以降低硝酸铵液滴(颗粒)水平分速度，减少造粒塔粘塔。

3.2 降低硝酸铵溶液温度

生产硝酸铵产品时，在不影响造粒效果的前提下，将造粒硝酸铵溶液温度由原来的162 ℃降低至157 ℃，以减少硝酸铵液滴本身的热量，缩短凝固时间，减少粘塔。

3.3 提高造粒硝酸铵溶液浓度

硝酸铵产品是在多孔硝酸铵装置上开发生产的，造粒硝酸铵溶液浓度按照生产多孔硝酸铵指标控制在96%，由于生产硝酸铵产品不加添加剂，硝酸铵与多孔硝酸铵相比结晶速度慢，导致生产硝酸铵产品时，造粒塔粘塔严重。针对这种情况，生产硝酸铵产品时，将造粒溶液质量分数从96%提高至97.5%，造粒硝酸铵溶液浓度提高后，造粒塔粘塔明显减少，同时造粒塔底的落料由原来的2 t/d～3 t/d减少到1 t/d，并且工业硝酸铵产品的强度也明显增高。

3.4 使用小孔径的造粒喷片

原使用两种孔径的造粒喷片，一种是0.8 mm的喷片，一种是0.9 mm的喷片。由于工业硝酸铵不加添加剂，结晶较慢，粘塔严重，因此在生产工业硝酸铵时，优先选用0.8 mm的喷片。

3.5 增大造粒引风机频率控制值

上吹风力越大，硝酸铵液滴下降越慢、结晶越快，落至塔底的时间越长，越不容易粘塔，夏季生产时将造粒引风机频率控制最高。

3.6 定期检修造粒喷头接口

如果造粒喷头接口不处于水平状态，造粒喷头向造粒塔倾斜，硝酸铵溶液从喷头喷出时的水平方向上的分速度增大，容易造成粘塔，鉴于这种情况，每年对造粒喷头进行接口检修维护，使造粒喷头处于垂直悬空状态。

3.7 改造造粒喷头

由于造粒喷头设计不合理，只能整组(3个喷头)开停，造成喷头开停频繁。针对这种情况，对造粒喷头进行了改造，中间一组喷头由原来的一起控制改为单个控制，改造后减少了造粒喷头开停次数。

4 实施效果

以上措施实施后，造粒塔粘塔情况明显改善，因造粒塔粘塔造成的装置停车次数和时间减少，装置的连续运行时间由原来的10 d～15 d延长至30 d～40 d，每年减少落料及粘塔硝酸铵约700 t，减少废水排放约1 500 t，并且降低了工人的劳动强度，具有很好的经济效益和社会效益。