尿素造粒塔粉尘治理工艺比较

张 军,包鹏飞

(山东华鲁恒升化工股份有限公司， 山东德州 253000)

山东华鲁恒升化工股份有限公司(简称华鲁恒升)目前在运行尿素装置包括2套50万t/a二氧化碳汽提工艺尿素装置，1套100万t/a二氧化碳汽提工艺尿素装置，尿素产能达到200万t/a以上。近年来，国家加强对大气污染的治理力度，其中尤以针对尾气排放的要求最为严格。为了应对尿素造粒塔尾气排放带来的严峻环保压力，华鲁恒升在造粒塔粉尘治理上投入大量的人力物力，其中包括简单水洗除尘、多级水洗除尘、干式滤袋除尘等技术改造，对造粒塔的尾气粉尘治理都取得了一定的效果。笔者针对以上几种造粒塔粉尘治理装置进行总结和对比分析，为造粒塔尾气粉尘治理工艺的选择提供参考。

1 造粒塔放空气中粉尘产生的机理

尿素生产中，造粒塔普遍采用的是圆柱形高大混凝土构筑物，位于造粒塔顶中央的造粒喷头喷洒尿素熔融物料，经自然通风降温而形成尿素颗粒产品[1]。在造粒和尿素结晶形成颗粒的过程中,由于诸多化学和机械因素的影响形成了大量的尿素粉尘，不但损失了尿素产量，同时对周边环境造成了严重的污染。造粒塔放空气中粉尘的产生主要有以下几个原因：

(1) 当尿液中的易挥发组分(如水分、游离氨、甲醇等)含量超标时，它们会从尿素颗粒内部向外部蒸发，造成尿素颗粒的破裂或空心，从而产生不规则的尿素粉尘[2]。

(2) 造粒过程中尿液离开造粒喷头后，由于其本身的向下运动和与塔内上行的冷空气接触，使尿液柱断裂，形成长度不等的液柱短节，尿液柱短节在表面张力的作用下，形成近似于球形的尿素颗粒。尿素液柱断裂具有随机性，必然会形成一部分细小的尿素颗粒和粉尘，当上升的空气速度大于这些粒子的悬浮速度时，细小的尿素颗粒和粉尘就会随上升空气一同排出塔外。

(3) 造粒喷头上开有许多规则的圆形小孔，如果尿液系统中有杂质，如金属碎片、毛刺、密封填料碎片等，会堵塞喷头小孔，造成小孔通道的不规则，极易产生粉尘。

(4) 造粒器的工作稳定性也是影响粉尘产生的重要因素，如果造粒器的轴弯曲或有摆动、振动等现象，会造成尿液出现不规则运动，使尿素颗粒发生碰撞形成粉尘。

(5) 造粒塔通风发生偏流会造成尿素颗粒的运行轨迹发生变化，粒子相互碰撞后破损产生粉尘,有时还会导致颗粒粘连，形成不规则的颗粒。

2 造粒塔除尘治理工艺

随着国家环保治理越来越严格的形势，造粒塔尾气的排放质量浓度限值为≤10 mg/m3[3]。在无粉尘回收装置的造粒塔尾气中尿素粉尘质量浓度为120～180 mg/m3，远远超出国家制定的标准。为此国内企业逐步开发出各种针对造粒塔尾气粉尘排放的治理工艺，经过20年的发展，相应的粉尘治理技术也有了很大的进步，从初期的简单水洗工艺逐步发展到干式滤袋除尘技术，造粒塔粉尘治理效果显著提升，尾气的感官效果改善明显。目前国内在用的造粒塔除尘技术有水洗除尘工艺和干式滤袋除尘工艺。

2.1 水洗除尘工艺

2.1.1 简单水洗除尘技术

在2000年后，由于国家环保检查的强制性要求，催生了造粒塔粉尘治理技术的发展，受当时技术水平和施工能力的限制，简单水洗除尘装置主要是在造粒塔顶部安装一个钢结构筒体装置，用于收集造粒塔的尾气(见图1)。在钢结构内部均布一层或多层向上和向下的喷淋喷头，在喷头下方设置一层用于粉尘吸收的填料板或收水器，并且保证足够的通风量，防止造粒塔过高的落料温度。在造粒间设置洗涤槽和洗涤泵，通过泵将洗涤液循环使用，将造粒塔尾气中的粉尘在填料段捕集下来，达到降低尾气中粉尘浓度的目的。2007年华鲁恒升自主设计安装2台造粒塔水洗除尘装置，但经过运行发现该装置存在填料阻力大、喷淋洗涤效果差的问题，实际运行效果并不理想。

图1 简单水洗除尘工艺主要结构

2.1.2 强制通风多级水洗除尘技术

为了克服填料阻力、解决造粒塔通风量、改善除尘装置洗涤效果，经过不断地摸索和试验，部分环保公司推出了强制通风多级水洗除尘技术。

强制通风多级水洗除尘工艺装置主要结构仍是在造粒塔顶安装钢结构筒体收集尾气，并在其顶部安装多台轴流风机，从而克服多级填料层造成的阻力，保证造粒塔足够的通风量(见图2)。在钢结构内部不同高度位置安装多层高效的专用填料，顶部安装除沫填料层，在增大洗涤面积、提高洗涤效果、减少流通阻力、降低填料质量等方面都有很好的效果。每层填料上方都配有喷淋装置，达到多级洗涤的目的。洗涤液循环系统仍沿用早期的洗涤槽、洗涤泵设计，但洗涤液量有了较大增加，有利于提高洗涤效果。

图2 强制通风多级水洗除尘工艺主要结构

目前强制通风多级水洗除尘技术在国内应用较多，华鲁恒升在2017年完成2台造粒塔的强制通风多级水洗除尘技术改造，洗涤后尾气排放质量浓度达到30 mg/m3左右。但由于需要大量的水洗涤，造成排放的尾气相对湿度较高，现场感官效果较差。从2018年开始京津冀及周边地区高塔尾气排放质量浓度指标已经提高至≤10 mg/m3，现有的水洗工艺已不能满足国家越来越严格的排放指标。

2.2 干式滤袋除尘工艺

由于水洗除尘工艺的除尘效果不理想，现场感官效果差，尿素企业仍面临巨大的环保压力。国内的环保公司又针对造粒塔尾气研发了干式滤袋除尘技术，即用特殊材料的滤袋过滤造粒塔尾气，这种滤袋可以保证将大量的尿素粉尘捕集起来，再通过喷吹系统保证滤袋的连续运行。目前国内已有多家公司实施了干式滤袋除尘改造，华鲁恒升于2019年完成了1台造粒塔的干式滤袋除尘工艺技术改造，除尘效果较好，现场感官效果良好，但也存在影响运行周期和通风量的问题。

图3为干式滤袋除尘工艺主要结构。在造粒塔顶部安装钢结构筒体，收集造粒塔的尾气，在筒体内安装足够长度和数量的特殊材质滤袋，用以过滤尾气中的尿素粉尘，同时保证造粒塔的通风面积。排气采用强制通风模式，早期使用大流量的离心风机，由于现场空间的制约，后期逐步改为顶部带变频的轴流风机。为提高喷吹效率，将早期塔顶四分区设计改八分区，不仅方便检修，而且可以通过程序将单个分区风机定时降频进行喷吹，从而提高滤袋表面粉尘的分离效果，延长滤袋的使用周期。

图3 干式滤袋除尘工艺主要结构

3 工艺对比分析

华鲁恒升现有的3套造粒塔除尘装置，1#造粒塔采用上海境业环保的干式滤袋除尘工艺，2#造粒塔采用福建龙净环保的干式滤袋除尘工艺，3#造粒塔采用五环设计院的水洗除尘工艺。将3套造粒塔除尘装置的实际运行情况进行对比，结果见表1。

由表1可以看出干式滤袋除尘工艺和水洗除尘工艺的差别：

(1) 从除尘效果来看，2种除尘工艺第三方检测尾气中的颗粒物质量浓度差别不大，都能满足环保要求，并且远低于10 mg/m3的指标。

(2) 干式滤袋除尘工艺处理尾气效果较好，造粒塔塔顶看不到尾气。而采用水洗除尘工艺的造粒塔拖尾明显，在晴朗天气条件下尤为严重，往往会成为外界投诉的重点部位，给企业带来较大影响。

(3) 干式滤袋除尘技术由于滤袋自身存在阻力，并且运行后阻力逐步增加，造成造粒塔的实际通风量越来越小，远远小于设计值，设计厂家后期也采取了多种措施，仍不能有效解决造粒塔通风量小的问题，造成造粒塔落料温度偏高。为控制落料温度，不得不减负荷运行;同时,减负荷运行对刮料机和尿素质量都有影响，使企业的经济效益受损。采用强制通风多级水洗除尘技术由于风机设计余量大，优化了填料层的阻力，基本不存在影响落料温度的问题。

(4) 在运行成本上，由于干式滤袋除尘技术采用的风机设计压力较高、功率偏大、数量较多，造成能耗偏高，并且定期更换滤袋的费用也不低。水洗除尘装置的水消耗量较大，回收的洗涤液浓度偏低造成的蒸汽消耗偏高，但维护费用低。总体上干式滤袋除尘技术的运行成本高于水洗除尘技术。

4 结语

综上所述，干式滤袋除尘技术和水洗除尘技术各有利弊，但国家环保政策会越来越严格，在解决高塔排放的消白和拖尾问题上，干式滤袋除尘技术将更具优势。水洗除尘技术更适合于新建造粒塔，可以保证足够的设计余量，并且对于尾气消白和拖尾要求不严的企业相对更加合适，随着新型除雾材料的发展，将来还是有很大的市场空间。干式滤袋除尘技术重点要解决造粒塔通风问题。相关厂家可以从滤袋自身阻力和滤袋表面除尘效果入手，采用新型材质的滤袋，降低滤袋与尿素的附着性、提高滤袋通透性、增加滤袋的弹性、改善龙骨和喷吹结构，从而增大造粒塔的通风量。滤袋的使用成本比较高，需要研发可以长期或重复使用的滤袋，降低生产成本。无论哪种技术，目前造粒塔除尘技术改造费用偏高仍是主要问题。除尘技术的设备部件应进一步标准化和单元化，降低制造和安装成本，通过更多的技术应用，推动粉尘回收技术的良性发展。

表1 3套尿素造粒塔除尘装置运行对比