大颗粒尿素晶种破碎造粒技术理论及其运用

  1 工艺流程
  各种大颗粒尿素生产工艺都具有基本相似的工艺流程， 主要由造粒系统、晶种循环系统和粉尘回收系统等几部分组成， 每种工艺的特点取决于其造粒技术。大颗粒尿素晶种造粒技术结合喷射床造粒机和传统的流化床造粒技术， 于1983年开发成功。TEC喷射流化床造粒机由喷射床、多孔板、流化床、喷嘴和气室组成。大颗粒尿素装置TEL流化床造粒工艺流程。
  （1） 由大颗粒给料泵将质量浓度为96% 的尿液送入造粒机， 尿液通过喷嘴喷到喷射床内， 并附着在造粒机内处于流化状态的循环晶种表面。经过多级喷射床和喷嘴喷射尿液后， 循环的晶种逐渐增大。尿素的晶种由流化床从喷射床的上级向下级运送， 喷到晶种表面的尿液被迅速冷却固化， 同时尿液中的水分被蒸发， 大颗粒尿素中的水分含量降低到< 0. 25 % .
  （2） 喷射空气由喷射空气鼓风机引入， 并通过喷射空气加热器加热。流化空气由流化空气鼓风机引入， 并通过第1流化空气加热器和第2流化空气加热器加热。为便于大颗粒尿素的固化和干燥，每种空气的温度由各自的空气加热器进行调节， 以保持床层温度在110~ 120e .
  （3） 在固化和干燥后， 大颗粒尿素由造粒机流化床第4室冷却到90 e ， 在造粒机内形成的大颗粒尿素由于重力的作用沉降到多孔板上（流化床下部）， 借助流化空气在多孔板斜孔产生的水平推力排出造粒机， 通过造粒机出口的振动给料器、造粒机出口称重器、斗式提升机送到振动筛。
  （4） 振动筛根据粒度将大颗粒尿素分为4类：结块尿素、超大颗粒、产品颗粒、小颗粒。结块尿素通过滑道进入溶解槽， 溶解成尿素溶液， 并通过溶解槽泵送到熔融尿素装置； 超大颗粒及部分产品颗粒在超大颗粒冷却器中冷却后送入破碎机进行破碎， 循环回造粒机作为晶种； 产品颗粒通过产品冷却器降到50e 以下， 通过产品称重器送到包装或散装库； 小颗粒被循环送入造粒机作为晶种。循环的尿素晶种（包括破碎的超大颗粒尿素、产品尿素和小颗粒尿素）返料比为0. 5.
  （5） 从造粒机、产品冷却器、超大颗粒冷却器和粉尘收集风机排出的尿素粉尘在粉尘洗涤器中进行洗涤， 然后经过除沫器， 由粉尘洗涤器引风机排出， 排出气体中的尿素粉尘含量小于30mg/m3.来自熔融尿素装置的工艺冷凝液作为补充水被送入粉尘洗涤器， 通过控制补充水的流量调节洗涤的尿素溶液的质量浓度约为45 %.尿素溶液被送到溶解槽中， 溶解槽中的尿素溶液循环回到熔融尿素装置。
  TEC流化床造粒工艺操作弹性大， 通过减少喷嘴数目， 可以将生产负荷降至50 % 以下， 且能够快速开、停车， 启动后1 h即能达到稳定运行状态。
  如果将造粒机以及斗提机、尿素筛有小晶种所途经的部分视为1个设备（为了方便可称为大造粒机）， 将斗提机、尿素筛有产品颗粒和超大颗粒所途经的部分视为大造粒机的出料口， 大造粒机的进料有尿液和补给晶种， 补给的晶种是经破碎机破碎超大颗粒及部分产品颗粒的破碎晶种， 将简化后得到TEC流化床造粒原则流程。
  由上述可知， 造粒系统的新晶种是通过破碎机破碎超大颗粒（或一部分产品颗粒）提供， 故破碎机是晶种造粒技术的核心设备。
  2 晶种循环造粒技术新理论
  2. 1 合格颗粒数目与进破碎机颗粒数目的关系
  造粒系统平稳运行时， 其进出造粒机的颗粒数目处于平衡状态， 进入造粒机的晶种数目关系如下。
  N总=N小+N产+ N超（1）
  N总晶=N总（2）
  N产=N成+N2（3）
  N破=N超+N2（4）
  N总晶=N小+ n N破（5）
  由式（ 1） ~式（5）得到：N成= （n- 1）N破（6）
  式中， N总为造粒机出口颗粒数目（不包括结块尿素及粉尘）； N小为小颗粒数目； N产为产品颗粒数目；N成为去成品的产品颗粒； N2为去超大颗粒冷却器的产品颗粒数目； N超为超大颗粒数目； N2+ N超为进入破碎机的颗粒数目； N破为破碎机破碎后的有效晶种数目是破碎机入口颗粒数目的n倍（n为破碎数目系数）；N总晶为造粒机进口晶种总数目； N小为小晶种数目。
  由式（ 6）可知， 去成品的合格产品数目与小颗粒晶种数目无关， 只与进破碎机的颗粒数目有关。
  2. 2 破碎的颗粒质量与成品颗粒质量的关系
  尿素颗粒形状往往是不规则的， 一般用颗粒的粒度来表示， 为了研究方便， 我们取尿素颗粒群的体积平均粒径来分析。
  由于去成品的合格产品数目只与进破碎机的颗粒数目有关， 在系统运行稳定时造粒机造粒需要补充的新晶种是由破碎机提供的， 如果设去成品的产品颗粒体积平均粒径为D成， 经破碎机破碎后的晶种体积平均粒径为D破， 在结块尿素及粉尘损耗不计的理想状态下， 进破碎机破碎的颗粒质量M破与破碎颗粒数目N破的关系2 . 3 破碎数目系数n 的极值求法设去破碎机破碎的超大颗粒（包括部分产品颗粒）的体积平均粒径为D超， 则有D超3= nD破3，可知：M成= （n- 1）M破（D成/D超）3实际生产中： D成[ D超， 故n\ M成/M破+ 1.
  3 破碎机在晶种循环造粒中的调节作用
  3. 1 破碎机辊间距与产品粒度的关系
  当造粒机负荷和破碎机负荷一定时， 破碎机破碎的辊间距与产品颗粒平均粒径成正比。增大破碎机的辊间距即破碎系数变小， 晶种数目变小，此时如果保持产品颗粒平均粒径不变则系统将不能保持平稳运行， 要保持平稳运行， 只能将产品颗粒平均粒径相对变大； 反之， 减小破碎机辊间距，系统要想保持平稳运行， 只能将产品颗粒平均粒径相对变小。由于破碎机辊间距的调节原则是由满足工艺生产要求和破碎效果等因素共同决定的， 故一般在操作条件生产设定后不要轻易更改。
  通过破碎数目系数n的极值求法以及同类装置生产实践证明， 破碎后有效晶种在1 . 2~ 2 . 0mm范围内的数目占75 % ~ 80 % 时， 大颗粒尿素成品粒度情况比较理想。
  3. 2 破碎机负荷与产品粒度的关系
  当造粒机负荷和破碎机辊间距设定后， 破碎数目系数n采用极值求法（n\ M成/M破+ 1）， 则破碎机的破碎负荷与产品颗粒平均粒径成反比。增加破碎机负荷也就是增加破碎后的晶种数目。如果颗粒粒度保持不变， 系统将不能保持平稳运行， 要保持平稳运行， 只能将产品颗粒平均粒径相对变小； 反之， 减少破碎机负荷， 系统要保持平稳运行，只能将产品颗粒平均粒径相对变大。如果通过调节床层高度等方式来实现产品颗粒平均粒径不变，只能在短时间内保持系统的稳定， 否则会由于造粒机进出口颗粒数目不平衡而导致系统运行状况恶化。
  3. 3 晶种返料比
  设计返料比的控制指标为0 . 5~ 1 . 0 .在流化床造粒过程中， 颗粒的粒度分布与返料量有直接的关系。返料量较大时形成的粒径较小的颗粒所占比例较高； 反之亦然。通过产品质量与经破碎机破碎的颗粒质量的关系式可知： 当造粒机负荷和破碎机辊间距确定后， 破碎数目系数n采用极值求法；当破碎机负荷设定后， 则产品颗粒的粒度将是一个定值。也就是说， 破碎机的负荷决定了N破的大小，最终确定了D成的大小。
  破碎晶种D破长大到D成需要循环的流程是： 造粒机y 造粒机出口皮带y 斗提机y 尿素振动筛y造粒机， 即小晶种的循环流程。在造粒机负荷一定时， 其小晶种的循环次数及小晶种的循环量也是一个定值， 因此造粒机负荷和破碎机辊间距设定后，调节破碎机负荷后直接确定小晶种的循环量。经过优化及采用造粒机进出口颗粒数目平衡理论表明： 返料比控制在0 . 3~ 0 . 4 ， 对延长造粒机的运行周期以及提高产品质量具有明显的促进作用。
  4 结语
  （1） 大颗粒尿素造粒工艺以颗粒数目为依据，建立造粒系统平稳运行时进出造粒机的颗粒数目处于平衡状态， 得出的结论是： 去成品的合格产品数目与小颗粒晶种数目无关， 只与进破碎机的颗粒数目有关， 破碎机破碎的颗粒质量M破与成品颗粒质量M成的关系M成= M破(n- 1)/n [D成/D破]^(3).
  （2） 在实际生产中， 调整破碎机辊间距和破碎机负荷可以提供最优化操作条件， 降低装置能耗。