摘 要 化肥厂尿素装置对大气的环境污染主要以造粒塔顶部排放的尾气中氨及粉尘为主,治理尿素造粒塔粉尘是改善化肥厂大气环境的关键。它既是一项环境保护措施,也是一项重要的节能降耗措施。
关键词 尿素装置 粉尘 措施
1 概况
化肥厂的尿素装置采用荷兰斯塔米卡邦公司二氧化碳汽提法工艺尿素生产技术,其设计能力为日产尿素1740t。年产52万t尿素的造粒塔,其内径为20m,高为67m;在尿素生产过程中,有少量氨和尿素粉尘从造粒塔顶部随空气直接排放大气,造粒塔排放的粉尘浓度随生产规模的扩大而不断增加,对周围环境造成一定的污染,给装置作业区职工的身体带来危害,同时造成尿素产品的大量损失。尿素造粒过程是由造粒喷头将熔融尿素很均匀的液滴分布在造粒塔的横截面上,液滴在下降过程中固化并放出结晶热,此热量随造粒塔底部进风吸入的空气带走,尿素造粒机装有齿轮箱,以便调节造粒喷头的转速。提高转速将使颗粒直径变小,反之则大。为了减少尿素粉尘对环境的污染,化肥厂在1992年10月及时改进尿素造粒喷头,采用较先进的卡萨利喷头,减少了氨和粉尘对大气环境的污染。但尿素造粒塔由于工艺原因,其排放的氨和粉尘浓度仍有100~150mg/m3之间,全年排放的尿素粉尘达600t左右。排放出来的氨和尿素粉尘大部分散落在化肥厂装置区内,其余扩散在厂区附近1公里以内的农田中,造成一定的环境污染和农田污染。为此化肥厂在1996年9月6日至9月20日连续二周对尿素生产工况及氨、尿素粉尘流失情况进行普查测定。其中尿素造粒塔排放的氨和粉尘浓度及环境影响情况如下:
(1)造粒塔通风排放量56万m3/h。
(2)造粒塔周围氨平均浓度108.63mg/m3。
(3)造粒塔周围粉尘平均浓度109.24mg/m3。
(4)尿素生产负荷107%。
(5)风向ws,风速1.8m/s,平均气温
28℃,相对湿度77.5%。
从普查监测情况可见,化肥厂尿素装置对大气的环境污染主要以造粒塔顶部排放的尾气中氨及粉尘为主。氨和尿素粉尘一直是装置区设备和周围农田的主要污染源。治理尿素造粒塔粉尘是改善化肥厂大气环境的最有效措施。如果排放的尿素粉尘能回收,则每年可减少农田污染赔款近35万元,回收的尿素创利可达100万元,社会效益和经济效益都很显著。因此,尿素造粒塔增设粉尘回收装置不仅有显著的经济效益,也有明显的社会效益。它既是一项环境保护措施,也是一项重要的节能降耗措施。
2 尿素生产装置运行情况及粉尘产生的原因
2.1尿素造粒系统工艺流程简介
除去甲胺的尿液自精馏塔底部出来后进入闪蒸槽,在0.03mpa的负压下闪蒸回收nh3和co2,尿液浓缩到75%,再经一、二段两级蒸发,尿液浓度达99.7%以上成为溶融物,最后送入造粒塔的旋转喷头喷洒干燥后,固化为颗粒成品尿素。自然通风式造粒塔由于温升,使空气通过塔壁底部的窗口进入,尾气由塔顶窗口排放大气。
2.2尿素粉尘产生的原因
尿素造粒塔粉尘产生的原因是多方面的,根据工艺、设备、环境气象条件,主要总结有以
下几个方面原因:
(1)化学反应过程造成的粉尘。
(2)尿素蒸汽的浓缩凝结易产生粉尘。
(3)喷头喷射出来的粉尘,主要是喷头加工精度不高,尤其是喷孔不规则造成的。
(4)喷头操作状态不正常引起的粉尘。
(5)各种机械力破碎所造成的粉尘,包括塔底刮料机转动时的破碎和颗粒在冷却前后与塔壁或颗粒之间的碰撞破碎。
(6)造粒不够级的尿素颗粒形成粉尘。改进喷头结构和操作状态(如喷头转速)可减少造粒塔排气中氨和粉尘的含量。在尿素造粒过程中空气分布和颗粒冷却速度与气象条件有关,根据全年的造粒塔粉尘监测数据,每年4~5月和9~10月氨、粉尘浓度最高。平时即使在最佳操作条件下,每吨尿素要逸出0.8 ~ 1.3kg的粉尘(含粉尘浓度为109mg/m3~177mg/m3)。这是目前生产工艺和设备条件下无法避免的粉尘。因此,如何进一步回收尿素粉尘和改进生产工艺,消除造粒塔粉尘污染,提高环境质量已成为当今尿素生产技术攻关的重要课题之一。在既能提高工艺生产的稳定性,又能减少尿素粉尘排放量的前提下,除努力改进造粒塔的设计和操作外,增加粉尘回收装置是解决尿素粉尘,净化环境的有效途径。
3 尿素造粒粉尘对环境的影响和对策
3.1尿素造粒塔氨、粉尘监测结果
1997年10月20~23日连续四天对尿素造粒塔周围大气环境进行了全面监测。公司安环处监测站用等速采样法采集造粒塔排放的尿素粉尘,用热平衡导算法测定造粒塔的通风量,用纳氏试剂比色法分析尿素粉尘和氨浓度。监测数据。
3.2 机械通风造粒塔的除尘设备与存在问题在国际和国内,目前在机械通风尿素造粒塔上回收粉尘的装置有下列四种:
(1)喷雾——过滤器(日本东洋工程公司专利),含尘空气先经过喷淋段将大颗粒洗下来,再经过滤将细微颗粒及水雾洗掉。
(2)三段水洗过滤除尘系统(美国noyesdata公司专利),能同时处理废气的废水。来自造粒塔的含尘空气由底部进入过滤塔,经过滤层过滤后排放。
(3)液气喷射器系统,同时作为通风动力和洗涤除尘(意大利snamprogetti公司专利)。
(4)布袋过滤——旋风分离回收系统(化工部四院的试验成果)。以上四种除尘方法,其中前三种是湿法回收,最后一种是干法回收。这四种方法的阻力降均大大超过自然通风造粒塔的允许压力降,因而只能用于机械通风造粒塔。通过外加机械能克服回收装置的阻力,吨尿素耗电一般不小于4kw/h,年产52万t尿素的造粒塔,其除尘装置年耗电大于200万kw/h,超过100万元。这样与回收尿素价值相当。因而,将自然通风造粒塔改为机械通风以增设上述四种粉尘回收装置的做法是行不通的。故至今国内对自然通风造粒塔均未采用粉尘回收装置。我厂造粒塔属自然通风且体积和通风量都相当大,因此采用喷雾除尘和旋风除尘等除尘设备来降低尿素粉尘的含量不是现实的。
4 自然通风造粒塔增设除尘装置的可行性和主要问题
4.1具体实施方案和工艺技术可行性
尿素造粒塔增设粉尘回收装置的技术初探化肥厂针对尿素装置的工艺机械特点,在仔细分析研究环境气象现状后提出下列治理方案:(1)造粒塔顶部增设电除尘装置;(2)造粒塔顶部增设超声雾化除尘装置。方案(1)作为技改攻关项目。近年来我国电除尘装置已向更深、更广泛的领域发展;对电除尘如何提高除尘效益作了大量的试验研究。国家环保局在“八•五”期间组织专题攻关,并且在许多领域取得成果。目前,我国在电除尘本体和相配套的整体设备生产上都进步很快,产品的性能和可靠性已超过国际水平。人们为了提高电除尘器的效率,降低造价和扩大应用范围,对传统的定型电除尘器进行了改造,最后开发出的屋顶电除尘器就是其中之一。方案(2)超声雾化除尘装置是近年来才开展的一种全新的除尘技术,它利用压缩空气驱动的超声波雾化器,激发高度密集的亚微米级雾,雾迅速捕集凝聚微细粉尘,使粉尘沉降实现就地抑尘。由于超声雾化除尘装置在运行中可能形成少量水雾,会对尿素产品质量带来一定影响,因此暂时不考虑方案(2)。
4.1.1增设电除尘装置工艺技术可靠性评价
简易屋顶电除尘系统能满足尿素造粒塔通风量大、允许压降小、排风口位置高和投资成本
低的要求。但超高压静电除尘能否应用于尿素造粒塔排风,关键在于它的除尘效果和安全可
靠性。根据上海华东理工大学1995年对化肥厂尿素装置产品尿素的比电阻测定结果,产品尿
素比电阻为2.89×109ω.cm,尿素粉尘比电阻为1.98×107ω.cm,其比电阻都在静电除尘要求的最佳比电阻值范围内。说明尿素粉尘用静电除尘器回收粉尘的方案是可靠的。再从兄弟
厂的电除尘装置试用情况看,湖南洞庭氮肥厂于1985年~1986年作了尿素装置造粒塔电除尘模拟试验,从工艺技术数据上可以证明用电除尘回收尿素粉尘的方案是可行的。南京栖霞山化肥厂于1986年在成品包装车间12#皮带机处增设了一台高压静电除尘器,除尘效果比较明显。
4.1.2电除尘装置投资及经济合理性的预评价尿素造粒塔静电除尘装置投资预算如下:
(1)造粒塔简易屋顶电除尘装置总设计费10万元
(2)电除尘装置本体制造费150万元
(3)电除尘装置电源、仪表控制设备40万元
(4)安全施工及调试费10万元合计210万元其经济合理性可从下列几方面给予说明:
(1)设备简单投资省。主要设备为超高压发生器、控制屏、放电极板和收尘极板;不需要传统的排风机、除尘器的风管,比一般干湿法除尘设施节省钢材一半以上,对新建和改建的除尘装置都比较适用。设备总重量约10t左右,而且不需要增加尿素造粒塔的高度。
(2)消耗能量低。常规湿式除尘和干式除尘用于尿素造粒塔耗电大于350kw。
(3)收尘效率高。造粒塔粉尘粒径为0.01~10μm之间,超高压电除尘效率可达90%~99%,且不会造成二次污染。
4.2造粒塔增设电除尘方案屋顶电除尘器是安装在排放尘源上方屋顶
的一种轻型电除尘器,其处理能力很大,例如上海宝钢120t转炉设置的屋顶除尘器处理烟气
量达50万m3/h,烟气温度80℃,烟气浓度800mg/m3,其除尘效率大于90%;天窗开口面积24×7.2m2,除尘器阻力小于30pa。这些工艺参数除烟气浓度外,其余条件均与化肥厂52万t尿素装置造粒塔所需的除尘装置十分接近。结合化肥厂生产特点和电除尘器及屋顶除尘器的优点,选择简易屋顶除尘装置回收尿素排气粉尘比较可行。尿素装置造粒塔直径为20m,塔顶被井字梁和顶板分成八个扇形排风口,排风总面积为141m2,按现在的工况以60万m3/h通风量计算,断口风速为1.42m/s(温度80℃)。其除尘装置安放如下:在造粒塔排气口两侧墙面上设置收尘极板,在收尘极板间安装电极,接上高压电源而形成电场,含尘气体通过电场时,粉尘在电场力作用下聚集在收尘极上,净化后的气体排出;粉尘通过集尘室收集后送到尿素粉尘回收装置回用。造粒塔电除尘装收尘极采用1mm左右的不锈钢板制作,宽为400~750mm,下端用扁钢压紧,用螺栓固定,同极距500mm。框架结构式放电极,采用φ2~3mm的不锈钢丝,两端由螺栓固定在用φ34mm钢管制成的框架上,线间距200~250mm;相当于每块收尘极板配置两板放电线,放电线用横梁组合成一整体,由瓷柱支撑吊挂在绝缘室内,绝缘室内用风机送热风吹扫防止
积尘和触电。在电除尘装置收尘极板上安置电磁振动器,定时振动清扫收尘极上的粉尘,使其落到塔底后送往尿素粉尘回收装置。为便于操作人员作业,最好将控制室放在造粒塔下面。
5 效益分析
5.1直接经济效益
根据52万t/a规模的尿素造粒塔,每年约排放600t粉尘。如造粒塔投用除尘装置,回收率为75%~90%,尿素价格1100~1500元/t,直接经济效益见表2。
5.2除尘装置经济指标分析
尿素造粒塔增设粉尘回收装置后,其经济
指标分析见表3。
5.3社会效益和环境效益
现在尿素造粒塔粉尘排放浓度为100mg/m3左右,直接危害和影响着作业区和生活区职工的身体健康,对生产设备带来一定的腐蚀和损害;特别是气象条件恶劣情况下对附近农田容易产生污染,造成农作物减产。投用除尘装置后可减少粉尘污染,提高农作物产量。其实,随着环境保护法和劳动法的实施,职工和企业对环境保护的要求与日俱增,因此,增
放时对环境和农田的污染,减少粉尘对设备装置的腐蚀,提高和改善环境质量。
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