摘要 对尿素造粒塔大颗粒造粒喷头的使用情况进行分析,指出现有喷头的设计缺陷,并提出改进措施。同时,通过数据分析说明用喷淋造粒方法生产大颗粒尿素的粒径以1.6~2.0 mm为宜。
关键词 尿素 造粒器 粘塔 空心粒
银川化肥厂尿素造粒塔为φ12 000的自然冷却塔,造粒器为zl—8型,喷头电机采用变频调速,一直生产小颗粒尿素,运行基本正常。随着市场对大颗粒尿素需求量的增加,于1999年12月27日至28日试用生产大颗粒尿素的喷头进行造粒。经过4个班次的生产,因粘塔较严重而被迫停止使用,同时发现尿素颗粒增大后其强度下降,且粉尘量较大。
1 生产中出现的问题
在更换大颗粒尿素造粒喷头初期,喷头转速在260~280 r/min,但因粘塔情况严重,一个班产
量减少了5 t左右,为此开始逐渐减小喷头的转速,但是情况仍未见好转。当喷头转速减至220
r/min时,空心尿素和粉尘迅速增加,于是喷头转速就基本定为240 r/min。在塔下观察,发现粘塔位置下移,更换喷头前粘塔位置在喷头下20 m处,而更换后在喷头下35 m处有较厚的粘塔尿素。经过工艺多方调整,情况仍未好转,使用1天的大颗粒喷头即被换下。大颗粒造粒喷头使用情况。
另外还观察到,不管用何种喷头造粒,颗粒粒
径在2 mm时即开始出现空心,粒径达到2.5 mm
以上时大部分会出现空心,而当达到2.8 mm以上
时颗粒就象一个空壳。
2 粘塔问题的分析
2.1 喷头设计对粘塔的影响根据牛顿第二定律及流体力学公式导出尿素颗粒平行飞行距离与时间的关系式:
s=1
-1.5×(5.55×ρ0.4ρs×μ0.6×d-1.6)×[(v-0.4+5.55×ρ0.4ρs×μ0.6×d-1.6t)-1.5-v0.6]
式中:
ρ———空气密度,kg/m3;
d———尿素小液滴直径,m;
μ———空气粘度,pa•s;
ρs———尿素小液滴或尿素颗粒的密度,kg/m3;
v———喷头在某一点的线速度,m/s。
对于不同喷头直径分别应用上式计算,得出的几组数据进行画散点图比较。从图1可以看出,喷头直径越大、颗粒直径越大,就越容易发生粘塔。经实际测量,喷头上部直径为30 cm,下部直径为24 cm。上部线速度大,尿液在喷头外表面停留时间短,颗粒就要小一些;下部线速度小,尿液在喷头外表面停留时间相对较长,颗粒就有机会长大。可以说最大的颗粒都是在喷头的最下部产生的,而最小的颗粒是在喷头的最上部产生的。从图1可以看出,在相同转速下(240 r/min),喷头直径最大处产生的2 mm颗粒经3.2 s的飞行就已经到达塔壁,而喷头直径最小处产生的2 mm颗粒经5 s的飞行才到达塔壁。在实际生产中,为了减少粘塔,喷头转速在220~280 r/min之间进行调节。增加转速,线速度增加,粘塔就更加严重。而减小转速,就会产生更大的颗粒,这些颗粒凝固的时间更长,粘塔的位置会更加下移,直到粘塔底。因此,我们认为现有的喷头在设计上是有一定缺陷的。首先,喷头的直径过大,使线速度过大,颗粒的初速度过大,即使再降低转速,大颗粒尿素仍会粘塔。其次,喷头的喷孔孔径不应上下一致,因为喷头上下的初速度是不同的,下部初速度小,颗粒就会长得大一些,因此在制作喷头时应从上到下喷孔孔径逐渐减小,这样才能使颗粒大小均匀。虽然目前一些喷头也考虑了这一点,但是上下喷孔孔径相差不大,致使颗粒粒径不均匀。
2.2 环境对粘塔的影响
银川地区海拔比较高,且空气干燥,空气密度要比沿海城市小,这样就直接导致颗粒受到的阻
力小,粘塔的机会增大。特别是在炎热的夏天使用大颗粒喷头,大颗粒尿素本身含热量多,且降温面积相对小,凝固时间长,粘塔位置下移就不难理解了。
3 空心粒及粉尘尿素产生的分析
尿素液滴转化成尿素颗粒的过程是一个缩体积过程(尿素液滴在132.7℃时密度为1.220 g/cm3,尿素颗粒在40℃时的密度为1.4 g/cm3)。对于小颗粒尿素来说,在降温的过程中其内外几乎同时放出热量,颗粒内外的温度基本一致,密度同时增大,体积同时缩小。而对于大颗粒尿素,表层开始凝固时,内部的热量却不能及时释放出来,其中心位置仍然为熔融状态,表层在凝固过程中密度开始增大,体积开始收缩,但内部密度和体积变化很小。表层壳体形成后,内部降温、结晶,体积收缩,就不可避免地形成了空心尿素。有些大颗粒尿素表层晶体在收缩时,压迫中心位置的熔融尿素,使其内部熔融状态尿素从表层较薄弱的地方冲出,形成一边开口的尿素颗粒。这些内部结构松散或是空心的颗粒尿素强度很差,从空中坠落到塔底时就会粉碎,增加粉尘尿素的数量。可见产生空心尿素的主要原因是尿素颗粒内外散热速度相差太大所造成的。对于北方严寒的冬季,要想使表层散热速度减慢,需要提高空气温度。但是1 t尿素通风量在8 000~10 000 m3,加热这样大的空气量,投资很大。因此,此法是不可取的。另外,不论是何种喷头造出的颗粒,只要颗粒粒径超过2.0 mm即开始出现空心粒。对于我国
中氮肥企业来说,造粒塔高度从百叶窗到造粒喷头的距离也就是50 m左右,如果按50 m落程的塔,2 mm的颗粒下降时间为7.8 s,而3 mm的颗粒下降时间为6.3 s,大颗粒尿素在这样短的时间内常温下其完全凝固都非常困难。因此,用现有的造粒塔生产颗粒粒径超过2.0 mm的大颗粒尿素有较大难度。
4 结语
(1)针对目前我国中氮企业普遍采用的φ9 000、φ12 000造粒塔的现状,喷头直径不应超过20 cm,否则粘塔的问题就较难控制。
(2)喷头喷孔的设计,应注意喷孔直径由上至下要逐渐减小,使颗粒粒径大小均匀。
(3)生产1.6~2.0 mm颗粒的尿素是较实际的,因为它粘塔的可能性较小,且颗粒的强度较适中,空心粒及粉尘尿素少。因此,对于喷头的改造要能够控制颗粒的粒径在1.6~2.0 mm的范围内
为宜。
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