淺析聲振型造粒噴頭的優勢及應用前景

陳 虎 梁海云

中國五環工程有限公司 武漢 430223

淺析聲振型造粒噴頭的優勢及應用前景

陳 虎*梁海云

中國五環工程有限公司 武漢 430223

分析聲振型造粒噴頭的結構特點及工作原理，重點探討聲振型造粒噴頭的優點、應用前景及發展方向，為尿素造粒噴頭的研究提供一個思考方向。

聲振型造粒噴頭 尿素粉塵 粒度均勻

造粒噴頭作為造粒塔裝置的關鍵部件，直接影響尿素顆粒的大小、粉塵含量以及產品質量，開發研究新型造粒噴頭是尿素裝置生產技術進步的方向之一。目前國內小顆粒尿素造粒主要使用的造粒噴頭為旋轉型造粒噴頭，在長期使用的過程中出現了一些問題，例如：環境污染大、粉塵多、更換檢修麻煩，尿素顆粒不均勻等，降低了國內尿素產品的競爭力。在新型造粒噴頭的研制上，日本東洋公司的聲振型造粒噴頭具有有效控制噴灑半徑、實現自動調節、粉塵少、顆粒均勻等特點，運用于國際項目特別是東南亞的一些企業，效果良好。筆者認為這種噴頭具有廣闊的發展前景，值得國內設計公司借鑒。

1 噴頭的特點及設計優點

聲振型造粒噴頭體積較小，布置方便，一般采用多噴頭布置，具體噴頭見圖1。

圖1 聲振型造粒噴頭

其工作原理主要是在噴頭內部設置一個振動板，當尿液滴向振動板時產生的聲波在振動板周圍形成一個諧振器，發出一定頻率的聲波作用于球弧形液面上，在聲波能量以及尿液自重的共同作用下，使得熔融尿液脫離噴孔下落。這種造粒方式類似于吊點滴，液滴是間斷產生的，形成的尿素顆粒也比較均勻[1]。相較于旋轉式噴頭，聲振型噴頭有以下優勢：

(1)尿液顆粒下降時受力較小，避免尿液附著塔壁，僅受到自身重力和聲波壓力，下落時速度分別為V1和V2，圖2為聲振型噴頭尿液噴出示意圖。噴頭底部弧度很大，V1與V2之間的夾角很小，近似于垂直向下。這種造粒方式大幅減少了旋轉噴頭轉速不均勻造成尿液附著塔壁的情況，避免了尿液附著塔壁結塊造成的不安全因素。

圖2 聲振型噴頭尿液噴出

(2)采用集中多點噴灑，充分利用造粒塔空間，減少塔內徑，聲振型造粒噴頭體積小，一般采用多點布置，以圓形造粒塔為例，將造粒區域集中在造粒塔中心，其噴頭分布見圖3。可以保證在有效的空間內盡可能多地造粒，實現生產規模的最大化。對于生產負荷不同的項目，可依據單個噴頭的生產能力選擇合適數目的噴頭以滿足生產要求。

某項目采用TOYO技術，造粒噴頭采用環形布置，尿素裝置生產能力為1725t/d，只需布置9個聲振型噴頭，造粒塔內徑僅需14.5m即可滿足生產要求。同樣生產能力的情況下，采用旋轉式噴頭時需要的造粒塔內徑為20～22m。相比之下，聲振型噴頭可以大幅減少造粒塔截面積，減少占地。

圖3 噴頭分布(圓塔)

(3)便于維修，安全性能高，噴頭的檢修、清洗可以逐個進行，不影響其他噴頭的正常工作。尿液槽與噴頭之間設置三通閥進行切斷和調節，減少了檢修噴頭時尿液溢出造成的燙傷，提升了檢修、清洗噴頭的安全性。同時，噴頭檢修不致生產能力下降，以生產能力為1725t/d的尿素裝置，9噴頭為例，在一個噴頭處于檢修狀態無法工作的情況下：

1725÷24÷8=8.98 t/h

其結果小于9t/h的生產能力。

此時，通過三通閥調節噴頭流量，保證單個噴頭在檢修時尿素生產能力不下降，最大程度上實現尿素的連續生產。

(4) 粒度均勻，粉塵少，聲振型造粒噴頭使尿液在造粒塔內均勻分布，尿液散熱效果好，尿素顆粒強度高，可達7.5N以上。在塔底增加強制通風裝置，可大幅降低尿素下落時的高度，避免了尿液自降高度過高產生大量粉塵的問題。同時在造粒塔塔頂設置粉塵回收裝置，可將排放氣體中的粉塵含量降至50ppm以下，滿足環保要求的同時提高粉塵回收率。

經實驗測試，聲振造粒噴頭生產的尿素顆粒均勻度高，相較于國際先進的Tuttle噴頭[2]造粒有一定優勢。

圖4為同樣在ACES工藝中運用時兩種噴頭生產尿素顆粒粒徑分布圖。聲振型噴頭在造粒過程中尿素顆粒大小均勻，顆粒主要集中在1.0mm～2.4mm之間，占到整個尿素產品的96%以上。

(5)自動適應負荷變化，聲振型造粒噴頭生產的尿素粒徑與噴孔直徑有關，噴孔直徑確認，尿素顆粒大小隨之確定。聲振型噴頭的生產負荷和振動頻率成正比，當頻率變高時，可以加快尿液噴灑速度，提高產量；當頻率降低時，尿液噴灑速度減慢，產量降低，依據尿液量的變化自動調節生產負荷。

圖4 兩種噴頭粒子粒徑分布圖比較

(6)能耗低、所需配套設備少，聲振型造粒噴頭避免了傳統造粒噴頭裝置需要設置旋轉裝置的問題，尿液依靠自重和聲波能量下降，不需外加能耗，在一定程度上節省裝置電耗，降低成本。

2 聲振型噴頭的改進方向

2.1 加大噴孔孔徑

目前聲振型噴頭主要生產粒徑為1.0mm～2.4mm的尿素產品，用做農業肥料。尿素顆粒的大小與噴孔孔徑成正比，增大聲振型造粒噴頭的噴孔尺寸，尿素顆粒也隨之變大。在現有聲振型造粒噴頭的基礎上增大噴孔尺寸，將尿素粒徑大小調整為2mm～3mm乃至更大顆粒，提升肥料利用率的同時增加肥料的用途，提升產品競爭力。

2.2 添加可調頻率聲波裝置

聲振型造粒噴頭尿液的流出是在振動板產生的聲波以及尿液自身重力作用下共同完成的。波的能量受到尿液槽到造粒噴頭高差的影響，高差過小，會導致熔融尿液難以從噴孔流出。在聲振式造粒噴頭內部布置一個可調聲波波源，裝置生產負荷變化時，波紋強度隨之調整，保證造粒噴頭能均勻噴灑；同時避免生產較大顆粒尿素時需要過大的波形能量而導致尿液槽與噴頭之間高差過大的問題，節省布置空間。

3 應用前景

綜上所述，聲振型造粒噴頭在尿素造粒技術上有一定的優勢和發展空間。

(1)可以利用其噴灑均勻度好、塔徑利用率高的特點進行老廠改造。國內大多數尿素生產廠家都存在尿素質量差、產能低等缺點，面臨日趨激烈的尿素市場失去了競爭優勢，改造迫在眉睫。以聲振型噴頭代替旋轉式噴頭進行造粒，在保證尿素顆粒均勻度的情況下充分利用造粒塔空間，可提升尿素產品質量和尿液利用率，降低生產成本。

(2)利用聲振型造粒噴頭污染低的特點將其運用于新廠，從源頭上控制尿素粉塵，降低尿素粉塵污染，有利于環境保護。推廣新造粒技術減少污染。

(3)國內尿素造粒以旋轉造粒噴頭為主，加強對新型造粒技術的研究，利于開拓市場。

4 結語

雖然聲振型造粒噴頭的使用還不及旋轉型造粒噴頭普遍，但發展速度快，特別在印尼、印度、伊朗等國家得到好很好的應用，生產規模由年產幾十萬噸到百萬噸以上不等。業主反映，在長期實用過程中，噴頭造粒穩定，產品具有顆粒均勻、強度高、粉塵少等特點。造粒噴頭的優劣最終是靠尿素產品質量決定的，國內設計行業可以以此為契機對造粒噴頭進行改進或者再創造，提升造粒技術，促進企業發展。

1 王文善. 尿素工學(第二版)[M].北京：化學工業出版社，2012：230.

2 韓文龍，董睿敏，劉 剛.Tuttle造粒噴頭在ACES尿素裝置中的應用[J]. 西北煤化工，2014，(2)：28.

2017-01-15)

*陳 虎：助理工程師。2014年畢業于武漢理工大學材料加工成型專業獲碩士學位。從事管道設計布置工作。聯系電話：15827527319 ， E-mail：chenhu@cwcec.com。