造粒噴頭的性能要求和測試

孫曉明，郭文波

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

自然通風式造粒塔配套旋轉式造粒噴頭的尿素成粒工藝為國內多數尿素生產廠家所普遍采用。其工藝過程是：經蒸發提濃后濃度約為99.7%左右的尿液，由尿素熔融泵加壓輸送到造粒塔頂部噴頭中，尿液在旋轉噴頭離心力的作用下由噴頭小孔甩出，分布在造粒塔的橫截面上。液滴下落的過程中被塔底源源不斷進入的冷空氣所冷卻，固化成為尿素顆粒，放出的熱量被空氣帶出塔頂。

造粒噴頭與電機主軸相連（見圖1），由內分布器和外筒組成，外筒為分布著噴孔（見圖2）的錐臺體或柱體。不同型號的噴頭噴孔密度分布區別較大。

圖1 造粒噴頭示意圖

圖2 噴孔分布示意圖

造粒噴頭是尿素成粒的關鍵設備。出于質量控制需要，造粒噴頭要滿足一定的性能要求。更新噴頭時要對新噴頭進行必要的測試，（1）評估其綜合性能是否能滿足生產需要，（2）基于測試數據編寫可靠的操作規程。

1 造粒噴頭性能要求

1.1 生產能力

噴頭的生產能力由設計制造廠家根據裝置的生產能力確定，兩者要匹配，否則既不能保證高負荷時的來料處理，也無法保證產品質量。一般噴頭的最大生產能力要達到正常負荷的120%。

1.2 噴頭轉速

噴頭制造商會提供一個轉速操作范圍，實際運行中要隨著生產負荷的變化而調節。一般情況下，生產負荷高，入噴頭的流量大，噴頭轉速就要高，兩者基本上成線性關系（見圖3）。

圖3 噴頭轉速與負荷的關系

1.2.1 噴頭轉速過低 （1）轉速過低，噴頭會發生溢流粒子結塊，嚴重時會出現“拉稀”現象，粒子粘塔底，或在刮料機刮臂上形成“駝峰”，既不能保證產品質量，還威脅到產品輸送系統的安全運行；（2）轉速過低，粒子密集，易發生交叉碰撞，產生尿素粉塵；（3）造粒塔直徑固定，轉速過低則噴灑直徑小，空氣從塔底進入后會有一大部分沿塔壁上升，而塔的中心部僅有少量空氣與粒子傳熱，氣固比大幅下降，同時由于局部空氣溫升過快而產生氣體偏流，進一步降低傳熱效率，出塔粒子溫度超高[1]。

1.2.2 噴頭轉速過高 （1）轉速過高，易使噴灑直徑大于造粒塔直徑而發生粘塔現象，塔壁累積的結晶物掉落存在極大的安全風險；（2）噴頭轉速越高，液滴獲得的離心力越大，形成的顆粒越小。

1.3 產品粒度和粒子分布

GB2440-2001對農用小顆粒尿素優等品的粒度要求是：粒徑（0.85~2.80 mm）≥93%。造粒噴頭的設計制造水平是產品粒度的決定性因素，比如噴孔表面有毛刺，會使小粒子和粉塵量增大。噴孔直徑則是顆粒大小的關鍵：孔徑越大，粒度越大；孔徑越小，粒度越小。粒子大小應均勻，粒子分布應具有如下特點：偏大或偏小的粒子最少，粒徑1.80 mm（GB2440-2001所規定的農用小顆粒尿素合格粒徑的中間值約為1.8 mm）左右的粒子分布最廣。

1.4 出塔粒子溫度

出塔粒子溫度過高給產品外觀質量的影響主要體現在兩方面：結塊和粉化。粒子溫度高，容易在散庫存貯過程中因釋水而粉化。也有研究尿素結塊機理的文章認為，較高溫度的尿素粒子在緩慢降溫冷卻過程中，溶解在殘余水分中的尿素結晶析出，在各種力的作用下發生結塊[2]。

生產中通常采用調節造粒塔進風量來調節出塔粒子溫度，但這一手段在夏季高溫季節往往沒有調節余地，因而噴頭本身的設計顯得極為關鍵。比如噴頭的噴灑直徑過小或顆粒在塔的橫截面上分布不均勻都會降低塔的利用率；顆粒過大會降低傳熱效果，這些因素都將導致出塔粒子溫度升高。

1.5 粒子強度

GB2440-2001中雖然沒有對尿素產品的粒子強度做明確規定，但粒子的強度顯著影響著最終產品的外觀質量，如果粒子強度低，會在后續輸送、儲存、包裝過程中由于碰撞、擠壓、摩擦而產生大量粉塵，粒度下降。粒子強度除了與尿素中的水含量等工藝因素有關外，還與造粒噴頭的性能有密切的關系，比如粒徑過大會產生空心，強度降低。

2 新噴頭性能測試

噴頭在運行過程中由于流體沖刷、檢修和維護不當等原因，使用壽命不長，一般為3年，運行質量下降時要及時更換。新噴頭在正式投運前要進行一系列必要的性能測試，找出最佳工作區。下文以2010年7月試運浙江溫嶺市環球造粒噴射設備有限公司設計制造的小噴頭（簡稱“溫嶺噴頭”）為例，討論新噴頭的性能測試。

2.1 最低允許轉速

根據廠商所建議的轉速控制范圍（245~300 r/min），啟動噴頭在260 r/min轉速下造粒，觀察出塔粒子正常，再以2~3 r/min的幅度降低噴頭轉速，持續觀察出塔粒子狀況。當降低到某一轉速時，粒子將出現粘連、結塊現象，表明有溢流發生；仍以2~3 r/min的幅度逐步提高轉速至溢流現象消失，將這一轉速稱為溢流轉速，是噴頭運行的最低允許轉速；改變負荷測試，不同負荷所對應的溢流轉速的連線，稱為“溢流線”（見圖4），工作轉速要始終處于溢流線的上方。可以看出，負荷和溢流轉速近似線性關系。

圖4 溫嶺噴頭的溢流線

2.2 最高允許轉速

準備3 m的測量尺，通過造粒塔中上部的窺視窗口可以測得噴頭噴灑直徑到塔壁的距離。保持負荷不變，以2~3 r/min梯次提高噴頭轉速，當粒子距塔壁小于0.8 m，可能發生粘塔現象，將這一轉速稱為粘塔轉速，是噴頭運行的最高允許轉速；改變負荷測試，連接不同負荷所對應的粘塔轉速，可得到一條“粘塔線”（見圖5），工作轉速要始終處于粘塔線的下方。可以看出，負荷和粘塔轉速也呈線性關系。

2.3 最佳工作轉速

如前所述的測試過程中，每個梯次的轉速約停留8~10 min，中心化驗室分別取樣（取樣部位為2#皮帶半成品，非包裝成品），分析粒子分布和強度，操作人員測量出塔粒子溫度，匯總數據進行對比。表1為環境溫度35℃、100%負荷測得的一組數據。

表1 100%負荷時溫嶺噴頭測試數據

圖5 溫嶺噴頭的粘塔線

綜合比較，100%負荷下噴頭轉速在260 r/min時粒度最好，且粒徑1.6~2.0 mm的粒子分布最廣（見圖6），粒子強度最高，確定為最佳工作點。

圖6 100%負荷260 r/min時的粒子分布

同樣可測得不同負荷下的最佳工作點。工作線必定在溢流線的上方、粘塔線的下方（見圖7），用于指導操作人員加減負荷時對噴頭的調節。

3 結語

圖7 溫嶺噴頭最佳工作線

2010年7月溫嶺噴頭在完成性能測試、評估后正式投運，到目前已運行了25個月，使用期間產品質量控制良好，基于測試數據所編寫的操作規程也在實踐生產中驗證了其可靠性。目前存在的問題是出塔產品粒度（2#皮帶取樣）一般能達到99%以上，而經過運輸、散庫存貯，完成包裝后的成品粒度下降較多，一般在94.5%~96%。這一現象在先后使用幾代噴頭的過程中都存在，制約著產品外觀質量的提升，需要進一步分析探討并加以解決。

[1]賈榮輝.夏季尿素粒子強度下降的原因分析[J].渭化科技，2000，（2）:28-29.

[2]張天來，葉世超，茅啟昌，等.尿素結塊原因及防結塊技術[J].中氮肥，2002，（2）：8-11.