硝酸銨造粒塔粘塔原因分析及對策

李 勇

(天脊煤化工集團有限公司，山西 潞城 047507)

引 言

天脊集團硝酸銨裝置引進法國K-T專利技術，采用管式反應器法、塔式造粒法生產硝酸銨、多孔粒狀硝酸銨、硝酸銨溶液產品，單套裝置生產能力為20萬t/a。硝酸銨造粒塔有效高度39.164 m、內徑7 m，由于造粒塔內徑偏小，造粒塔粘塔嚴重，每月需要停車清洗2次～3次，每次消耗消防水約80 t，清洗后的廢硝酸銨溶液送至公司硝酸磷肥裝置回收利用。造粒塔粘塔嚴重不僅制約了裝置的連續運行周期，也給硝酸磷肥裝置廢水回收帶來了壓力。

1 硝酸銨造粒原理

96%的硝酸銨溶液由熔融泵打至塔頂受槽，然后進入造粒噴頭，物料在靜壓作用下從39.164 m處的造粒噴頭噴出，物料向下降落，與上升的空氣逆流接觸冷卻結晶，形成顆粒。造粒過程可分為3個階段：第一階段，硝酸銨溶液流出噴頭，成線狀拋物線向下降落；第二階段，線狀溶液斷裂，在表面張力的作用下形成球狀液滴；第三階段，球狀液滴逐漸凝固成固體顆粒，顆粒逐漸降溫，最終落至塔底皮帶上[1]。如圖1所示。

圖1 硝酸銨溶液造粒過程

2 硝酸銨造粒塔粘塔嚴重的原因分析

2.1 硝酸銨液滴(顆粒)運行分析

液滴開始下落時，其加速度具有最大值，當速度不斷增加到某一數值時，阻力、上吹風力、浮力、重力達到平衡，這時顆粒開始做勻速下降運動[2]。硝酸銨液滴受力分析如圖2所示。

圖2 硝酸銨液滴受力

根據圖2液滴的受力情況列出式(1)～式(2)和第86頁式(3)～式(4)關系式。

G=mg=(π/6)d3ρsg

(1)

Fb=(m/ρs)ρg

(2)

Fd=ξA(ρu2/2)

(3)

Fc=Auc2ρ/2

(4)

式中，G為重力，N；d為硝酸銨小液滴的直徑，m；ρs為硝酸銨小液滴的密度，kg/m3；Fb為浮力，N；ρ為空氣密度，kg/m3；Fd為阻力，N；ξ為曳力系數，ξ=18.5/Rep0.6；Rep為硝酸銨小液滴在空氣中的雷諾系數，Rep=duρ/μ；μ為空氣黏度，Pa·s；A為顆粒面積，A=πd2/4，m2；u為顆粒飛行速度，m/s；Fc為上吹風力，N；uc為上吹風力速度，m/s。

根據牛頓第二定律：G-Fb-Fd-Fc=ma，可得a=g-(ρ/ρs)g-ξ(3ρu2/4dρs)-3ρuc2/4dρs。

2.2 粘塔分析

造粒塔粘塔的直接原因是硝酸銨顆粒沒有完全凝固就運行至造粒塔塔壁和塔底。

2)從硝酸銨液滴(顆粒)的加速度公式可以看出，形成的硝酸銨液滴(顆粒)直徑越大，運行時加速度就越大，下落時間就越短，越容易造成造粒塔粘塔；上吹風力越大，其加速度越小，下落時間越長，不容易造成造粒塔粘塔。

3)造粒硝酸銨溶液溫度越高，硝酸銨液滴本身含熱量越多，結晶越慢，越容易造成粘塔。

4)硝酸銨溶液濃度與溫度的關系如表1所示。可以看出，硝酸銨溶液質量分數越低，結晶溫度點越低，結晶越慢，越容易造成粘塔。

表1 硝酸銨溶液質量分數與溫度的關系

5)造粒噴頭孔徑越大，形成的硝酸銨液滴粒徑越大，硝酸銨下落速度就越快，并且直徑大的硝酸銨液滴本身含熱量多，降溫面積相對較小，因此造粒噴頭孔徑越大，越容易造成粘塔。

6)停一組噴頭時要用0.8 MPa蒸汽吹凈管線中的硝酸銨溶液，吹出的硝酸銨溶液速度大，吹出的硝酸銨溶液直接粘在塔壁上，因此噴頭開停頻繁容易造成粘塔。

3 采取措施

3.1 降低塔頂受槽液位

在滿足裝置負荷的前提下，將塔頂受槽液位由原來的80%降低至70%，以降低硝酸銨液滴(顆粒)水平分速度，減少造粒塔粘塔。

3.2 降低硝酸銨溶液溫度

生產硝酸銨產品時，在不影響造粒效果的前提下，將造粒硝酸銨溶液溫度由原來的162 ℃降低至157 ℃，以減少硝酸銨液滴本身的熱量，縮短凝固時間，減少粘塔。

3.3 提高造粒硝酸銨溶液濃度

硝酸銨產品是在多孔硝酸銨裝置上開發生產的，造粒硝酸銨溶液濃度按照生產多孔硝酸銨指標控制在96%，由于生產硝酸銨產品不加添加劑，硝酸銨與多孔硝酸銨相比結晶速度慢，導致生產硝酸銨產品時，造粒塔粘塔嚴重。針對這種情況，生產硝酸銨產品時，將造粒溶液質量分數從96%提高至97.5%，造粒硝酸銨溶液濃度提高后，造粒塔粘塔明顯減少，同時造粒塔底的落料由原來的2 t/d～3 t/d減少到1 t/d，并且工業硝酸銨產品的強度也明顯增高。

3.4 使用小孔徑的造粒噴片

原使用兩種孔徑的造粒噴片，一種是0.8 mm的噴片，一種是0.9 mm的噴片。由于工業硝酸銨不加添加劑，結晶較慢，粘塔嚴重，因此在生產工業硝酸銨時，優先選用0.8 mm的噴片。

3.5 增大造粒引風機頻率控制值

上吹風力越大，硝酸銨液滴下降越慢、結晶越快，落至塔底的時間越長，越不容易粘塔，夏季生產時將造粒引風機頻率控制最高。

3.6 定期檢修造粒噴頭接口

如果造粒噴頭接口不處于水平狀態，造粒噴頭向造粒塔傾斜，硝酸銨溶液從噴頭噴出時的水平方向上的分速度增大，容易造成粘塔，鑒于這種情況，每年對造粒噴頭進行接口檢修維護，使造粒噴頭處于垂直懸空狀態。

3.7 改造造粒噴頭

由于造粒噴頭設計不合理，只能整組(3個噴頭)開停，造成噴頭開停頻繁。針對這種情況，對造粒噴頭進行了改造，中間一組噴頭由原來的一起控制改為單個控制，改造后減少了造粒噴頭開停次數。

4 實施效果

以上措施實施后，造粒塔粘塔情況明顯改善，因造粒塔粘塔造成的裝置停車次數和時間減少，裝置的連續運行時間由原來的10 d～15 d延長至30 d～40 d，每年減少落料及粘塔硝酸銨約700 t，減少廢水排放約1 500 t，并且降低了工人的勞動強度，具有很好的經濟效益和社會效益。