布袋除塵在尿素造粒塔上的應用

盧敏榮

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

1 尿素造粒塔粉塵的形成

1.1 尿素造粒塔基本造粒原理

我國化工產業尿素生產所使用的造粒塔普遍采用的是圓柱形或者矩形的高大混凝土結構，造粒塔通過造粒噴頭噴灑尿素熔融物料經過通風降溫而固化形成尿素顆粒產品。

具體過程如下：高溫（約140℃）熔融狀態的尿素溶液從造粒塔塔頂的旋轉噴頭噴灑出來，線狀的液態尿素在重力和表面張力的作用下，破裂成很多微小的小段，以液滴狀態在塔內下落，被由下而上的冷空氣冷卻并凝固，落至塔底形成60℃左右的固體尿素顆粒[1]。

1.2 尿素造粒塔的粉塵產生

在造粒塔生產過程中，除了化學反應等基本原因外，尿素液柱的隨機斷裂、尿素顆粒中的水分或者游離氨就會從內部向外蒸發分離、造粒噴頭上細孔通道不規則、造粒塔內通風偏流導致的尿素顆粒碰撞，都會產生細小粉塵[2]。

因此造粒塔頂會有大量的粉塵排放到空中。據統計，尿素造粒塔每噴灑1t物料就會產生1.5kg~4.5kg的粉塵，排放的粉塵大部分都會在造粒塔周圍沉降，增加廠區周圍的大氣腐蝕強度，造成農作物減產、混凝土破裂、金屬腐蝕等現象，在當前環保大環境下，尿素造粒塔除塵已是勢在必行。

2 尿素造粒塔除塵方式和其優缺點

尿素造粒塔在尿素造粒生產的過程中，必須進行通風冷卻。造粒塔的通風方式有自然通風和機械通風2種，機械通風造粒塔是由風機來協助造粒塔通風散熱，而自然通風的造粒塔則沒有風機，靠造粒塔本身高度差形成的氣流推動力完成通風散熱，自然通風的造粒塔塔內上升氣流的推動力很小，粗略的計算公式如下。

式中：ΔP為推動力，kg/m2；H為尿素塔高度，m；ρ進/ρ出為進塔/出塔干空氣密度，kg/m3。

以50m塔高為例，進塔空氣溫度設為30℃，出塔空氣溫度設為79℃，則可取ρ進=1.165kg/m3，ρ出=1.029kg/m3，計算出ΔP=6.8kg/m2，換算成壓差值為68Pa。

早期化工行業的環保要求并不嚴格，尿素造粒塔多采用自然通風方式。自然通風由于沒有輔助通風等配套設備，因此能耗、建設成本和生產成本低。其缺點也很明顯：尿液的冷卻速度緩慢，尿素顆粒的尺寸大小受到限制，由于自然通風的氣體流動力小，造粒塔出口無法布置阻力稍大的除塵裝置，這限制了造粒塔出口除塵裝置的選擇，排放的氣體中尿素顆粒含量較大，大氣污染和尿素經濟損失也較大。

機械式通風造粒塔是采用風機輔助的強制通風設備，相比自然通風的造粒塔，機械通風造粒塔的通風量大，冷卻速度快。另外，由于采用機械強制通風，通風量大，氣體流動力強勁，因此可以在造粒塔出口選擇多種除塵裝置，對尾氣中的尿素粉塵進行捕集回收，減少對大氣的污染和尿素成品的經濟損失。當然，機械通風塔的建設成本、運行能耗、設備維護成本要比自然通風塔高。

目前造粒塔上的除塵裝置主要分濕法除塵和干法除塵。

濕法除塵典型的代表就是噴淋水洗除塵。噴淋水洗除塵工藝運行阻力小，因此可以應用于自然通風造粒塔，并且建設成本較低。但從運行效果來看，單級的噴淋水洗除塵器除塵效率不高，造粒塔口存在明顯的拖尾現象。如果布置多級噴淋水洗裝置，產生的運行阻力就超過了自然通風造粒塔的自身氣體流動力，還需要加裝風機進行輔助通風，會增加建設成本。但即便是多級噴淋水洗工藝的除塵效率也不高，并且耗水量大，廢水處理同樣也存在壓力，已經無法滿足當前的環保和排放要求。

干法除塵中首選電除塵和布袋除塵，這2種除塵方式在電力行業中廣泛應用，技術成熟，除塵效率高。1）電除塵即高壓靜電除塵，利用高壓靜電場來捕集粉塵顆粒。其優點是運行阻力小，通過布置多級電場、增大集塵面積，可以提升除塵效率，理論上可達到99.5%以上。但尿素造粒塔的情況不同于電力行業：一是空間位置限制，電力行業的電除塵建設于地面上，空間足夠大，因此可以布置多級電場來提升除塵效率；但尿素造粒塔的直徑和結構承重量都是有限的，無法在造粒塔上疊加多級電場。二是被造粒塔排放的尿素顆粒都是細小顆粒狀粉塵且伴有揮發的氨氣，電除塵運行過程中易產生火花，存在較大安全隱患。因此，電除塵并不適用于尿素造粒塔。2）布袋除塵是通過濾袋物理過濾的方式來達到除塵的目的。隨著新型高精度、耐腐蝕濾袋的研發投產，袋式除塵的除塵效率一般能高達99.95 %以上，并且效率穩定，基本上不受煙塵物化特性影響，還可捕集PM10 以下的粉塵顆粒和重金屬[3]。

3 布袋除塵應用于尿素造粒塔分析

3.1 布袋除塵的技術措施和優勢

布袋除塵技術成熟，性能優異，成本可控，已廣泛應用在電力行業等領域。

3.1.1 布袋除塵原理

布袋除塵器依靠纖維濾料做成的濾袋和濾袋表面上形成的粉塵層來過濾粉塵。通常的織物濾料，含塵氣流通過纖維層時，由于纖維間的孔隙遠大于粉塵粒徑，所以剛開始過濾時，篩分作用很小，主要是纖維濾塵機制：慣性碰撞、攔截、擴散和靜電作用。但是當濾布上逐漸形成了一層粉塵黏附層后，則碰撞、擴散等作用變得很小，主要是靠篩分作用除塵。袋式除塵器的濾塵效率高，主要是靠濾料覆膜和其上形成的粉塵層進行除塵，濾布則主要起形成粉塵層和支撐它的骨架的作用。所以為控制一定的壓力損失而進行清灰時，應保留住粉塵層，不應清灰過度，導致除塵效率顯著下降，濾料磨損加快。

新的濾袋運行中粉塵層形成、濾料間隙被填充后，過濾效率明顯提高，排放穩定在低值。

3.1.2 高精過濾技術，實現超低排放

布袋除塵技術已經應用多年，早期受限于濾袋濾料的性能影響，布袋除塵存在濾袋壽命較短、工況適應范圍較差、抗拉抗折性能差等缺點，但隨著新型的高強度、耐腐蝕、耐高溫、高過濾精度的濾料開發成熟，布袋除塵性能優異，排放穩定，可對各種粒徑的尿素顆粒、粉塵實現高效攔截，總體排放可控制在5mg/Nm3以下，實現長期穩定的超低排放。

3.1.3 布袋除塵耗能小，成本可控

與電除塵的高耗能不同，布袋除塵純靠濾袋物理過濾來實現除塵，只需配置相應的空壓機系統提供壓縮空氣來實現濾袋運行中的清灰功能即可，而且壓縮空氣使用量小，電氣設備少，總體耗能低，運行操作簡單，維護方便。而且隨著新型濾料的應用，濾袋的使用壽命大幅延長，目前常規濾袋的使用壽命可達40000h，金屬濾袋的使用壽命更長，大大延長了濾袋的更換周期，有效降低了布袋除塵的使用成本。

3.2 布袋除塵的高效清灰技術

該技術是一種高效、大流量以及低壓的長袋行脈沖噴吹技術。

清灰系統是布袋除塵器的核心技術之一。清灰效率直接影響除塵器運行阻力和濾袋壽命。清灰系統采用長袋低壓脈沖技術，采用質量穩定可靠的淹沒閥，合理設計和布置清灰系統氣路的元器件，可方便地實現清灰方式和參數的選擇和調整，以滿足不同工況的運行要求，保證清灰系統高效穩定。

圖1為該公司的二次引流專利技術，通過噴嘴末端的引流孔，在壓縮空氣通過噴嘴噴出時，可經引流孔引動周圍空氣一同噴入濾袋中，經實驗測量，可提高30%的噴吹氣量，節約了壓縮空氣用量，實現更好的清灰效果。

圖1 噴嘴末端二次引流結構及效果

3.3 高均勻性氣流分布技術，滿足造粒塔運行散熱要求

由于使用環境的特殊性，應用于尿素造粒塔上的布袋除塵器與電力行業的布袋除塵器有所不同。

尿素造粒塔的降溫性能直接影響造粒塔的產量和尿素顆粒的成型，因此尿素出塔溫度需要降到60℃以下。所以造粒塔上的布袋除塵不僅需要攔截回收尿素粉塵，實現超低排放的功能，還要有效實現尿素塔通風降溫的功能，而降溫效果與塔內的上升氣流的均布情況和風量直接相關。理論上來說，塔內的氣流分布越均勻，上升氣流與下落尿素顆粒接觸就會越充分，換熱效率越高，在塔底入口空氣溫度一定（入塔空氣的溫度按環境溫度計）的情況下，氣流分布和風量的大小直接決定了換熱量的大小。

在氣流分布方面，龍凈流體方針中心和袋除塵實驗中心通過大量模擬和實驗，使尿素造粒塔配套布袋除塵器各分室的相對流量偏差絕對值控制在5%以內，氣流均布系數δ小于0.25，氣流分布較均勻，完全可以滿足使用要求。

至于風量的大小，可以通過安裝合適的頂部風機系統和底部通風機，來加強通風，滿足布袋除塵的運行需要。

3.4 尿素造粒塔布袋除塵器的結構組成

尿素造粒塔配套布袋除塵器系統主要由殼體、花板組件、濾袋袋籠、清灰系統、風機系統、電氣控制系統等組成。

與傳統電力行業的布袋除塵不同的是，尿素造粒塔上的布袋除塵器的各個分室都需要安裝1臺單獨的風機和閥門系統來實現各個分室的投入和退出。

3.5 布袋除塵應用于尿素造粒塔的缺點

布袋除塵器相比于其他的除塵方式，也有其缺點。布袋除塵靠高過濾精度的濾袋來高效地攔截回收尿素粉塵，在穩定實現超高除塵效率的同時，不可避免地會形成較大的運行阻力，造成壓力損失，影響造粒塔的通風散熱。

在自然通風造粒塔中，自然通風的氣流上升推動力很小，因此加裝布袋除塵器后，必須加裝足夠的風機系統輔助通風，才能保證尿素造粒塔的正常生產運行。對機械通風造粒塔，因布袋除塵的阻力較大，原有風機系統的余量不足，也要對風機系統進行改造，增大風機風量，才能保證造粒塔的散熱效果。

因此，加裝布袋除塵器的建設成本相對較高。

3.6 應用案例分析

以代號項目A為例，該項目尿素造粒塔原本采用的是多級噴淋水洗強制通風式的粉塵洗滌除塵裝置，排放較高，塔出口存在比較嚴重的煙氣拖尾現象，對周圍空氣造成嚴重污染，其排放已無法達到新的環保排放標準，必須進行改造。

經過分析校核，決定將原水洗強制通風式除塵裝置改造為布袋除塵器。同時為降低改造成本，充分利用原有的各種設備，改造過程中將原水洗除塵裝置內部構件全部拆除，利用原設備殼體來布置袋式除塵設備：1）原水洗除塵裝置殼體部分（包括上部鋼殼體部分及下部混凝土殼體部分）利舊，但拆除原內部噴淋洗滌裝置，包括支撐梁、 管道、 噴頭等設備，拆除原裝置內部填料、收水器、除霧器、原頂板以及頂部設備。2）原設備拆除工作完成后，于上部鋼殼體內部重新布置花板組件、 清灰系統等。同時對鋼制殼體進行加高工作，利舊恢復頂板。3）待內外部設備安裝完成后， 安裝濾袋、 袋籠。4） 原頂部軸流風機風量等性能已不能匹配新的袋式除塵器，因此更換頂部軸流風機，風機系統采用變頻風機，可根據尿素造粒塔的產量負荷來調整風機運行頻率，從而降低運行能耗。

改造后運行效果穩定、良好，經第三方檢測，塔頂各軸流風機排放口固體顆粒物排放濃度約3mg/Nm3。

如圖2所示，完成布袋除塵改造后，運行中造粒塔頂部出口干干凈凈，沒有原先的拖尾現象，已看不到煙塵。

圖2 改造后造粒塔口的潔凈排放

相比較于原水洗強制通風式除塵裝置，袋式除塵有效減少了水耗，降低了生產系統的污水產量，增加了尿素粉塵的物料回收，提高經濟效益，滿足了新形勢下的環保排放要求。

3.7 該案例存在的問題和改進方法

以上尿素塔改造案例總體運行效果良好，長期運行過程中也發現部分問題，經后續分析，給出了改進方法。1）夏天極端高溫天氣的影響。由于尿素造粒塔的冷卻風是由塔身底部靠近地面周圍的空氣經由塔底部進入造粒塔中形成，在夏天極端高溫天氣時，地面經太陽暴曬溫度非常高，地面附近的空氣溫度相應的也高，形成的冷卻風進入造粒塔后的冷卻效果不及設計預期，在造粒塔滿負荷生產時，頂部軸流風機開到最大，依然只能將尿素顆粒出塔溫度降到65℃左右，影響尿素生產。為保證生產，該案例的改進方法是在塔底進風口增設2臺底部通風機，增加入塔風量，使造粒塔冷卻效果達到設計要求。2）由于通過軸流風機排放口的尿素粉塵顆粒細小，吸附性較強，會吸附到軸流風機電機上，侵徹到電機內部，造成了幾臺電機絕緣下降，電機燒毀。改進方法為，更換絕緣、防護等級更高的電機，可杜絕此類電機燒毀現象。

4 結語

所謂金山銀山，不如綠水青山，經濟要發展，環境更需要保護，各行業環保政策越來越嚴，環保標準越來越高是大勢所趨。布袋除塵器結構簡單，無論是尿素造粒塔新建項目還是舊塔改造項目，都可以比較便捷地加裝或改裝布袋除塵。與其他除塵器相比，布袋除塵器具有運行長期穩定、可實現煙塵超低排放、運行操作簡單可靠、設備維護簡便、低能耗且運行成本較低的優勢，能夠完全滿足尿素造粒塔在新形勢下的除塵和運行需求，將是尿素造粒塔除塵的必然選擇。