CN101580413A - 基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法 - Google Patents
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Abstract
基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，涉及化肥工程技术中的高塔熔体造粒复合肥工艺与装备的系统集成优化、改进提高的创新技术方法。本发明通过改变高塔工艺高度、出风口结构及塔底收料方式；增加工艺降温除湿；采用新的计量方式，保障配料精度；采用环境友好的粉体物料输送体系；采用尿素/硝铵/硝铵磷/硝酸磷专用熔融器设备，取消盘式熔融槽；满足低氮、高磷品种配方的生产的工艺条件和设备选型；采取节能降耗措施等七个环节解决现有工艺方法存在的生产能力利用率低、工艺适应性单一、兼容性差等弊端。同时有利于提高熔体造粒复合肥产品质量和成品率，节省装置工程投资。
Description
一、技术领域
本发明“基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法”，涉及化肥工程技术中的高塔熔体造粒复合肥工艺与装备的系统集成优化、改进提高的创新技术方法。目的在于提高熔体造粒复合肥产品质量和成品率，节省装置工程投资，解决现有工艺方法存在的生产能力利用率低、工艺适应性单一、兼容性差等弊端。
二、背景技术
本发明基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，不改变现有的高塔熔体造粒生产颗粒复合肥料的主要工艺原理：即固体尿素或硝铵(硝铵磷等)加热熔融后成为熔融液，也可以直接使用化肥厂蒸发浓缩后的熔融液。在熔融液中加入相应的磷肥、钾肥、填料及添加剂制成混合料浆，送入高塔造粒机。高塔造粒机喷洒的造粒物料进入造粒塔，在从高塔下降的过程中，与从塔底上升的气体阻力相互作用，进行热交换后降落到塔底。落入塔底的颗粒物料经筛分和表面处理后，得到颗粒复合肥料。本发明仅针对现有高塔熔体造粒复合肥工艺及其装备存在的缺陷提出了系统的集成优化方法。
造粒塔是高塔造粒生产颗粒复合肥料的主要设备，主要作用是使复合肥物料在塔内进行冷却、热交换并结晶。造粒塔的直径与高度是设备的主要指标，它与产品的生产能力及品质密切相关；造粒设备应满足复合肥造粒对各种料浆的要求，特别是对中、低氮品种复合肥的造粒应具有优良的性能；混合反应釜主要作用是将物料在设备内进行充分搅拌混合均匀，制备流动性能好的混合料浆。熔体料浆的制备是该工艺的一个关键环节，首先，磷酸一铵、硫酸钾和填充料及返料等混合料的温度一般控制在60-90℃。温度过低在与尿液混合的过程中，会降低熔体料浆的温度、增大其黏性，进而导致其流动性差，堵塞管道和造粒喷头。其次，筛分后混合物料的细度要小于0.8毫米，以保证固液混合均匀，使固体物料在混合后处于良好的悬浮状态。另外，磷酸一铵的水分要≤1.5％。水分过高，会导致熔体料浆流动性变差。水分过高，会使混合物料在加热过程中发粘，影响加热器正常工作。再者，尿液的浓度、温度、尿素熔融后的停留时间。尿液的浓度要≥98％，浓度过低在造粒过程中会使颗粒出现扁平状。尿液温度要控制在115℃-135℃范围内，尽量减少尿素熔融后的停留时间，以防止复混肥料中缩二脲含量升高。最后，要注意料浆的混合时间和混合温度。料浆的混合时间≤4分钟，而料浆的混合温度要控制在115-125℃。造粒工序也属于关键环节，会受到造粒喷头的结构型式、造粒喷头的转速、混合料浆的粘性和流动性等三个因素的影响。
2001年宁夏开元肥业引进第一套高塔造粒复合肥装置后，短短六年时间，价值上千万的高塔肥生产装置已经上了将近40套，产量也达到了三百多万吨。专家认为高塔复合肥项目的兴起并不是国内科研技术发展的结果，而是传统复合肥遭遇到了发展困境。由于以往的复混复合肥生产工艺相对比较简单，为假冒伪劣复合肥的泛滥提供了条件，这给农民带来极大的损失，也造成了农民对复合肥的不信任。另一方面，一些正规复混肥生产企业也经常会遭受被假冒的困扰，使得企业自身信誉和经济受到双重损害。高塔熔体造粒复合肥生产装置，实质是通过提高技术门槛来拓展复合肥市场，它的突出优势在于能够制造出养分高、外观好看，而且具有很好小孔防伪效果的高塔造粒复合肥，开辟了一条新的复合肥生产技术途径，为高浓度、高保真度复合肥料的发展提供了支撑。
但是，高塔熔体造粒复合肥装置从引进到国产化的七年历程中，也暴露出来诸多不利的工艺技术问题。归纳起来，主要问题在于：1)现有的塔体有效冷却高度基本都在80米以下，因塔冷却高度不够导致造粒冷却后出现半圆或扁圆形复合肥颗粒，从而增加了返料量，使成品率下降、影响产品外观质量、生产效率降低。2)高塔造粒复合肥装置的产量会受季节的影响，到了夏天的时候，由于温度比较高，空气湿度较大，肥料表面吸湿溶化较快，造成装置系统设备堵塞和腐蚀加剧，产品质量中水分偏高导致结块严重，一些企业不得不因此而停产，因此夏季高温多湿季节成为制约生产的最突出的问题。3)物料的计量设备精度低且不稳定，导致物料混合配比后各养分指标不稳定，导致产品质量不合格。4)粉体物料输送过程中易扬尘、泄漏，造成粉尘污染操作环境，造成粉体物料损失，也导致了设备腐蚀程度加剧。5)尿液在高温状态时间过长，很容易产生缩二脲。复合肥中缩二脲含量高会产生使用中的“烧苗”现象。尿素在熔融过程中会产生水解和异构化缩合，水解和缩合均消耗尿素。尿素的水解速率随温度的升高而增大，随停留时间的增加而增大。尿液浓度、温度越高，缩二脲的生成速率也越高；停留时间越长，生成缩二脲的量就越大，这对产品质量不利。6)产品品种配方单一，高塔复合肥虽然解决了传统复合肥氮含量不高的难题，但是在低氮、高磷产品上有着自身的限制。当前一些高塔复合肥企业生产的复合肥中氮磷钾比例为30∶5∶5，含量比例走了极端化，受磷含量高料浆黏度大的制约磷的含量一般都不超过10，而大田作物拔节时期对于磷的要求一般在15，所以在使用上也有一定的限制。7)混合制浆工序中存在料浆粘壁、结锅盖现象比较普遍，料浆混合强度低，造粒喷头堵塞更换频繁。8)高塔工艺的生成成本比较高，除了产能不能发挥出来外，一方面表现在原料和成品的转运上需要大量的劳动力，另一方面返料的消化处理上增加了二次转运成本，其次现有工艺设备结构选型、布局不尽合理，也是产品成本高的因素之一。
三、发明内容
本发明基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，针对现有高塔熔体造粒复合肥工艺及其装备存在的缺陷，提出了以下系统的集成优化方法：(1)提高高塔有效冷却高度利用率，减少投资建设成本，提高产品质量。(2)采取高塔内壁空气冷凝水收集结合空调降温除湿，解决夏季高温多湿季节制约生产的瓶颈问题。(3)提高物料混合计量设备的计量精度。(4)解决了粉体输送过程中的扬尘、泄漏难题。(5)实现了尿基肥料和硝基肥料两种工艺的生产互换，尿基肥料和硝基肥料两种工艺不能同时兼顾的单一化生产。(6)调整料浆的混合停留时间，提高物料的混合强度，延长造粒喷头的更换周期。(7)采取机械化作业和系统自行消化返料的措施降低生产运行成本，其次对工艺设备结构选型、工艺设备布局上进行了集成优化。
四、具体实施方法
本发明基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，是以下述方法实施完成的：
1、改变高塔工艺高度、出风口结构及塔底收料方式。在本发明基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法中，以直径18米，总高度108米高塔为实施例，保持高塔的直径和总高度保持不变，将塔体有效冷却高度提高到90米(之前塔体的有效高度基本都在80米以下)，使复合肥熔融料浆冷却结晶更充分，提高了复合肥成品的成球率和表面光滑圆整度，消除了因塔冷却高度不够导致造粒冷却后出现半圆或扁圆形复合肥颗粒。提高了产能和产品外观质量。将造粒塔的顶部出风结构由过去的内侧出风改为上部出风，出风面积由原来的侧出风的120平方米提高到150平方米，用以提高塔的通风强度。塔顶出风结构的改进，使高塔顶部出风口高度较原来的内侧出风结构降低7.6米，可降低单塔投资建设成本30多万元。把造粒塔的底部收料斗由原来的单斗收料改为多斗收料，并将收料斗由原来的地面以上收料改为延伸到地面以下收料，这样可使塔的总高度降低9米，单塔又可节省投资建设成本资金近50万元。
实施改变高塔工艺高度、出风口结构及塔底受料方式的经济技术指标比较表
| 类别 | 实施前 | 优化后 |
| 高塔直径(米) | ф18 | ф18 |
| 高塔总高度(米) | 108 | 108 |
| 高塔底部收料段高度(米) | 12 | 6.1(地上3米，地下3.1米) |
| 高塔有效冷却高度(米) | 73.4 | 90 |
| 高塔顶部设备工作间高度(米) | 13 | 13 |
| 高塔顶部出风口高度(米) | 9.6 | 2 |
| 高塔有效高度利用率(％) | 67.96 | 83.33 |
| 高塔顶部通风窗面积(米2) | 120 | 150 |
| 高塔底部收料段复合肥成球率(％) | 95 | 99 |
| 高塔底部收料段复合肥破碎空壳所占比例(％) | 5 | 1 |
| 高塔底部收料段复合肥中纯圆形颗粒所占比例(％) | 90 | 大于98 |
| 高塔底部收料段复合肥中半圆或扁圆形颗粒所占比例(％) | 10 | 小于2 |
| 高塔底部收料段复合肥中粘结粒所占比例 | 2 | 无 |
| 节省投资(万元) | 80.00 |
2、增加工艺降温除湿。本发明基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法中，在高塔底部进风窗内侧环绕高塔内壁安装空气冷凝水收集设施，将夏季高温多湿季节里顺高塔内壁流下来的空气冷凝水收集起来引流至高塔外，解决了因该部分冷凝水流入高塔底部收料斗而导致肥料溶化粘料斗壁和堵塞成品处理工序设备等不利于生产的一系列难题。为防止高塔造粒冷却后的肥料表面在成品处理工序中出现二次吸湿，在成品处理工序中引用了低温干燥的空调风对肥料进行表面降温干燥处理，既避免了肥料表面吸湿，又降低了肥料成品包装温度和水分，又能减轻肥料的结块程度，解决夏季高温多湿季节制约生产的瓶颈问题。
实施增加工艺降温除湿的经济技术指标对比表
| 类别 | 实施前 | 优化后 |
| 高塔底部收料斗粘壁(有或无) | 有 | 无 |
| 成品包装前肥料表面温度(℃) | 大于40 | 小于30 |
| 成品水分分析(％) | 1.8 | 0.7 |
| 肥料堆放板结程度 | 堆包超过5包一周内板结 | 堆包达到15包20天内不板结 |
3、采用新的计量方式，保障配料精度。本发明基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法中，改变物料的混合计量工具，淘汰原有广泛使用的传统单传感或双传感器式计量皮带秤，采用了仿“地磅秤”式计量秤，计量精度可以达到0.5％以内，保证肥料养分配比稳定，产品质量合格率可以达到99％以上。克服了传统计量皮带秤误差偏大引起的单养分波动导致产品质量不合格现象。
实施新的计量方式后经济技术指标对比表
| 类别 | 实施前 | 优化后 |
| 混合计量精度(％) | 1.6 | 小于0.5 |
| 产品单养分合格率(％) | 90.3 | 99.2 |
4、采用环境友好的粉体物料输送体系。粉体物料的输送、提升过程中的扬尘和粉体物料泄漏一直以来都是各企业在现场管理上遇到的最大的麻烦，在粉体物料的输送上，现有工艺皆采用皮带输送机，这种敞开式输送粉体物料极易引起粉体的扬尘、泄漏。本发明基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法中，改用新型全封闭式输送机，避免了粉体物料的泄漏，在不增加动力设备的情况下，保证现场操作环境更干净整洁。以往粉体物料经100多米高的斗式提升机由地面提升至高塔顶部粉体储存料仓，在卸料过程中，由于斗式提升机的瓦斗角度太小卸料不彻底，导致一部分粉体物料由斗式提升机顶部返回到底部，从底部进料口处冒出来。本发明除了对斗式提升机输送瓦斗角度和提升机的提升速度上进行了调整外还在斗式提升机的底部物料进口处新增加锁风给料装置。既解决了粉体物料泄漏，避免了粉体物料损失，又改善了现场操作环境。
5、本发明基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法中，采用尿素/硝铵/硝铵磷/硝酸磷专用熔融器设备，取消盘式熔融槽。这样一来，既避免了因使用盘式熔融槽生产尿基肥时出现的尿液停留时间过长而产生水解和异构化缩合生成缩二脲现象，又避免了因使用盘管式熔融槽生产硝基肥熔融硝铵时因低温共熔物料存在熔融温度控制过高导致硝铵自燃事故。采用尿素/硝铵/硝铵磷/硝酸磷专用熔融器设备后，较盘式熔融槽操作控制，更安全、容易。实现了尿基肥料和硝基肥料两种工艺的生产互换，尿基肥料和硝基肥料两种工艺不能同时兼顾的单一化生产。
6、本发明基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法中，满足低氮、高磷品种配方的生产的工艺条件和设备选型。工艺混合时间由原来的4分钟延长至6分钟，改单一槽为多槽分次混合，淘汰双层桨叶式搅拌浆，采用高速高效式搅拌器，搅拌浆叶的端点线速度由双层桨叶式搅拌浆的3-4米/秒提高到8-10米/秒，提高了物料的混合速度和均匀度，解决了混合槽粘壁和结锅盖现象。在制浆工序新增加料浆过滤设备，将混合料浆内的杂物和块状物在进造粒机之前一次性地过滤出来，延长造粒喷头的更换周期。
实施低氮、高磷品种配方的生产的工艺条件和设备选型后的经济技术指标比较表
| 类别 | 实施前 | 优化后 |
| 造粒喷头更换频次(小时) | 4-5 | 72以上 |
| 混合槽粘壁和结锅盖现象 | 严重 | 无 |
| 低氮、高磷品种配方生产工艺性 | 困难 | 容易 |
7、采取节能降耗措施。本发明基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法中，采取系统内部产生的返料全部自行消化，由皮带输送机将成品工序筛分下来的返料(大小颗粒肥料)输送回粉体系统进行计量、破碎后重新混合造粒，不存在二次包装转运成本。采用了自动包装机、自动倒袋机、远距离皮带输送机和自动堆包机，实现工序的自动化操作生产，节省人员约20人，较使用人工包装、转运和堆存，成本显著降低。通过工艺设备结构选型、工艺设备布局上进行了集成优化，使设备结构更合理、工艺设备布局更紧凑，节约土地使用面积，降低动力消耗。
实施节能降耗措施后的经济技术指标比较表
| 类别 | 优化前 | 优化后 |
| 返料消化处理成本(元/吨) | 6-8 | 1-2 |
| 包装转运堆存用工(人/班) | 15 | 7 |
| 包装转运堆存成本(元/吨) | 15 | 5 |
| 设备占地面积(平方米) | ||
| 动力消耗(千瓦时) |
Claims (7)
1、基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，其特征是以直径18米，总高度108米高塔为实施例，保持高塔的直径和总高度保持不变，将塔体有效冷却高度提高到90米。将造粒塔的顶部出风结构由过去的内侧出风改为上部出风，出风面积由原来的侧出风的120平方米提高到150平方米。把造粒塔的底部收料斗由原来的单斗收料改为多斗收料，并将收料斗由原来的地面以上收料改为延伸到地面以下收料，这样可使塔的总高度降低9米。并且保持下表1的技术参数：
表1
。
2、按照权利要求1规定的基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，其特征是在高塔底部进风窗内侧环绕高塔内壁安装空气冷凝水收集设施，将夏季高温多湿季节里顺高塔内壁流下来的空气冷凝水收集起来引流至高塔外；在成品处理工序中引用了低温干燥的空调风对肥料进行表面降温干燥处理。
3、按照权利要求1和权利要求2规定的基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，其特征是改变物料的混合计量工具，淘汰原有广泛使用的传统单传感或双传感器式计量皮带秤，采用了仿“地磅秤”式计量秤，计量精度可以达到0.5％以内，保证肥料养分配比稳定，产品质量合格率可以达到99％以上。
4、基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，采用尿素/硝铵/硝铵磷/硝酸磷专用熔融器设备，取消盘式熔融槽。
5、按照权利要求1和权利要求4规定的基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，其特征是工艺混合时间由原来的4分钟延长至6分钟，改单一槽为多槽分次混合，淘汰双层桨叶式搅拌浆，采用高速高效式搅拌器，搅拌浆叶的端点线速度由双层桨叶式搅拌浆的3-4米/秒提高到8-10米/秒，提高了物料的混合速度和均匀度，解决了混合槽粘壁和结锅盖现象。在制浆工序新增加料浆过滤设备，将混合料浆内的杂物和块状物在进造粒机之前一次性地过滤出来，延长造粒喷头的更换周期。
6、基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，采取系统内部产生的返料全部自行消化，由皮带输送机将成品工序筛分下来的返料(大小颗粒肥料)输送回粉体系统进行计量、破碎后重新混合造粒，不存在二次包装转运成本。采用了自动包装机、自动倒袋机、远距离皮带输送机和自动堆包机，实现工序的自动化操作生产，节省人员约20人，较使用人工包装、转运和堆存，成本显著降低。通过工艺设备结构选型、工艺设备布局上进行了集成优化，使设备结构更合理、工艺设备布局更紧凑，节约土地使用面积，降低动力消耗。
7、按照权利要求1至权利要求6规定的基于高塔熔体造粒复合肥工艺的系统集成优化方法，用于对现有高塔融体造粒生产复合肥料工艺的装置进行技术改造、工艺条件修改和新建高塔熔体造粒复合肥装置及其设计。
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