CN108371927B - 一种具有二段沉降功能的尿素造粒塔及其处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，包括中空的塔体，设置在塔体上部的尿素喷洒机构，设置在塔体下部的收料堆积区，以及塔底侧壁上开设的通风口，其特征在于，在塔体内腔的收料堆积区上方，设有一缓冲反弹装置，从而在缓冲装置上方形成下落缓冲区。

Description

一种具有二段沉降功能的尿素造粒塔及其处理工艺

技术领域

本发明涉及一种化肥生产所用的尿素造粒塔，尤其涉及一种具有二段沉降功能的自然通风尿素造粒塔。

背景技术

尿素造粒塔是尿素生产的关键设备，为钢筋混凝土筒体构造，塔底设置进风口，塔顶设置出风口。尿素造粒工艺流程中，前道设备将尿素水溶液蒸发至99.7%浓度, 由熔融尿素泵加压送至尿素造粒塔顶部区域。造粒喷头向下旋转喷洒细流，在液体内聚力和表面张力的作用下，形成直径0.5~2.9毫米小液滴，均匀分布于塔内截面。液滴在自由落体过程中与上升气流充分逆流接触，进行质热传递，骤冷至尿素熔点132.7℃以下，凝结成颗粒并持续冷却，直至落入塔底区域，呈颗粒形态堆积。堆积区域四周的塔壁上设置有百叶窗，通过叶片开合角度调节通风量，将出料尿素颗粒温度控制在50~60℃。造粒塔的进风口设置在塔底区域的尿素颗粒堆积区之上。熔融尿素从造粒喷头喷洒后到形成合适温度的尿素颗粒所需要的高度,称为造粒塔的有效高度，具体为从造粒喷头下沿到进风口上沿的高度。

传统的尿素造粒塔以自然通风结构为主，依靠风压和热压的作用自然产生向上气流，塔内空气流速为0.8~1.5米/秒。为了保证出料温度和颗粒度，需要足够的上升风量和风冷时间，对造粒塔的有效高度要求较高，一般在50米以上。受限于建造成本、使用维护成本、建筑技术及环保等多方面因素，这类传统结构的造粒塔已无大幅提高效能的潜力。

同时，尿素颗粒的产能还受到外部环境温度的影响。冬季进风温度低，尿素下落过程中冷却速度快，颗粒固化完全，产能较高；夏季进风温度高，尿素下落过程中冷却速度慢，凝固起始点下移，颗粒固化不完全，塔底堆积颗粒因温度过高而发生粘连。因此，在夏季，造粒喷头的喷洒速度被迫降低，导致产能下降。

现有尿素造粒塔改进方案的主要思路是通过增加造粒塔内风量和风速，强化塔内的上升气流，使尿素颗粒在下落距离和下落时间不变的前提下，与上升气流的逆流接触更充分，从而加强对尿素颗粒的降温散热效果。这种技术方案通常需要在现有自然通风尿素造粒塔的外部或者内部增加一个或多个动力凤源，这除了会增加技术改造的费用，还会增加尿素造粒生产过程中的能耗，增加生产成本，导致尿素产品在市场上的价格竞争力降低。

例如，我国专利号CN 202519175 U所公开的一种生产水溶肥的双层通风造粒塔，包括塔体，塔体的上端设置有通风孔，塔体的侧面设置有物料提升通道，塔体内腔的下端设置有收料斗，其特征在于：在塔体的下端、收料斗的上方设置有通风窗，多个通风窗分上、下两排环绕设置在塔体的侧壁上。该技术方案通过增设一排通风窗，达到提高通风量、提高通风冷却效果的目的；由于单个通风窗的面积并没有加大，对于塔体的结构和强度影响不大，不会增加建造成本；采用本技术方案以后，塔体内部的通风量成倍增加，物料冷却效果好，有利于降低颗粒的破碎率、减少物料粘连收料斗，从而提高产品质量并减少后段工序的冷却降温能耗。

该引用专利的主要改进点是：设置下两排环绕在塔体下端侧壁上的通风窗。通过增设一排通风窗，达到提高通风量、提高通风冷却效果的目的。这一专利方案的本质是一种新建造粒塔建筑设计方案，不适用于已建成的造粒塔的技术改造。

另有我国专利号CN 203469934 U所公开的造粒塔排风系统，包括塔体，安装在造粒平台上部的轴流风机，轴流风机的排风口向上倾斜安装。采用该结构能够加快造粒塔内上升气流的上升速度，提高塔内热交换效率，提高肥料颗粒的冷却效果。

该引用专利通过在塔体上端安装抽风机，加速气流上升，同样能达到提高通风量、提高通风冷却效果的目的。然而，抽风机导致造粒塔能耗增加。在应用于已建成造粒塔改造时，安装抽风机容易受到安装空间、电力供应等因素的限制。

因此，如何提高自然通风尿素造粒塔的产能，降低其受环境因素的影响，是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的：旨在提供一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，通过在塔体内腔设置的缓冲反弹装置，在缓冲装置上方形成下落缓冲区，从而增加尿素颗粒的滞空时间，实现尿素颗粒与低温空气的充分热交换。

本发明所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，包括中空的塔体，设置在塔体上部的尿素喷洒机构，设置在塔体下部的收料堆积区，以及塔底侧壁上开设的通风口，其特征在于，在塔体内腔的收料堆积区上方，设有一缓冲反弹装置，从而在缓冲装置上方形成下落缓冲区。尿素颗粒不再是自由落体状态一落到底，而是在冲撞在缓冲装置上发生反弹，增加滞空时间。

优选的，缓冲反弹装置设置在塔体内腔下部距离塔体顶部尿素喷洒机构20M~40M的冷却区域内。

优选的，缓冲反弹装置为紊流缓冲帽，由中空柱体和环绕设置在中空柱体下端开口处的锥形环组成。

优选的，中空柱体内形成第一风道，锥形环与塔体内壁的间隙形成第二风道。

优选的，紊流缓冲帽的中空柱体内径与塔体内腔直径比值为0.1~0.25。

优选的，紊流缓冲帽的锥形环外径与塔体内腔直径比值为0.5~0.8。

优选的，紊流缓冲帽采用钢丝绳悬挂在塔体内腔，所述钢丝绳一端与紊流缓冲帽连接，另一端与塔体内壁固定连接。

优选的，钢丝绳至少采用3根，分别与紊流缓冲帽的中空柱体上端，以及塔体内壁连接，并保持紊流缓冲帽处于水平位置。

优选的，紊流缓冲帽的锥形环斜面与水平面的夹角角度为30°~45°。

优选的，紊流缓冲帽采用聚四氟乙烯材料制成。聚四氟乙烯（Poly tetrafluoroethylene，简写为PTFE），别称特氟龙，一般称作“不粘涂层”或“易清洁物料”。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作润滑作用。

一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，其处理工艺步骤如下：

步骤一，尿素造粒塔顶部的旋转喷头将浓度为99.7%的熔融尿液喷洒成颗粒直径为0.5mm~2.9mm的小液滴在塔体内腔自由下落，外部低温空气由塔体底部通风口引入，对高温液滴进行降温；小液滴在塔体内腔的自由落体过程中与上升的低温空气逆流接触，依次经过降温过程，相变过程和冷却过程，被冷却固化成尿素颗粒；

步骤二，外部低温空气从底部通风口引入后上升运动，当空气自下而上流经紊流缓冲帽时，部分空气从开阔的锥形环底部流入中空柱体，并从中空柱体上端开口加速流出；部分空气从紊流缓冲帽的锥形环与塔体内壁间隙流出；中空柱体加速上升的空气与周边低速空气接触面形成紊流区；

步骤三，当尿素颗粒继续下行落入紊流缓冲帽上方的下落缓冲区后，部分尿素颗粒冲撞在紊流缓冲帽的锥形环斜面上向上弹起，然后落入塔底收料处；部分尿素颗粒从紊流缓冲帽的中空柱体以及紊流缓冲帽与塔体内壁间隙落入塔底收料处。

在步骤三中，尿素颗粒受紊流缓冲帽物理阻挡向上弹起后，在塔内高速气流及紊流区的共同作用下滞留在紊流缓冲帽上方的下落缓冲区，增加尿素颗粒与低温空气的热交换时间，而后再次下落反弹，直至下落至塔底收料处。

在步骤三中，紊流缓冲帽由钢丝绳软性连接悬挂在塔体内腔中，受到尿素颗粒物以及气流的冲撞，紊流缓冲帽在可控范围内产生振动，可有效防止尿素颗粒在锥形环斜面上堆积。

采用本发明的这种技术方案，其有益效果在于：

1.利用在塔体内腔吊装的紊流缓冲帽对自由下落的尿素颗粒进行阻挡并施以反弹力，从而在紊流缓冲帽上方形成下落缓冲区。尿素颗粒越大，其受到的反弹作用力越大，反弹的高度越高，滞空时间越长。由于在造粒过程中形成的尿素颗粒越大，其集聚的热能越高，滞空时间越长，其与低温空气的热交换就越充分。通过紊流缓冲帽的物理阻挡，将尿素颗粒的下落过程分为两个阶段。第一阶段内，尿素颗粒在紊流缓冲帽上部空间呈加速下落状态，冲击到紊流缓冲帽的瞬间，尿素颗粒下降速度为0。第二阶段内，尿素颗粒反弹上升至一定高度，而后继续下落。将传统自然通风尿素造粒塔一落到底的方式改进为二段式沉降，大大延长了尿素颗粒在塔体内滞空时间，即使以较小的塔高，或较低的风量也能达到同样的颗粒温度，即使在环境温度较高的夏季，也能达到理想的产量

2.利用合理设计的紊流缓冲帽的物理阻挡，即可有效延长尿素颗粒在塔体内的滞空时间，更长的滞空时间意味着与低温空气更加充分的热交换。而且本发明的技术方案无需额外的能耗，不仅适用于新建的尿素造粒塔，而且适用于传统自然通风尿素造粒塔的改造，不论新建或改造均无需高昂的建造成本和使用维护成本，具有极高的使用价值。

3.利用文丘里效应，紊流缓冲帽采用下宽上窄的锥形结构，使得从紊流缓冲帽的中空柱体内第一风道流出的空气的流速略高于从紊流缓冲帽与塔体内壁间隙的第二风道流出的空气流速，二者的流速差使得在紊流缓冲帽上方的下落缓冲区内形成紊流，又称为乱流，湍流。紊流使得此区域内空气流动具有随机性，反弹入下落缓冲区中的尿素颗粒的运动方向受气流影响因此也具有随机性，从而进一步增加了尿素颗粒的滞空时间。

尿素颗粒受到紊流影响产生无序运动，以及紊流缓冲帽的锥形环斜面角度，使得尿素颗粒不易在紊流缓冲帽上产生堆积。同时，紊流缓冲帽采取钢丝吊装这一弹性连接方式，使得其在尿素颗粒在下落过程中的冲撞力作用下发生细微抖动，以及紊流缓冲帽采用不沾材质，也能加速紊流缓冲帽表面堆积的尿素颗粒滑落。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对这种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明的尿素造粒塔的剖面示意图；

图2是本发明的尿素造粒塔内气流示意图；

图3是本发明的紊流缓冲帽安装在尿素造粒塔内的A-A向剖面结构示意图；

附图标号说明：

1. 紊流缓冲帽；2.钢丝绳；3.造粒喷头；4. 喷洒操作间；5. 收料堆积区域；6.进风口；7.出风口；8.塔体；9.第一风道；10.第二风道。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。

这种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，包括中空的塔体8，设置在塔体8上部的尿素喷洒机构，设置在塔体8下部的收料堆积区5，以及塔底侧壁上开设的进风口6，在塔体8内腔的收料堆积区5上方，设有一缓冲反弹装置，从而在缓冲装置上方形成下落缓冲区。缓冲反弹装置为紊流缓冲帽1，由中空柱体和环绕设置在中空柱体下端开口处的锥形环组成。中空柱体内形成第一风道9，锥形环与塔体内壁的间隙形成第二风道10。所述紊流缓冲帽1的中空柱体内径与塔体8内腔直径比值为0.1~0.25。所述紊流缓冲帽1的锥形环外径与塔体8内腔直径比值为0.5~0.8。紊流缓冲帽1采用钢丝绳2悬挂在塔体8内腔中，所述钢丝绳2一端与紊流缓冲帽1连接，另一端与塔体8内壁固定连接。所述钢丝绳至少采用3根，分别与紊流缓冲帽1的中空柱体上端，以及塔体8内壁连接，并保持紊流缓冲帽1处于水平位置。

尿素造粒塔顶部的造粒喷头3将浓度为99.7%的熔融尿液喷洒成颗粒直径为0.5mm~2.9mm的小液滴在塔体8内腔自由下落，外部低温空气由塔底底部进风口6引入，对高温液滴进行降温；小液滴在塔体8内腔的自由落体过程中与上升的低温空气逆流接触，依次经过降温过程，相变过程和冷却过程，被冷却固化成尿素颗粒。紊流缓冲帽1被设置在塔体内腔下部距离塔体顶部尿素喷洒机构20M~40M的冷却区域内。此时尿素颗粒已经完成初步的冷却过程，并不会粘粘在紊流缓冲帽1上。

外部低温空气从底部进风口6引入后持续上升并运动至塔体8顶部的出风口7排出，当空气自下而上流经紊流缓冲帽1时，部分空气从开阔的锥形环底部流入中空柱体，并从中空柱体上端开口形成的第一风道9加速流出；部分空气从紊流缓冲帽1的锥形环与塔体8内壁间隙形成的第二风道10流出；第一风道9加速上升的空气与周边第二风道10流出的低速空气的接触面形成紊流区。紊流区的存在也使得塔体内腔中的气流分布更加均匀，有效的提升了热交换效率，尿素颗粒也不再做垂直的自由落体运动，而是在紊流的影响下做无序运动，从而进一步延长了尿素颗粒的滞空时间。

当尿素颗粒继续下行落入紊流缓冲帽1上方的下落缓冲区后，部分尿素颗粒冲撞在紊流缓冲帽的锥形环斜面上向上弹起，受紊流气流影响随机运动，经过一次或多次反弹后，最终落入塔底收料处；部分尿素颗粒从紊流缓冲帽的中空柱体以及紊流缓冲帽与塔体内壁间隙落入塔底收料处。

尿素颗粒受紊流缓冲帽1物理阻挡向上弹起后，在塔内高速气流及紊流区的共同作用下滞留在紊流缓冲帽1上方的下落缓冲区，增加尿素颗粒与低温空气的热交换时间，而后再次下落反弹，直至下落至塔底收料处。

经现场试验，由于紊流的影响，质量较大的颗粒会从空气流速较高的第一风道落下，质量较小的颗粒更容易受紊流影响四散运动，会从空气流速较低的第二风道落下，因此，在塔底收料处的尿素颗粒也按照颗粒质量成规律分布。

紊流缓冲帽由钢丝绳软性连接悬挂在塔体内腔中，受到尿素颗粒物以及气流的冲撞，紊流缓冲帽在可控范围内产生振动，可有效防止尿素颗粒在锥形环斜面上堆积。所述紊流缓冲帽的锥形环斜面与水平面的夹角角度为30°~45°。此夹角角度为尿素颗粒的安息角，所述紊流缓冲帽采用聚四氟乙烯材料制成，紊流缓冲帽可以采用耐腐蚀的金属制作骨架，在骨架上覆盖聚四氟乙烯板，或者采用聚四氟乙烯一体成型制作，其他耐高温，耐腐蚀的材料均可。通过斜面角度和不粘材质双重技术手段进一步保障尿素颗粒不会在紊流缓冲帽上堆积。

通过以上技术方案，最终使得收料区内在紊流缓冲帽下方的颗粒粒径，颗粒密度分布最大。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，包括中空的塔体，设置在塔体上部的尿素喷洒机构，设置在塔体下部的收料堆积区，以及塔底侧壁上开设的通风口，其特征在于：在塔体内腔的收料堆积区上方，设有一缓冲反弹装置，从而在缓冲装置上方形成下落缓冲区；所述缓冲反弹装置为紊流缓冲帽，由中空柱体和环绕设置在中空柱体下端开口处的锥形环组成。

2.如权利要求1所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，其特征在于：所述紊流缓冲帽设置在塔体内腔下部距离塔体顶部尿素喷洒机构20M~40M的冷却区域内。

3.如权利要求1所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，其特征在于：中空柱体内形成第一风道，锥形环与塔体内壁的间隙形成第二风道。

4.如权利要求1所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，其特征在于：所述紊流缓冲帽的中空柱体内径与塔体内腔直径比值为0.1~0.25。

5.如权利要求1所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，其特征在于：所述紊流缓冲帽的锥形环外径与塔体内腔直径比值为0.5~0.8。

6.如权利要求1所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，其特征在于：所述紊流缓冲帽采用钢丝绳悬挂在塔体内腔，所述钢丝绳一端与紊流缓冲帽连接，另一端与塔体内壁固定连接。

7.如权利要求6所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，其特征在于：所述钢丝绳至少采用3根，分别与紊流缓冲帽的中空柱体上端，以及塔体内壁连接，并保持紊流缓冲帽处于水平位置。

8.如权利要求1所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，其特征在于：所述紊流缓冲帽的锥形环斜面与水平面的夹角角度为30°~45°。

9.如权利要求1至8任一所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔，其特征在于：所述紊流缓冲帽采用聚四氟乙烯材料制成。

10.一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔处理工艺，其处理工艺步骤如下：

步骤一，尿素造粒塔顶部的旋转喷头将浓度为99.7%的熔融尿液喷洒成颗粒直径为0.5mm~2.9mm的小液滴在塔体内腔自由下落，外部低温空气由塔体底部通风口引入，对高温液滴进行降温；小液滴在塔体内腔的自由落体过程中与上升的低温空气逆流接触，依次经过降温过程，相变过程和冷却过程，被冷却固化成尿素颗粒；

步骤二，外部低温空气从底部通风口引入后上升运动，当空气自下而上流经紊流缓冲帽时，部分空气从开阔的锥形环底部流入中空柱体，并从中空柱体上端开口加速流出；部分空气从紊流缓冲帽的锥形环与塔体内壁间隙流出；中空柱体加速上升的空气与周边低速空气接触面形成紊流区；

步骤三，当尿素颗粒继续下行落入紊流缓冲帽上方的下落缓冲区后，部分尿素颗粒冲撞在紊流缓冲帽的锥形环斜面上向上弹起，然后落入塔底收料处；部分尿素颗粒从紊流缓冲帽的中空柱体以及紊流缓冲帽与塔体内壁间隙落入塔底收料处。

11.如权利要求10所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔处理工艺，其特征在于：在步骤三中，尿素颗粒受紊流缓冲帽物理阻挡向上弹起后，在塔内高速气流及紊流区的共同作用下滞留在紊流缓冲帽上方的下落缓冲区，增加尿素颗粒与低温空气的热交换时间，而后再次下落反弹，直至下落至塔底收料处。

12.如权利要求10所述的一种具有二段式沉降功能的尿素造粒塔处理工艺，其特征在于：在步骤三中，紊流缓冲帽由钢丝绳软性连接悬挂在塔体内腔中，受到尿素颗粒物以及气流的冲撞，紊流缓冲帽在可控范围内产生振动，可有效防止尿素颗粒在锥形环斜面上堆积。