CN87103117A - 塔式造粒旋转喷头 - Google Patents

Abstract

本发明属于化肥造粒技术。现有塔式造粒旋转喷头喷孔均布，下部给料，存在着喷洒密度尖峰过高及颗粒冷却不均、粉尘含量高、也常发生喷洒线的交错，造成颗粒不凝粘结塔底等。本发明提出了在喷头内设置一种微分横向供料结构，以改善喷洒状况；还提出了在喷头内设置微分横向供料结构的同时，并在锥壁上配以按等重量密度喷洒设计制造喷孔的改进技术，可理想地控制造粒过程。本发明也可用于其它产品的造粒过程。

Description

本发明属于化肥造粒技术。

塔式造粒旋转喷头装置主要由熔液进料管、喷头及转动机构三部分组成。熔液从进料管进入喷头。喷头呈锥体形状，锥面开孔，当喷头转动时，由于离心力的作用将熔液从小孔喷出。喷头一般是由1～3毫米厚的耐腐蚀钢板卷制成的空心园锥体，锥壁上有多排小孔，孔径为0.9～2.0毫米，孔间距6毫米左右均布，开孔直径由下而上逐渐增加。有的喷头内部沿锥壁也有加设数块推液板或垂直隔板，可以保证料液在锥壁上形成与喷头同步旋转的液层。随负荷高、低的变化该旋转液层自动升降。有关现有技术可参见〔《气提法尿素生产工艺》，大连工学院编，石油化学工业出版社，P146～P147（1978）〕和〔《硝酸铵生产工艺与操作》，吉林化学工业公司化肥厂编，化学工业出版社，P188～P189（1980）〕。

在现有技术中，由于物料被送至喷头的底部，随喷头一起旋转料液自下向上流动并经锥壁喷孔喷出，如此则造成液层下厚上薄的动态变形，使各排孔实际喷量偏离按相对静态计算值的数值，从而引起整个喷洒状况的改变。均布喷孔下部给料的喷头喷洒时在塔内出现极为突出的重量密度分布尖峰;如果每排孔按动态层厚考虑，将使液层厚度的计算变得十分复杂与繁琐难以实现。目前国内外化肥造粒所用的喷头都是均布喷孔，对不同生产能力的造粒喷头的设计主要凭经验，没有一个完整的设计理论基础。直到1983年本发明人在〔《氮肥工艺设计手册    硝酸    硝酸铵    分册》，化工部化工设计公司主编，化学工业出版社，P518～P525（1983）〕中才首次公开了旋转造粒喷头设计计算方法，但至今，国内外尚没有应用该理论基础制造的造粒喷头。

目前国内外的旋转造粒喷头存在以下问题：

1.由于缺少正确严格的计算理论与实验数据，喷头的正常工作能力常不能准确符合生产规模，造成能力过大或不足。前者将出现颗粒状况变坏，空心及细粉增多，合格率下降，以致达不到产品标准，同时伴生大量粉尘带出塔外造成环境污染与产品损失。后者将会发生喷头溢流污染操作室并造成停产。现有适于一定产量的喷头都是凭反复试验摸索改进而成。

2.喷头与塔径不能很好配合，塔径过小时，造成塔壁粘结，已引起生产事故多起;塔径过大，造成空气走短路。

3.由于喷头内结构和喷孔的设计制造不合理，常产生部分射流交错现象，造成颗粒碰撞长大不凝粘结于塔底，即使设有刮料机的塔底集料装置，一般数月，严重者不足一个月即在刮料机臂上粘起1～2米高驼峰状坚硬结块，难以破碎，被迫停车。

塔壁及塔底的粘结需要周期地冲塔除疤，不仅干扰了生产的正常进行，造成产品损失和污染;还时常酿成人身伤亡事故。

4.喷洒密度尖峰过高造成颗粒冷却温度不均。而且由于局部喷洒阻力过大造成该地带通风量锐减，加倍恶化颗粒的冷却效果。冷却不均，从设计上来说必然要依照最坏条件增加塔高。在密度尖峰带对于过大的颗粒而言，塔高也会不满足粘结落程，从而也造成塔底粘结。

5.粒子尚不够均匀。常有细碎的与大空的颗粒产生。

6.粉尘量较大，如大型尿素造粒塔排放气中含尘浓度一般在180～300毫克/标米³。

为解决上述问题，需制造出一种喷洒能力符合生产规模和负荷变动要求、能与造粒塔配合适当、喷洒密度均匀、颗粒均匀、喷洒线不发生交错且粉尘量少的运转可靠的旋转造粒喷头，本发明提出了如下二种技术方案。

第一方案，针对现有旋转喷头内液层下厚上薄的动态变形引起的整个喷洒状况的改变这一事实，本发明采取就地供料的办法，即在喷头内设计了一种横向供料结构，这种结构，可以是微分横向分料板或微分横向分料盘等。关于微分横向分料盘的结构见图1。在这种结构中，其微分横向分料盘的盘数可是≥1的任意一个正整数。

带微分横向分料盘的塔式造粒旋转喷头，是在内壁上装有数块推液板或不设推液板的空心园锥体喷头内按装有一至多层微分横向分料盘〔4〕，每层的横向分料盘中心开有自上而下逐渐减小的下料孔〔5〕，每层横向分料盘的外缘上垂直焊有3-4块连接板〔7〕，连接板〔7〕的另一端设有开孔，借助于螺栓、螺母与固定在喷头上盖〔2〕上的带有最小孔边距只有数毫米的一排连接孔的推液板〔6〕相连接。推液板〔6〕一般可设3-4块，与横向分料盘上的连接板数相对应。

这种供料结构的工作原理是由上部固定下料管流出的物料流柱被内孔依次变小的分料盘层截取加以横向分配。每层截取它所负担供应的量。分料盘固定于喷头骨架上随着旋转，因而被截取的物料落入板面后同步旋转，并依靠离心力流向喷头壁上的旋转液层。在进入旋转液层后将继续沿壁面向上分配经喷孔喷出。由于离心力较小，故对于液层的冲击力不大。当分料层数越多，则每层流量越少，此冲击力亦越小，为了克服这种冲击力对喷孔工作的影响，可在增加层数的前提下，或在正对料层位置上不开设孔口（一般减少1～2排孔即可），或将板做成有斜边的盘以抵消此冲击力并导向。当分料盘与喷头壁较接近而被埋入液层内部时，旋转液层在盘面高度处可能局部增厚，离心力突增会使粒子增大和喷洒线在空间交错。因此应使分料盘外缘与旋转液层保持一个距离为宜。视喷头大小及分料盘的位置，使盘外缘与喷头壁留有20～50毫米的距离。

每层分料盘内孔直径由其所分配的量决定。每层量可按该盘至上一盘之间喷孔所喷出的总量计算。

内孔直径序号由大往小排列，每盘内孔直径dn由下式计算：

$\mathrm{d\; n\; =}\sqrt{d{}^2{}_{\mathrm{n\; -\; 1}}\mathrm{-\; \phi \; n\; d}{}^2{}_0}$

或 ${\mathrm{d\; n\; =\; d}}_0\sqrt{\mathrm{1-\; \phi \; 1-\; \phi \; 2-\; \dots \dots -\; \phi \; n}}$

式中φn-第n盘分配量（Gn）与喷头总喷量（Gl）比值

φn＝Gn/Gl，需注意， $\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\phi \; n\; =\; 1}$ ，而盘数为N-1块。

dn-1-第n盘上面一块盘的内孔直径

do-下料管出口直径。

为保证各板面都能截取所分配的流量，先决条件是下料管流柱必须是密实的。倘管径过大，管内物料将沿管壁流动而呈空心流。为此必须设计合理尺寸的下料管出口直径。出口直径愈小则管内保持的液位愈高，反之则液位愈低直至超过极限值而破坏了密实流。管口直径的确定要考虑到安装条件所允许的液位最大高度及保证负荷变动时始终保有密实流状态的要求。但在设计中也不宜使液位过高，造成较大的向下冲击力，因为当液柱被分料盘阻挡后将向上反射跃起并且可能直接冲向旋转液层。为克服反射流动，除减小冲击力外，缩小盘距亦利整流。

液位高低主要由下料管出口面积来控制。设出口直径为d_o，管道直径为

d，则自出口计起的液位高度H1由下式计算

H1 = ((1+ξ₀)d⁵G²l)/(ε²d₀ ⁴(1.234gγ² _sd⁵-λC² _l）)

式中G1-流量，以公斤/秒计;

λ-下料管摩擦系数，一般为0.015～0.02;

ξ_o-出口局部阻力系数，流线型管嘴取ξ_o≌0.04;

ε-出口流股收缩系数，流线型管嘴取ε＝1;

γs-物料比重 公斤/米³;

g-重力加速度 米/秒²。

综上所述，喷头内分料盘数增多，有利于喷孔的稳定工作，更能充分体现本发明的优越性，但分料盘数过多，增加制作上的困难，一般依不同能力在2～25块。

上述发明方案的喷头是在不考虑喷洒密度分布要求的情况下设计制造的，其喷孔可以按照现行的均布状况制造。使用这一结构，喷洒线很少在空间发生交错，塔内横向密度分布有较好地改善，密度尖峰降低且向外推移，颗粒温度的分布也起了相应的变化。有关本发明方案的效果可见实施例1和实施例2。

按上述发明方案设计制造的喷头，会使造粒过程有明显的改善，但喷量大部分还是集中在一个较窄的环带内，加之空气有效作用系数较低，造成狭带内颗粒温度在塔的底部仍比边缘处高5～10℃。因此在上述第一种方案的基础上本发明又进一步提出了第二种改进技术方案，即喷头的合理设计制造方法应该是在采用横向供料结构的同时在锥壁上配以按等重量密度喷洒设计制造的喷孔。

本发明第二方案中，喷头内的横向供料结构、工作原理、同前述的第一方案，其微分横向分料盘的盘数也是≥1的任意一个正整数。

等重量密度喷洒是指颗粒在塔断面内喷洒带上，每单位面积内通过的物料重量相等，故各点散热强度大致相同，以保证颗粒有比较均一的冷却率，同时空气也有比较均衡的温升率。关于在已知喷量，粒径要求，塔径和落程的条件下，按等重量密度喷洒要求的计算方法及包括塔内环带的计算（指碰壁落程上的塔断面的环带分布）、喷孔及其位置计算、喷孔喷量、各排孔数计算及其性能计算，本发明人在前述的《氮肥工艺设计手册，硝酸    硝酸铵    分册》中已有详尽的描述。按照等重量密度喷洒的要求，喷头上孔的分布即是根据通过塔的某一断面（通常取通过喷洒带与塔壁相接触的落程上的断面）内的单位面积的喷洒量相等量的这条原则确定的;其每排孔径的选择是从保证制造均匀颗粒的需要出发，根据喷孔的喷量及初速度做出适宜的选配的。

必须指出采用横向供料结构与按等重量密度喷洒设计的喷孔相结合制造的喷头，可使等密度喷洒的优越性得以实现并充分发挥。

按本发明的第二方案设计制造的“不同生产能力尿素（或硝铵）的造粒喷头的特性数据范围”见表1。

表1

生产能力（万吨/年）    4-5    8-11    24    48-52

相配塔径（米）    φ9    φ12    φ16    φ18

转数（转/分）    330-360    300-360    280-330    240-330

排数（排）    25-40    50-70    80-100    90-130

排距（毫米）    3-15    4-15    4-15    4-20

孔数（个）    1500-3000    3000-6000    4000-7000    9000-15000

孔径（毫米）    φ0.9-1.3    φ0.9-1.5    φ0.9-1.5    φ0.9-1.5

孔距（毫米）    3-10    4-10    4-15    5-20

本发明的第一方案和第二方案对固定转速或可变转速的塔式造粒旋转喷头皆可适用。

与现有技术相比，按本发明的方案，特别是第二方案设计制造的喷头其优点在于：

1.喷头正常的生产能力恰好适应于生产规模，喷头允许的负荷变动范围恰好适于生产装置通常的变化范围;

2.喷洒范围与塔径配合恰当，不粘壁又能封满断面，减少短路风量;

3.喷洒密度分布均匀，因而冷却空气分布均匀，空气温度横向分布亦较均衡，故颗粒冷却温度较均衡，无须因出现密度尖峰增加塔高。出料温度较目前一般低5-10℃;

4.颗粒均匀，合格率高达96-98%或更高;

5.粉尘排放量较少，有时排放气中粉尘含量甚微，可以取消收尘系统;

6.喷洒线无交错现象，防止了颗粒碰撞长大及颗粒不凝而粘结塔底。

基于上述原因，本发明的造粒喷头在化肥及其它塔式旋转喷头造粒生产过程中必将很快代替已有的造粒喷头，它将为生产过程实现安全、优质、低消耗显示其最优越的性能。

附图说明

图1.微分横向分料盘的结构

其中：1.固定下料管    5.分料盘下料孔

2.喷头上盖    6.推液板

3.喷头锥壁    7.分料盘连接板

4.微分横向分料盘

图2.旋转造粒喷头上部供料状况示意图

图3.均布喷孔旋转造粒喷头上部供料时喷洒密度和温度分布曲线及与下部供料时的比较

其中    T：尿素温度    ℃

G：接料量    公斤

Q：塔中心线

S：与塔中心线距离    米

曲线1：下部供料喷洒密度线

曲线2：下部供料颗粒温度线

曲线3：上部供料喷洒密度线

曲线4：上部供料颗粒温度线

图4.均布喷孔四层横向供料喷头喷洒带外缘轨迹线与造粒塔直径的配合

其中A：16.85吨/小时最外缘喷洒线

B：21.6吨/小时最外缘喷洒线

a：较稀疏带

b：颗粒未冷凝

c：密集带颗粒已不粘结

d：开始见颗粒位置，颗粒已冷硬

e：开始变密位置，颗粒未冷硬

图5.年产48万吨尿素装置，采用本发明第二方案的喷头与使用荷兰喷头喷洒密度的对比情况

曲线1：荷兰喷头密度分布情况

曲线2：本发明喷头密度分布情况

G：接料量    公斤

S：与塔中心线距离    米

图6.本发明第二方案的不同生产能力的尿素造粒喷头与荷兰喷头喷洒密度分布情况对比

其中    曲线1：1620吨/日    本发明喷头，等密度喷洒

曲线2：400吨/日    本发明喷头，等密度喷洒

曲线3：200吨/日    本发明喷头，等密度喷洒

曲线4：1620吨/日    荷兰均布喷孔底部供料喷头

下面是本发明的实施例，用来不加限制地说明本发明。

实施例1

引进尿素旋转造粒喷头，孔眼均布，喷孔喷量67吨/小时（1620吨/日尿素），喷头原为下部供料，将喷头改为上部供料，即在下料口下面50毫米处加一直径87毫米的横向供料板，使来自进料口的尿液落到盘上后向四周反射至喷头的顶端，再沿锥壁下流。结果使液层状态改变，上厚下薄，各排喷孔之喷洒线近于平行，且越向外，每层轨迹线距离越大，同时使塔内横向密度有所改善。密度尖峰降低，且向外推移，颗粒温度分布也起了相应变化。上部供料状况示意图见图2，上部供料塔内颗粒密度和温度沿塔径方向的分布曲线，并与下部供料时作比较见图3。

经过这样的供料方式的改变，通常运行一个月只粘结30-65毫米。表2是上部供料时连续运行一个月刮臂结块厚度的测量情况。

表2

距塔中心（米）    0    2    4    6    8

刮臂背面粘结厚度（毫米）    48    45    65    30    34

分析得知，粘结块不像下部供料那样坚硬，用手可以掰开，手指搓捻可成粉末。主要是粉尘的沉积，证明该种供料方式可消除喷洒线交错现象，从而消除塔底不凝物的粘结。

但是由于喷头喷孔是均布的，虽然将供料方式从下部改为横向供料的极端情况-全部顶部供料，也未能显著消除喷洒密度的尖峰。欲解决这个问题必须采用本发明第二方案，即配以按等重量密度喷洒设计法确定的喷孔分布。

实施例2。

生产规模为11万吨/年尿素，φ9米造粒塔，要求塔壁与塔底均不得有粘结发生，而且在超负荷25%时不致粘结塔壁，但正常负荷喷洒带又必须封满塔断面以防止冷却空气过多短路流动。

按本发明技术方案1设计了分四层横向供料带均布喷孔的喷头。对应上述规模的设计能力为17吨/小时。在16.85及21.6吨/小时操作负荷下做了试用测定。表明21.6吨/小时（即超负荷27%）喷洒时也未发生溢流，塔底均无粘结发生。最大粘结落程在试用期间的气温下为23～24米，此时最外缘喷洒线距塔壁尚有200毫米。表明本喷头设计达到了与要求的能力相符，与塔径相配和喷洒线无交错现象。测定显示出，距塔壁200～500毫米范围内是稀薄的喷洒区，这表明了均布喷孔喷头的弊端。喷洒外缘轨迹线测定结果示于图4。粒子组成十分均匀，合格率（0.8～2.5毫米）达98.9%，且其中1～2毫米的达85%。详见表3。此外该喷头在9吨/小时工作时观察到的颗粒状况与16吨/小时无明显变化。

表3

负荷    大气  出料  排风    颗粒尺寸组成%，毫米    合格

温度    温度  温度  率

吨/时  ℃      ℃    ℃  ＞2.5    2.5-2.0  2.0-1.5  1.5-0.8  0.8-0.44    %

16.85    21    39-42    36    1.53    18.05    57.45    22.40    0.30    98.17

21.60    18    38-39    36    0.85    13.70    55.55    29.70    0.25    98.90

实施例3。

按等重量密度喷洒法设计制造的48万吨/年尿素生产装置旋转造粒喷头，在45米落程处设计的最大喷洒带半径为8.5米，里半径为2.5米。采用2毫米薄不锈钢板卷制，精细加工，内设20层微分横向分料盘。

（1）.测定在22.5米落程上的喷洒密度

在同样运转条件下，使用本发明第二方案的喷头与荷兰喷头喷洒密度分布的对比情况见图5。

从图5可见密度分布较荷兰喷头平坦得多，当落至设计落程45米处时显然更趋平坦且喷洒带扩展至8.5米半径处。但从图中可见在2.5米半径以内有料，且在6.5米半径处仍出现密度隆起，这是由于通风流动中出现横向回流的扰动所致。本喷头系在φ20米塔径内试用的。这种扰动现象从距中心愈近颗粒分布愈小的测试结果得到证明，存在风选作用。

（2）.22.5米落程上空气横向温度分布测定结果见表6

表6

距塔中心距离    米    1    2    3    4    5    6    7    8    9

空气温度    ℃    35.3  36.5  36.8  36.7  38.0  37.0  37.0  30.2  27.1

大气温度    ℃    21.1

可见温度分布与密度分布变化相似，与图3中密度呈尖峰分布下的气温分布线相比，由于密度分布的改善使空气温度分布在喷洒带内均衡得多，只有1.5℃之差，而前者达40℃之多。

（3）.颗粒组成见表7。合格率（0.8～2.5毫米）高达97.21%。其中1.25～2.0毫米的也高达82%，可见颗粒十分均匀。

                  表7

（4）.粉尘排放情况

在排风道中部测定粉尘浓度4次，分别为92.5，85.3，82.6，85.3毫克/米³，平均为86.4毫克/米³。排风温度为63℃，即有106毫克/标准米³。又依风量与喷量测定结果算得平均每吨尿素产生的粉尘量为0.8297公斤/吨与引进的某48万吨/年尿素考核消耗指标测试结果，即排气中粉尘浓度为297毫克/标准米³每吨排放量为2.0公斤/吨尿素相比减少58.5%。

（5）.塔底粘结情况

试喷9天，塔底刮料机回转臂的正面结疤厚度为30-40毫米，回转臂背面为15～25毫米，平均每天为2～4毫米/天。对结疤状况的肉眼与显微镜观察和打击试验表明属大颗粒粉尘粘结，与实施例1上部供料时的粘结状况类同。极易破碎，手搓即出粉末。粉尘是呈大面积散落的，因此在喷洒带范围内均有粘结。密度大的地方粉尘量稍大。表明无喷洒线交错现象从而没有不凝物的粘结。

实施例4

（1）.按本发明方案2，即喷头内设置微分横向分料盘，喷孔按等重量密度喷洒法设计制造的不同能力的尿素旋转造粒喷头测试结果在造粒塔内喷洒密度的分布情况及其与荷兰喷头的对比见图6。

（2）.800吨/日尿素喷头在塔的排风道当中在三个日期内每次测得的排气中含尘浓度如下（括号内为折合每吨尿素排放的粉尘量）：

①84.34（0.78）;85.57（0.79）

②30.9（0.72）;67.4（0.64）;84.3（0.84）;99.5（0.89）

③37.7（0.43）;52.8（0.60）

上述排放情况已被当地环保局所允许，无须设置收尘系统。能力小的喷头测得的排放粉尘浓度更低。

（3）.不同能力喷头制造的颗粒合格率见表8

表8

喷头设计能力    吨/日    800    400    200

颗粒合格率（0.8-2.5毫米）%    96.83    98.90    98.90

实施例5

按本发明第二方案设计制造的5万吨/年硝铵造粒喷头。

设计条件：喷量7吨/小时，变动范围70～120%，出料温度小于100℃（后设沸腾冷却）、合格率0.8～2.5毫米占90%以上，塔径φ12米，颗粒落程40米，自然通风。

设计状况：转数可调200～500转/分，内设6块横向分料盘。当300转/分时20米落程最大喷洒直径按11米设计。

将喷头用于不同转数不同负荷下其颗粒组成与出料温度情况见表9。

表9：

转数    负荷    浓度    颗粒分散度，毫米    合格    入塔空气    出料

转/分  吨/小时    %    ＜0.8  0.8-2.5    ＞2.5    率    温度    湿度    温度

克    克    克    %    ℃    %    ℃

200    6    97.54    5    487    2    98.6    9.5    94    35

200    12    97.54    6    982    5    98.9    9.5    94    41

225    6    97.63    5    965    4    98.7    11    92    33

225    12    97.63    40    993    2    95.9    11    92    -

250    7    96.40    10    978    1    98.9    11    92    -

250    10    96.40    10    710    2    98.3    11    92    33

300    7    97.00    15    625    0    97.6    11    92    -

300    10    97.00    30    763    2    96.0    11    92    30

将上述的喷头用于11万吨/年硝酸铵造粒塔上，在超负荷114%条件下使用造粒结果见表10。

表10：

喷头类别    原11万吨/年喷头    5万吨/年新喷头

出料温度    ℃    90    50

合格率    %    75    97

可见该喷头适应很宽的转数与负荷变化范围，粒子状况保持基本不变，由于颗粒小而匀，故出料温度很低，可取消后面的沸腾冷却系统。孔径的配比是适宜的。

塔壁塔底均没有发生粘塔现象，颗粒也较坚硬。在塔底测得的密度分布表明，虽受到通风气流作用，颗粒向里飘移，但没有出现尖峰现象。

粉尘排放浓度经多次测定一般在18～27毫克/米³，可不设回收装置。

Claims (8)

1、一种内壁上装有数块推液板或不设推液板的空心园锥体塔式造粒旋转喷头，其特征是在喷头内设置一种横向供料结构。

2、按权利要求1所述的喷头，其特征是横向供料结构可以是一种微分横向分料盘，盘的数量可以是≥1的任意一个正整数。

3、按权利要求1、2所述的喷头，其特征是可适用于固定转速和可变转速的旋转造粒喷头。

4、一种内壁上装有数块推液板或不设推液板的空心园锥体塔式造粒旋转喷头，其特征是在喷头内设置一种横向供料结构，并在锥壁上配以按等重量密度喷洒设计制造的喷孔。

5、按权利要求4所述的喷头，其特征是横向供料结构可以是一种微分横向分料盘，盘的数量可以是≥1的任意一个正整数。

6、按权利要求4、5所述的喷头，其特征是配以按等重量密度喷洒设计制造的喷孔，其孔的排距与每排的孔距各不相同。

7、按权利要求4、5所述的喷头，其特征是可适用于固定转速和可变转速的旋转造粒喷头。

8、按权利要求6所述的喷头，其特征是可适用于固定转速和可变转速的旋转造粒喷头。

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