JP4852270B2

JP4852270B2 - 顆粒尿素製品の製造方法

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Publication number: JP4852270B2
Application number: JP2005203811A
Authority: JP
Inventors: 英二坂田; 彦士西川; 晴行森川
Original assignee: Toyo Engineering Corp
Current assignee: Toyo Engineering Corp
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: US7582237B2; EP1743879A3; US20070013092A1; EP1743879B1; EP1743879A2; JP2007022934A

Description

本発明は、尿素水溶液から顆粒尿素を製造する方法において、顆粒尿素製品中の水分を十分に低下せしめ製品強度の高い製品を製造する方法に関するものである。

比較的大粒の顆粒尿素の製造方法については、古くはドラムを使う方法、皿型造粒器を使う方法があったが、これらの方法は、尿素を造粒する際、尿素固化熱が放出され、造粒器の内部温度を造粒に適した条件で運転するために造粒した尿素を冷却後また造粒器に戻すといったリサイクル操作を要し、そのリサイクルに必要な設備が大きいこと、造粒器の一基あたりの生産量に限界があり、最近の工業的規模では複数の造粒器の設置が必要であること、造粒器に噴霧する尿素は製品と同じ水分含有量の溶融尿素であることなどの欠点があった。

そのため、最近では流動床あるいは流動床・噴流床を利用した造粒法が主流となり、これらの造粒法でも種々の技術が提案されている。

特許文献１は、流動床に噴流床を散在させ、粒子の被覆用物質が微細液滴として供給して床中の粒子を加工するし顆粒尿素を製造する方法で、具体的には流動床の厚さ、加工粒子の飛躍上昇落下用の空間、被覆用物質の噴霧角度、噴流床形成用の気流噴出速度、流量、噴流床の配置方法などを規定した尿素造粒方法を提案している。この方法では、噴流・流動床をつくる気流により、尿素の固化熱が除去されるので、造粒された冷却した顆粒尿素をまた造粒器に戻す必要はなく造粒設備が簡素化される。またその造粒器は生産規模によらず一基で製造可能である点にもメリットある。

更に、特許文献２では、特許文献１で提案された流動床・噴流床方式をさらに改良する方法が提案されている。具体的には、造粒部と、空気を造粒部に噴出する空気供給管と、その空気供給管出口の中央部に設けられた尿素水溶液噴射用ノズルと、流動物が流動している底床と、底床に流動用空気を供給する上部供給口とから構成される造粒器を用いて、上記尿素水溶液噴射用ノズルから溶融原料液またはスラリー状の原料液を造粒部に噴射して造粒するに当り、(a) 空気供給管と空気供給管との間隔を100-1000mm、(b) 尿素水溶液噴射用ノズルの噴射角度を30-60度、(c) 尿素水溶液噴射用ノズルの噴射量を、空気供給管出口空気量1m³当り0.5-1.2リットル、(d) 空気供給管出口の線速を、平均的な粒子の終端速度の1.2-3.5倍、(e) 造粒物が流動している底床に供給される空気の線速を最小流動化速度の1.2-3.5倍とすることにより、安定した流動床および噴流床が形成し、異形物を含まない製品が生産でき、床部および空気供給管を含めた造粒器に供給する空気消費量を減少できた結果大きな省エネルギーの効果があるとしている。

また、特許文献３では、尿素水溶液を空気と共に噴霧するノズルを用いて微細な小滴即ち平均粒子直径20〜120μmの小滴の形で流動化されている尿素核上に噴霧し及び核上に噴霧した溶液から水が蒸発し、そして核上に於いて尿素が結晶化して希望する寸法を有する造粒製品を形成するような温度を与えることによって達成する方法が提案されている。この方法では、表面上の湿気を除去するために、生成した顆粒を100‐150℃の空気で持って乾燥処理を行い、粒子の温度を70ないし90℃に保つことが記載されている。

また、非特許文献１にはStamicarbon社の尿素造粒技術が紹介されている。この方法は、Film spraying nozzle（フィルムスプレーノズル）を特徴とした造粒法で、造粒器へ送る原料尿素は98.5 wt.％尿素水溶液とし、流動床の温度は約105℃に調節して運転することなどが記載されている。この方法により製造された顆粒尿素の水分は0.3 wt.%以下として具体的な値の記載はない。また、98.5 wt.%濃度以下の尿素液を原料とした場合の製品品質については記載ない。

一般に、95 wt.%の尿素水溶液を更に濃度上げるには、その濃縮系と蒸発した水の凝縮、真空発生器の追加が必要でその投資が大きく、尿素濃度の低い尿素水溶液を原料としたほうが良い。また造粒器においては、尿素が固化する際熱が発生するため徐熱する必要があり、その徐熱は空気により行う場合が多く、流動床を利用した造粒器が一般的だが、尿素濃度が低いほうが水の蒸発により徐熱できるので、流動床に必要な空気の量が減らすことができる。
特公平４−６３７２９号公報特開平１０−２１６４９９号公報特公昭５６−４７１８１号公報 Nitrogen & Methanol November-December 2004号 37-43ページ

従来技術は、溶融原料尿素から流動床・噴流床からなる造粒器により顆粒尿素を製造する方法および装置であり、ここで製造された製品中の水分濃度については特別な言及はなく、特許文献２では、空気供給管の噴流用空気の役目として、溶融物を固化させて造粒すると共に溶融物に含まれている水分を乾燥させることにあるとして、乾燥は噴流部で行うとしているがその効果には言及ない。一般に顆粒尿素の製品品質は、全窒素量、不純物としてのビウレットおよび水分が重要な項目であり、水分は一般的には0.3 wt.% 以下が尿素工場を出る尿素製品の基準値であり設計値となっている。実際には0.3 wt.%以上で市場に出ている場合もあるが、尿素中の水分が高いと、製品硬度が低くなり製品を取り扱う機器で磨耗が激しくなり尿素粉塵の発生が増加したり、倉庫で保管する際その水分が蒸発して冷たい外気に触れて尿素製品表面が濡れ尿素粒子同士が固結し大きな塊となって製品として搬出できない状態になったりするので、できるだけ低くするのがよく、特に流動床を利用して造粒した顆粒尿素製品を取り扱う場合は、0.3 wt.%以下にしておくのがよい。

流動床を利用した造粒器は乾燥効果があるということで、原料として使用する尿素水溶液は94-95wt.%以上とする場合が多いが、造粒器によっては94-95wt.%では製造された製品中の水分が0.3 wt.%以上となる場合がある。この場合、94‐95 wt.%尿素水溶液ではなく 98-99.7 wt.%に尿素水溶液濃度を上げて乾燥効果を助けて製品中の水分が0.3 wt.%以下となるようにしなければならない。しかし、尿素が固結する際に発生する熱は造粒器に送られる空気と尿素水溶液中の水が蒸発する際の蒸発熱により除去されるが、尿素水溶液の濃度が高くなると、水の蒸発熱が小さくなり冷却用の空気の量が多くなりブロワーの容量が増す結果、造粒に必要な電力消費量が大きくなる生産コストが上がるので、好ましくない。

造粒器の中には、尿素水溶液を噴霧するノズルに温度の高い空気を導入して噴霧し微細尿素水溶液粒子を乾燥しながら造粒する方法があるが、この方法では、尿素水溶液を噴霧するに必要な圧力まで、一般的には1-2 barまで、空気の圧力を上げる必要があり空気の昇圧に必要な動力が相当なもので、経済的でない。

尿素の固化熱は流動床にて空気により除去されるが、尿素の固結温度が約132℃であり、造粒器内の温度が低いと、尿素粒子表面での固結が早いため噴霧した尿素がバインダーとなり尿素粒同士がくっついたいわゆる金平糖のような顆粒尿素塊ができるので好ましくなく、造粒器から出た尿素粒子は冷却するので、前出の問題がない範囲で低い温度、即ち95-105℃で運転される場合が多い。一方、温度を高くした運転については、あまり固結温度に近いと造粒器内での尿素造粒がうまくいかないことが懸念されるため、流動床温度を前出以上に上げることはない。

本発明は、流動床を利用した造粒器にて、尿素水溶液を原料とした場合に、製品中の水分を0.3 wt.%以下にする方法を提供するものである。

本発明の目的は次の手段によって達成された。

即ち、本発明は、流動床方式あるいは流動床・噴流床方式の造粒器を用いて尿素水溶液から顆粒尿素を製造する造粒法において、尿素濃度が94-98.5wt.%の尿素水溶液を使用し、且つ流動床の運転温度を110-120℃の範囲で制御し、造粒物の乾燥を促進し製品中水分0.3 wt.%以下の顆粒尿素製品を製造する方法である。

より具体的には、造粒物を流動している流動床に、空気を噴出する空気供給管とその中央部に設けられた尿素水溶液噴射用ノズルと、流動床に流動用空気を供給する多孔板からなる造粒器を用いて、上記尿素水溶液噴射用ノズルから尿素水溶液を造粒部に噴射して造粒する造粒法において、尿素濃度が94-98.5wt.%の尿素水溶液を使用し、且つ流動床の運転温度を110-120℃の範囲で制御し、造粒物の乾燥を促進し製品中水分0.3 wt.%以下の顆粒尿素製品を製造する方法である。
更には、この方法は造粒物を流動している流動床に、尿素水溶液噴射用ノズルに圧縮した空気を導入して噴霧し流動床内の造粒物上で尿素を固化させて造粒する造粒器を用いて造粒する方法においても効果があり、圧縮した空気の量、スプレーの噴霧性能により製品中の水分濃度に影響出たものが、流動床を110-120℃の範囲で運転することにより上記の影響も受けず安定して水分0.3wt.%以下の製品が得られるようになる。

また、発明者らは流動床の温度を多少上げても尿素造粒には影響がないこと、温度を高くすることにより造粒された尿素製品中の水分が低下した硬度も高い製品ができること発見した。しかし、この流動床での乾燥効果は、流動床の温度が110℃未満になると、造粒器出口顆粒の水分は0.3 wt.%を超えるので効果はない。120℃までは流動床温度が高いと乾燥効果が大きいが、120℃を超えると、尿素粒表面に尿素水溶液滴がついても表面ですぐに固化せず固化に時間がかかる。ゆっくり固化した顆粒尿素は、強度が弱くなり固体ハンドリング機器で磨耗して粉が発生し造粒設備の運転が継続できなくなるので、120℃以下としなければならない。

本発明によれば、製品中の水分濃度が常に0.3 wt.%以下である顆粒尿素を製造することができる。水分が低いため粒子荷重強度が大きく壊れにくい顆粒尿素であるので製品を取り扱う機器、倉庫などでの壊れが少なくダスト発生も少ない。

以下、本発明の実施形態の一例として、流動床に噴流床を配置した流動床・噴流床造粒器（図１）による例を説明するが、流動床を使った造粒器に適用できることは言うまでもないことである。

図１は流動床・噴流床造粒器の一例の断面図である。

造粒器１には、造粒される尿素の種粒子が供給口２から供給される。噴流床用の空気供給管５の上部出口１３に位置するスプレーノズル３から尿素水溶液が造粒器１に噴霧される。上記種粒子は造粒器１内で尿素水溶液の噴霧を受けて粒径が成長して、噴流床用空気加熱器４により加熱され造粒器下部に導入され複数の空気供給管５によって分流した噴流用空気流によって、空間６に飛び上がり、また流動床上部７の上に落下する。流動床用空気加熱器９を通り流動床用空気が造粒器１に供給され、底床１０上に成長した顆粒尿素が流動床部８において流動状態になっており、ノズル３上の空間全体を埋めるように顆粒尿素が流動している。このような動きが繰り返され、顆粒尿素は次第に大きくなり、最後は造粒の完了した顆粒尿素が排出口１１から排出される。

この造粒器１を使い尿素を造粒するのであるが、前出の通り、造粒は、造粒器において種粒子に付着した尿素水溶液が冷却・固化することで行われ、その冷却は噴流床用空気と流動床用空気により行われる。生産量、空気量、尿素水溶液濃度、流動床用空気の温度により流動床温度は変わる。特に流動床用空気は大気を使うため大気温度が影響する。また、尿素水溶液はその濃度により含まれる水の蒸発熱量が変わり、濃度が薄いほど蒸発のための熱が必要となり流動床の温度は下がる。そこで、流動床用空気加熱器９により流動床用空気を加熱して造粒器１に導入し流動床部８の温度を外気温・尿素水溶液濃度に関係なく110-120℃に一定に保つ。これにより製品の含有水分量を0.3 wt.%以下に維持できる。

本発明の方法は、Film spraying nozzleを使用することを特徴とした造粒法において、造粒器へ送る尿素水溶液濃度が98.5 wt.％以下の場合でも、流動床温度を上げることにより製品中の水分量を下げることができる。

次に本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例のみに制限されないのはいうまでもない。
実施例１
流動床・噴流床造粒器を使い、41.7 トン／時の顆粒尿素を生産する。そのフローを図2に示す。

空気供給管を48本用意しそれぞれの空気供給管の上部に尿素水溶液を噴霧するスプレーノズルを設置した。種粒子を供給口２から運転開始用に送り、各スプレーノズルから毎時0.943トン、造粒器合計で毎時45.26トンの95 wt.%尿素水溶液を噴霧して顆粒尿素を製造した。この時、流動床には空気速度が2m/秒になるよう毎時95,800Nm³の35℃の空気を送った。一方、48本の空気供給管には、130℃まで噴流床用空気加熱器4で加熱した全量で25,700Nm³の空気を送った。造粒器排出口１１からの顆粒尿素は90℃まで冷却後、スクリーンにて2-4mmの製品サイズをもつ顆粒尿素を分級して尿素製品として製品温度50℃まで冷却後倉庫に送った。製品サイズ範囲外で大きいものは70℃まで冷却後クラッシャーで粉砕し、小さいものはそのまま種粒子として造粒器に戻した。この運転で、流動床８の温度は104℃だった。この運転にて、造粒器排出口１１からは105℃で顆粒尿素68.85トン／時が排出され、スクリーンに通して41.7トン／時の2-4mm尿素製品を得て倉庫に送った。一方、スクリーンで分離された顆粒尿素27.15トン／時は種粒子として上記の通り造粒器に戻した。

造粒器に戻した種粒子27.15トン／時と尿素水溶液中の尿素の合計と、造粒器から排出された顆粒尿素量の差の尿素は、流動床空気及び噴流床用空気と尿素造粒の際蒸発した水と共にダストとして造粒器１の上部空気排出口から排出された。この尿素ダストを含む排気ガスは排気ガス洗浄塔にて循環液により洗浄し、尿素は尿素水溶液として回収し尿素工場に戻した。この時の製品中に含まれる水分は0.35-0.4 wt.%の範囲にあり、直径3mmサイズ顆粒尿素の荷重強度は2.5-3kgだった。

そこで、上記運転状態で流動床用空気を加熱して徐々に流動床温度を上げ、110℃を越したところで製品中の水分が0.3 wt.%を下回るようになった。更に流動床用空気を55℃まで加熱して流動床温度を115℃まで上げた。その結果、得られた顆粒尿素の水分は0.2-0.25 wt.%に低下して、直径3mmサイズ顆粒尿素の荷重強度も3.5-4kgに上昇した。

更に、流動床用空気を加熱し流動床温度を121℃まで上げたところ、スクリーンでの尿素粉による目詰まり、固体ハンドリング用シュートに詰まりが発生し本設備の運転が継続できなかった。流動床温度が高いため、噴霧した尿素水溶液が粒子表面での固化が遅く、そうして製造された顆粒尿素は温度がある程度高い状態では強度が弱いため、固体ハンドリング機器で磨耗して粉が発生したものと考えられる。
実施例２
実施例１と同じ運転状態で、尿素濃度98 wt.%の尿素水溶液を使って造粒した。この時、流動床用空気温度は38℃だった。尿素水溶液中の水が少ないので、流動床の温度は高くなり、流動床空気温度が38℃でも、流動床の温度は115℃で運転された。この時の製品に含まれる水分は0.2-0.25 wt.%まで低下した。直径3mmサイズ顆粒尿素の荷重強度も3.5-4 kgであった。その後、外気温度が25℃に低下したため、流動床温度は106℃まで低下した。この時の製品中の水分は0.35-0.4 wt.%まで上昇したので、0.3 wt.%以下とすべく流動床用空気の温度を38℃まで上げて流動床温度を115℃にしたところ、製品中の水分は0.2-0.25 wt.%まで下がり、直径3mmの顆粒尿素で荷重強度が3.5-4kgという顆粒尿素が生産できた。
実施例３
実施例１と同じフローにおいて、造粒物を流動している流動床に、原料尿素水溶液噴射用ノズルに圧縮した空気を導入して噴霧し流動床内の造粒物上で尿素を固化させて造粒する造粒器を使った。

尿素水溶液噴射用ノズルに圧縮した空気を導入して尿素水溶液を噴霧する二流体スプレーノズルを144本設置した。種粒子を供給口２から運転開始用に送り、各スプレーノズルから毎時0.314トン、造粒器合計で毎時45.22トンの95 wt.%尿素水溶液を噴霧して顆粒尿素を製造した。これら144本のスプレーノズルには、130℃まで空気加熱器4で加熱した全量で23,040Nm³の空気を送った。この時、流動床には空気速度が2m/秒になるよう毎時95,800Nm³の35℃の空気を送った。造粒器排出口１１からの顆粒尿素は90℃まで冷却後、スクリーンにて2-4mmの製品サイズをもつ顆粒尿素を分級して尿素製品として製品温度50℃まで冷却後倉庫に送った。製品サイズ範囲外で大きいものは70℃まで冷却後クラッシャーで粉砕し、小さいものはそのまま種粒子として造粒器に戻した。この運転で、流動床８の温度は104℃だった。この運転にて、造粒器排出口１１から105℃で顆粒尿素68.79トン／時が排出され、スクリーンに通して41.6トン／時の2-4mm尿素製品を得て倉庫に送った。一方、スクリーンで分離された顆粒尿素27.19トン／時は種粒子として上記の通り造粒器に戻した。

造粒器に戻した種粒子27.13トン／時と尿素水溶液中の尿素の合計と、造粒器から排出された顆粒尿素量の差の尿素は、流動床空気及び二流体スプレーノズル用空気と尿素造粒の際蒸発した水と共にダストとして造粒器１の上部空気排出口から排出された。この尿素ダストを含む排気ガスは排気ガス洗浄塔にて循環液により洗浄し、尿素は尿素水溶液として回収し尿素工場に戻した。この時の製品中に含まれる水分は0.3-0.35 wt.%の範囲にあり、直径3mmサイズ顆粒尿素の荷重強度は3 -3.5kgだった。

そこで、上記運転状態で流動床用空気を加熱して徐々に流動床温度を上げ、110℃を越したところで製品中の水分が0.3 wt.%を下回るようになった。更に流動床用空気を加熱して流動床温度を115℃まで上げた。その結果、得られた顆粒尿素の水分は0.2-0.25 wt.%に低下して、直径3mmサイズ顆粒尿素の荷重強度も3.5-4kgに上昇した。

更に、流動床用空気を加熱し流動床温度を121℃まで上げたところ、実施例１と同じ状態となり運転を停止した。
実施例４
実施例３の二流体ノズルを、尿素水溶液を逆円錐の液膜形状（Hollow Cone）で散布する二流体ノズルに交換して、実施例３と同じ条件で運転した。この方法で製造された製品中に含まれる水分は0.35-0.4 wt.%の範囲にあり、直径3mmサイズ顆粒尿素の荷重強度は2.5-3kgだった。上記運転状態で流動床用空気を加熱して徐々に流動床温度を上げ、110℃を越したところで製品中の水分を測定したところ0.3 wt.%を下回った。更に流動床用空気を加熱して流動床温度を115℃まで上げた。その結果は、実施例１と同じで、得られた顆粒尿素の水分は0.2-0.25 wt.%に低下しており、直径3mmサイズ顆粒尿素の荷重強度も3.5-4kgに上昇した。

更に、流動床用空気を加熱し流動床温度を121℃まで上げたところ、実施例1と同じ状態となり運転を停止した。

図１は本発明の一例とした流動床・噴流床方式の造粒器の一実施態様の断面図である。図2は造粒器を使って顆粒尿素を製造する一般的なフローである。

符号の説明

１造粒器
２種粒子供給口
３ノズル
４噴流床用空気加熱器
５空気供給管
６空間
７流動床上部
８流動床
９流動床用空気加熱器
１０底床
１１顆粒排出口
１２排気口
１３空気供給管上部

Claims

流動床方式あるいは流動床・噴流床方式の造粒器を用いて尿素水溶液から顆粒尿素製品を製造する方法において、
尿素濃度が94-98.5wt.%の尿素水溶液を使用し、且つ流動床温度を115-120℃の範囲で制御し、造粒物の乾燥を促進し製品中水分0.3 wt.%以下の顆粒尿素製品を製造する方法。
造粒器として、流動床用空気加熱器と噴流床用空気加熱器を備えた流動床・噴流床方式の造粒器を使用し、
流動床の温度制御を、流動床用空気加熱器による流動床用加熱空気と噴流床用空気加熱器による噴流用加熱空気のいずれか一方により実施する、請求項１記載の顆粒尿素製品を製造する方法。