1. 尿素成粒原理
大顆粒尿素（機械造粒尿素）與小顆粒尿素（造粒塔造粒尿素）的成粒原理是不同的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，大顆粒尿素是依靠機械方法將尿素熔融物霧化為細小液滴，在特定環(huán)境下以固體尿素顆粒為晶種，多個(gè)細小液滴結晶固化在一粒晶種上，使這個(gè)固體顆粒越長(cháng)越大，最終成為大顆粒尿素。大顆粒尿素粒子形成是多次結晶的結果，結晶的方向交錯分布，成粒的大小與細小液滴數量（結晶次數）相關(guān)。
小顆粒尿素（造粒塔造粒尿素）是利用旋轉的尿素造粒噴頭（也可使用固定的尿素造粒噴頭，但尿素熔融物要有一定的靜壓頭）的小孔將尿素熔融物以液柱形式噴出，尿素熔融物的表面張力使液柱斷裂，形成球型液滴。在造粒塔中球型液滴與空氣逆流接觸降落，降落過(guò)程中冷卻結晶，結晶的方向單一，成粒的大小與冷卻過(guò)程相關(guān)，由于造粒塔高度有限，粒子不能過(guò)大，否則落到塔底還未固化，就無(wú)法完成造粒過(guò)程。相比較可以看到：
⑴ 大顆粒尿素（機械造粒尿素）的結晶方向交錯分布，小顆粒尿素（造粒塔造粒尿素）的結晶呈單一方向，這個(gè)差別使兩者的顆粒強度明顯不同。
⑵ 大顆粒尿素成粒的大小只與結晶次數相關(guān)，從工程角度看，沒(méi)有約束條件，小顆粒尿素成粒的大小與尿素造粒塔高度相關(guān)，從工程角度看，存在硬性約束條件，這個(gè)差別使兩者的顆粒大小不同。
大顆粒尿素的優(yōu)越性是無(wú)庸置疑的：顆粒強度高，破碎少；表面粗糙，可與磷鉀等顆粒肥料混配；氮素利用率高等，是市場(chǎng)歡迎的化肥品種，但是大顆粒尿素制造成本高于小顆粒尿素，影響了用戶(hù)使用的積極性。作為化肥生產(chǎn)企業(yè)，選擇一個(gè)好的技術(shù)，以較小的投資，較低的運行成本，給用戶(hù)提供質(zhì)量?jì)?yōu)良、價(jià)格合理的產(chǎn)品是我們義不容辭的責任。
2. 國外的兩種大顆粒尿素技術(shù)簡(jiǎn)介
生產(chǎn)大顆粒尿素的方法主要有流化床造粒、轉鼓造粒、圓盤(pán)造粒、鋼帶直冷造粒等。這些方法大多是成熟的，有效的。以下重點(diǎn)介紹兩種能力比較大，有工業(yè)裝置的國外工藝。
2.1 挪威海德魯公司的流化床造粒
挪威海德魯公司（Norsk Hydro） 的流化床造粒器為矩形設備，由上室、下室、多孔分布板和溶液噴嘴組成，上室用檔板隔成若干部分，檔板的作用是防止尿素粒子返混；多孔分布板起到均勻分配流化空氣的作用；溶液噴嘴位于多孔分布板上方，具有一定高度，并和器壁保持一定距離，防止尿液霧滴粘附在器壁上。95% ～ 96%的添加有甲醛的尿液經(jīng)噴嘴被低壓空氣霧化后噴灑到流化床內形成一個(gè)倒錐形的細霧區，為避免噴嘴堵塞，霧化用低壓空氣需先加熱到略高于尿液的結晶溫度；返料的細粒尿素被流化空氣吹起在流化床內劇烈攪動(dòng)形成一個(gè)沸騰區；2 個(gè)區域互相交錯，尿液細霧即噴涂在尿素粒子上，經(jīng)冷卻與干燥作用，成為一個(gè)較大的粒子。在流化床攪動(dòng)的過(guò)程中，又產(chǎn)生另一個(gè)噴涂過(guò)程，使較大的粒子不斷增大成為大顆粒尿素，大顆粒尿素由于重力作用沉降到底部多孔分布板上，借助于流化空氣在多孔板錐形孔產(chǎn)生的水平推力進(jìn)到下一室。根據所需的粒徑要求，可在若干個(gè)室內依次噴涂、依次沉降后推到下一室，直到達到要求的粒徑，再從造粒器內排出。
挪威海德魯技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是推出的歷史長(cháng)久，建設裝置業(yè)績(jì)多，技術(shù)成熟，缺點(diǎn)是投資高，能耗高。適于新建大型裝置。
2.2 日本東洋工程公司的噴射流化床造粒
日本東洋工程公司（TEC ）開(kāi)發(fā)的噴射流化床造粒器由噴射床、多孔板、流化床、噴嘴、空氣分配管和氣室組成。噴射床被多孔板上的流化床所環(huán)繞，一個(gè)噴射床有一個(gè)噴嘴，根據各裝置生產(chǎn)規模可以在造粒器內布置多個(gè)噴射床，噴射床由噴射空氣形成，能使尿素粒子與尿液充分混合，使產(chǎn)品形狀更加圓整、大小均勻，且噴射床合適的空間也不會(huì )使顆粒結塊；流化床由流化空氣形成，噴射床和流化床的優(yōu)化組合對顆粒不僅能產(chǎn)生有效的冷卻作用，而且由于帶壓尿液直接經(jīng)噴嘴噴淋在噴射床上，可減少霧化空氣加熱需要的能量。TEC技術(shù)的能耗略低于海德魯技術(shù)，但是工業(yè)業(yè)績(jì)少，投資高，投入產(chǎn)出比不甚合理。
3. 北京達立科公司的雙轉鼓流化床技術(shù)
以下介紹我公司具有自主知識產(chǎn)權的雙轉鼓流化工藝（DDG）及相關(guān)技術(shù)新的進(jìn)展。
3.1雙轉鼓流化床技術(shù)概況
國外的大顆粒尿素技術(shù)是成熟的，但也有一些局限性。例如床造工藝復雜，投資和能耗都比較高，這個(gè)兩高，限制了國內大顆粒尿素的生產(chǎn)，也影響了科學(xué)施肥工作的進(jìn)展。
1998年我公司提出了雙轉鼓流化床技術(shù)的基本方案，與清華大學(xué)的院士、教授一起研究完善，并共同申請了由雙方共同所有，我公司獨家經(jīng)營(yíng)的國內專(zhuān)利（一種尿素轉鼓造粒裝置 ZL98249040.2；一種尿素轉鼓冷卻裝置 ZL98250394.6；一種凈化含尿素粉塵氣體的方法ZL99121906.6；大顆粒尿素組合轉鼓造粒工藝及設備ZL99122286.5），該專(zhuān)利在清華大學(xué)進(jìn)行了造粒轉鼓的驗證性試驗。2001年，在洞庭氮肥廠(chǎng)建成公稱(chēng)1.2萬(wàn)噸/年試驗裝置，開(kāi)車(chē)后基本達到設計預期目的，全面驗證了專(zhuān)利流程的合理性和兩臺專(zhuān)利設備的科學(xué)性。該技術(shù)具有的突出特點(diǎn)是：流化床與轉鼓結合、空冷與水冷結合，流程簡(jiǎn)單、設備效率高、能耗低、投資少。在老廠(chǎng)改造中應用雙轉鼓流化工藝，較其他生產(chǎn)方法有無(wú)可比擬的優(yōu)越性；在新廠(chǎng)建設中，在投資、能耗方面也有很強的競爭性。
2002年2月第一套5萬(wàn)噸/年工業(yè)化雙轉鼓流化裝置在山西豐喜肥業(yè)集團首次投入生產(chǎn)后，裝置運行的技術(shù)經(jīng)濟指標令人滿(mǎn)意，豐喜肥業(yè)集團又建設了一套15萬(wàn)噸/年裝置，并于2003年投入生產(chǎn)。2003年在華魯恒升30萬(wàn)噸/年尿素大顆粒工程總承包國際招標中，我公司以能耗低于國外公司1/3，投資也低于國外公司1/3的絕對優(yōu)勢中標，該裝置于2004年2月21日化工投料，當天即達到設計指標。
以下是我公司技術(shù)的業(yè)績(jì)表：
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序 號 |
裝 置 規 模 |
裝 置 所 在 地 |
投 產(chǎn) 日 期 |
目 前 情 況 |
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1 |
5萬(wàn)噸/年 |
山西豐喜肥業(yè)集團臨猗分公司 |
2002年1月 |
生產(chǎn)良好 |
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2 |
10萬(wàn)噸/年 |
山西豐喜肥業(yè)集團臨猗分公司 |
2003年4月 |
生產(chǎn)良好 |
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3 |
30萬(wàn)噸/年
(一期15萬(wàn)噸) |
山東德州華魯恒升化工股份有限公司 |
2004年2月 |
生產(chǎn)良好 |
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4 |
20萬(wàn)噸/年
(一期10萬(wàn)噸) |
山東·滕縣魯南化肥廠(chǎng) |
2004年7月 |
生產(chǎn)良好 |
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5 |
15萬(wàn)噸/年 |
河北滄州大化集團股份有限公司 |
2005年7月 |
生產(chǎn)良好 |
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6 |
5萬(wàn)噸/年 |
山東魯西化工股份有限公司 |
2005年10月 |
生產(chǎn)良好 |
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7 |
15萬(wàn)噸/年 |
石家莊柏坡正元化肥有限公司 |
2006年6月 |
生產(chǎn)良好 |
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8 |
5萬(wàn)噸/年（兩套） |
山東魯西化工股份有限公司 |
2006年7月 |
生產(chǎn)良好 |
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9 |
10萬(wàn)噸/年 |
山東魯西化工股份有限公司 |
2006年10月 |
生產(chǎn)良好 |
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10 |
15萬(wàn)噸/年
（第二套） |
河北滄州大化集團股份有限公司 |
2006年12月 |
生產(chǎn)良好 |
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11 |
15萬(wàn)噸/年 |
內蒙古烏拉山化肥有限公司 |
2006年12月 |
生產(chǎn)良好 |
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12 |
15萬(wàn)噸/年 |
煙臺巨力化肥有限公司 |
2007年4月 |
生產(chǎn)良好 |
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13 |
15萬(wàn)噸/年 |
河南心連心化工有限公司 |
2007年4月 |
生產(chǎn)良好 |
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14 |
5萬(wàn)噸/年 |
黑龍江農墾博興化工有限責任公司 |
2007年10月 |
生產(chǎn)良好 |
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15 |
10萬(wàn)噸/年 |
山西豐喜肥業(yè)集團臨猗分公司 |
2008年6月 |
生產(chǎn)良好 |
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16 |
5萬(wàn)噸/年 |
山東聯(lián)合化工股份有限公司 |
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正在建設 |
雙轉鼓流化工藝（DDG）基本工藝過(guò)程的簡(jiǎn)單描述：
如原則流程圖所示，有三股尿素物料進(jìn)入雙滾筒流化工藝的第一個(gè)轉鼓——流化造粒轉鼓：熔融尿素從尿素熔融泵來(lái)，晶種顆粒尿素從破碎機來(lái)，尿素返料從篩分機來(lái)，在特殊設計的流化造粒轉鼓中，霧化的熔融尿素與顆粒尿素不斷碰撞并結晶，使顆粒尿素逐步長(cháng)大。結晶熱由流化空氣移走。尿素顆粒一邊長(cháng)大，一邊向出口運動(dòng)，并逐步流出流化造粒轉鼓。此時(shí)尿素的溫度為90—110◦C，進(jìn)入兩層絲網(wǎng)的篩分機。小顆粒尿素返回流化造粒轉鼓，超大顆粒的尿素經(jīng)破碎機破碎后也返回流化造粒轉鼓。為使粒度合格的大顆粒尿素進(jìn)一步冷卻，從篩分機流出的大顆粒尿素進(jìn)入接觸冷卻轉鼓，在此轉鼓中，冷卻風(fēng)和冷卻水移走尿素的顯熱，使尿素的溫度低于50◦C，至此合格的大顆粒尿素稱(chēng)重包裝出廠(chǎng)。流化造粒轉鼓和接觸冷卻轉鼓的尾氣經(jīng)排風(fēng)機送往洗滌系統經(jīng)洗滌合格后排放。
有些老廠(chǎng)已有造粒塔，由于有造粒塔尿素作為晶種，可不上破碎機，超大顆粒尿素數量很少（小于1%）可直接作為產(chǎn)品出廠(chǎng)，也可粉碎后送地下槽。
3.2雙轉鼓流化床大顆粒尿素技術(shù)（DDG）的新發(fā)展
3.2.1整體布置的優(yōu)化：
從1998年專(zhuān)利研究階段開(kāi)始，DDG技術(shù)就有兩種布置方式：平面布置和框架布置。經(jīng)過(guò)多次工業(yè)實(shí)踐和反復的方案比較，我們推出了最新的優(yōu)化設計方案：
a、20萬(wàn)噸/年及以下裝置，包括20萬(wàn)噸/年、15萬(wàn)噸/年、10萬(wàn)噸/年、5萬(wàn)噸/年優(yōu)先推薦平面布置方案，典型的布置，如圖1所示。
圖 1
平面布置的優(yōu)點(diǎn)是：投資省，一般節約5~10%；建設周期短，一般4個(gè)月可建成；可充份利用原有場(chǎng)地（例如棧橋下的空地等）。缺點(diǎn)是占地面積較大，一般占地多出30%左右。 全套工程（交鑰匙工程的全部?jì)热荩┰靸r(jià)估算值為：
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能 力 |
造價(jià)估算值 |
能 力 |
造價(jià)估算值 |
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20萬(wàn)噸/年 |
1100萬(wàn)元 |
15萬(wàn)噸/年 |
900萬(wàn)元 |
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10萬(wàn)噸/年 |
700萬(wàn)元 |
5萬(wàn)噸/年 |
450萬(wàn)元 |
b、30萬(wàn)噸/年及以上裝置，30萬(wàn)噸/年、40萬(wàn)噸/年、50萬(wàn)噸/年、60萬(wàn)噸/年優(yōu)先推薦框架布置，如圖2所示。
立面布置的優(yōu)點(diǎn)是：能力大于20萬(wàn)噸/年，必須設置2臺或以上的造粒轉鼓，框架布置有利于節約占地，且使物料運行更為順暢。由于隨著(zhù)裝置能力的增加，土建費用所占比例逐步下降，與平面布置相比較，投資差距已不明顯。缺點(diǎn)是：建設周期長(cháng)，建設周期一般要7個(gè)月左右，全套工程（交鑰匙工程的全部?jì)热荩┰靸r(jià)估算值為：
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能 力 |
造價(jià)估算值 |
能 力 |
造價(jià)估算值 |
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30萬(wàn)噸/年 |
1800萬(wàn)元 |
40萬(wàn)噸/年 |
2200萬(wàn)元 |
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50萬(wàn)噸/年 |
2800萬(wàn)元 |
60萬(wàn)噸/年 |
3000萬(wàn)元 |
3.2.2裝置的局部改進(jìn)
a、轉鼓出料方式
傳統的轉鼓一般在出料器底部出料，與斗提機配合時(shí)必須為斗提機設置地坑。經(jīng)過(guò)反復試驗，我公司專(zhuān)利設備造粒轉鼓和冷卻轉鼓均采用新技術(shù)措施，達到了高位出料的目的，可使與之配套的斗提機設置于平面，不必置于機坑之內。
b、粉塵沉降室
在粉體工程中，含塵氣體運動(dòng)過(guò)程中粉塵的沉降是不可避免的，在不適當位置沉降將造成系統堵塞。為帶走氣體中的固體微粒，提高氣體流速又會(huì )增加能耗。為了合理地解決這個(gè)問(wèn)題，我們在專(zhuān)利設備造粒轉鼓中設置了沉降室。在沉降室中，將含塵氣體中的固體微粒予以區分，較大的微粒沉降下來(lái)，用機械方式送往地下槽。這樣即節約了氣體輸送能耗，又可防止管道堵塞。
c、安全篩
在大顆粒尿素生產(chǎn)過(guò)程中，不規則大塊出現的概率較小，但仍有出現的可能。為此流程中均需設置安全篩。為了簡(jiǎn)化流程，DDG技術(shù)將安全篩設于專(zhuān)利設備之內，收到了很好的效果。
3.3新型尾氣洗滌器
為了進(jìn)一步凈化含塵尾氣，降低能耗，我公司與天津大學(xué)共同研制了新型尿素尾氣洗滌塔，并已申請了專(zhuān)利，如圖3所示。
新型尾氣洗滌器的吸收方式與其他設備不同，傳統的吸收塔都是氣液逆流操作，容易發(fā)生液泛，氣速受到限制，使得設備本體龐大。而新型尾氣洗滌器的設備本體可大大縮小。在新型尾氣洗滌器內含塵氣體在一定的氣速下通過(guò)沖噴洗滌裝置與水流經(jīng)過(guò)上下兩次充分混合建立起動(dòng)態(tài)平衡的交換場(chǎng)，高效進(jìn)行質(zhì)量傳遞和熱量傳遞，氣液混合物先 通過(guò)填料床層近一步傳質(zhì)并初步分離后，經(jīng)過(guò)由規整填料做成的捕液吸能器進(jìn)一步充分分離，分離后的液體向下流入母液槽中，氣體向上經(jīng)過(guò)高效絲網(wǎng)除沫器后達標排放到大氣中。
整個(gè)洗滌器為立式結構，上下封頭，封頭形式根據現場(chǎng)情況可采用平型、錐型、橢圓型、碟型等，使得設備的平立面布置更加靈活方便。在滿(mǎn)足環(huán)保要求的條件下，與其他裝置相比，同等條件下壓力降降低超過(guò)50%，一次投資降低40%，水電消耗大幅降低。
3.4與DDG相關(guān)的技術(shù)發(fā)展
3.4.1 DDG與造粒塔相結合，DDG和造粒塔的全部尾氣均可洗滌。DDG的優(yōu)勢之一是造粒轉鼓內流化床床層很低，只有200mm左右，對流化風(fēng)的要求不高；冷卻轉鼓內裝有特殊結構的水冷器，因此每噸大顆粒尿素產(chǎn)品產(chǎn)生的尾氣量比造粒塔和其它大顆粒技術(shù)產(chǎn)生了尾氣都要少，大約少30%左右。經(jīng)過(guò)縝密的技術(shù)分析，我們提出了結合DDG技術(shù)改造原有造粒塔尾氣的方案。如下圖所示。將造粒塔的能力降至原有能力的20%，采用新型低能力噴頭，生產(chǎn)φ2mm的造粒塔尿素作晶種。（此噴頭已研制成功）將80%的尿素融熔物與20%的φ2mm的尿素顆粒送入DDG裝置生產(chǎn)大顆粒尿素。將DDG與造粒塔的尾氣均送入洗滌器，洗滌后放空。
通過(guò)這樣的技術(shù)改造，需要洗滌的尾氣（造粒塔尾氣和DDG尾氣總量）比原造粒塔尾氣減少了20%，同時(shí)全部尿素產(chǎn)品均為大顆粒尿素，可以以較少投資和較低能耗完成尾氣洗滌和產(chǎn)品結構調整兩大目的。
3.4.2造粒塔尾氣洗滌的新設計
為了解決造粒塔洗滌問(wèn)題，我們與清華大學(xué)共同研究，精心設計了新的造粒塔洗滌系統，并申請了專(zhuān)利，如圖所示
造粒塔含尿素粉塵氣體通過(guò)風(fēng)機和風(fēng)管進(jìn)入汽霧室，在汽霧室內與霧化的洗滌水充分接觸，潤濕后經(jīng)填料層和除沫器分離水分，經(jīng)百頁(yè)窗排入大氣。排入大氣的氣體中所含尿素粉塵將減少75%左右。汽霧室內的補充水是由尿素裝置的工藝系統送來(lái)，與循環(huán)水一起經(jīng)水洗噴頭霧化，霧化后的水與經(jīng)風(fēng)管送入的尿素粉塵接觸，將尿素粉塵溶入水中。在不斷的溶解循環(huán)過(guò)程中，水中的尿素含量越來(lái)越高，當濃度接近飽和時(shí)，部分接近飽和的含尿素溶液在泵后排出，送往尿素裝置。
洗滌粉塵的補充水來(lái)自于尿素裝置（一般來(lái)自于水解后的排放液），而接近于飽和的尿素溶液又返送回尿素裝置，重新經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、造粒后成為產(chǎn)品。這個(gè)造粒塔尾氣粉塵的洗滌過(guò)程是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，與前部尿素生產(chǎn)裝置有機地合為一體，即減少了尿素粉塵對大氣環(huán)境的污染，又提高了尿素的產(chǎn)量，是一舉兩得的技術(shù)設備。圖中所示的技術(shù)設備采用7臺固定式尿素噴頭，造粒塔頂設有與排放區相分隔的隔離區，尿素噴頭、泵和水槽均置于隔離區內。
本設計還可采用一臺旋轉式尿素噴頭，造粒塔頂不設隔離區，只設尿素噴頭小室，并將水槽、泵設在造粒塔壁外側。這種新式造粒塔的優(yōu)勢是解決長(cháng)期困擾尿素行業(yè)的造粒塔尾氣對大氣環(huán)境的污染問(wèn)題。由于洗滌部分的荷載問(wèn)題，本設計一般只用于新建造粒塔，但也可考慮老塔改造，改造效果略低于新建造粒塔。
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