关于我国尿素造粒塔环保改造问题探讨
一、前言
尽管《化学肥料工业大气污染物排放标准》还在征求意见中，但该《标准》的尽快实施已经不可避免。在2017年7月12日由中国石油和化学工业联合会主办的《化学肥料工业大气污染物排放标准》（征求意见稿）讨论会上，最新公布的尿素造粒塔的颗粒物“排放限值”确定为30mg/Nm3，而“特别排放限值”确定为20mg/Nm3，这对于在我国产能占比高达85%的塔式尿素生产企业来说影响和震动极大。在面对行业产能过剩、优惠政策取消、生产成本不断上涨、市场价格低迷以及越来越严格的环保督察等一系列经济和环保压力的同时，所有的塔式造粒尿素生产企业都将无一例外地投入巨额资金进行造粒塔的环保改造或造粒技术替换。然而，由于长期的环保欠账，加之造粒塔改造的难度和风险极大，使得国内尿素造粒塔的改造问题陷入了一个“大工程公司不愿接，小技术公司改造达标难和安全风险大”的困局。
笔者自2012年就开始关注国内尿素造粒塔的污染问题，并调研其环保改造的技术可行性和经济性，先后与国内外的尿素生产企业、工程公司、技术专利商及资深技术专家等进行了广泛的讨论，参与了中国石油和化学工业联合会和中国氮肥工业协会关于新《标准》征求意见稿的讨论会。本文将就笔者几年来的调研情况，结合国外尿素造粒技术总体情况和尿素造粒塔改造办法以及国内尿素生产企业的实际情况，进行综合的介绍。
二、我国尿素行业的塔式造粒技术和环保水平现状及改变的必要性
塔式造粒和流化床造粒是当今世界上最主要的尿素造粒技术。国内以塔式造粒为主，产能占比高达85%左右，且全部是污染严重的自然通风式传统造粒塔。而国外则以更加环保的流化床造粒技术为主，产能占比高达80%，且新建装置基本都采用了流化床造粒技术。目前国外只有独联体国家和南亚/东南亚地区还在以塔式造粒为主，塔式造粒产能占比分别为81%和90%。
图1：国外主产区的塔式和流化床尿素产能分布
尽管独联体国家也是以塔式造粒为主，但与我国不同的是，独联体国家从1971年就开始逐步弃用我国目前广泛采用的自然通风式传统造粒塔，而普遍采用了强制通风加塔顶洗涤的新型造粒塔，并对尚存的传统造粒塔进行了升级改造。这项工作主要由俄罗斯NIIK公司设计和实施。
图2：独联体国家塔式尿素造粒技术的应用情况
（资料来源：来自Nitrogen&Syngas2017会议上俄罗斯NIIK公司的介绍）
我国作为世界第一大尿素生产国和使用国，尿素年产能高达7700万吨，占世界总产能的40%，尿素年产量高达6200万吨左右，占世界总产量的1/3，且生产企业分布得十分集中，超过一半的尿素产能集中在北京周边500-700公里的半径范围内。长期以来我国一直采用自然通风式传统造粒塔，颗粒物排放标准一直限定在150mg/Nm3，而业内外普遍认为实际排放值高于、甚至远高于现行限值，令尿素生产行业一直饱受社会所诟病。尤其是近年来备受关注的雾霾问题，使国家面临巨大的国内和国际压力。
此外，150mg/Nm3的颗粒物排放标准在化肥行业已实施几十年，既严重滞后于国际尿素生产行业，也不符合我国科学发展的理念，客观上造成了污染严重的自然通风式传统造粒塔在国内普遍使用和积重难返的窘状。经过40余年的技术引进和消化吸收，我国尿素生产行业在氨合成和尿素合成领域的技术水平已居于世界前列，然而在尿素造粒环节的技术和环保水平是全世界偏低的，这是与我国工农业现代化的发展方向是相悖的。滞后的标准和落后的技术不仅使我国成为受尿素粉尘污染伤害最严重的国家，也造成了巨额的经济损失，据测算，按照我国现有尿素产能计算，即使所有生产企业都按照150mg/Nm3的标准达标排放颗粒物，每年相当于有一套80万吨装置的尿素产能飘散到大气中。
尽管现在国内尿素生产企业的经济和环保压力已经很大，但仍需认识到我国当前尿素造粒塔的技术含量偏低和污染严重的现实，积极配合国家新《标准》的实施进行有效的技术改造或技术置换，逐步走入绿色、环保的发展轨道，实现产业的进一步升级。
三、关于我国尿素造粒塔环保改造方案探讨
实际上，行业内针对尿素粉尘有湿法洗涤、电除尘、布袋除尘和电袋复合除尘等多种有效的处理方式，而造粒塔粉尘处理的难点在于排污点过高（达80-120米），且无可靠的除尘设备安装位置。调研发现，造粒塔的粉尘处理问题在国外也是一个难题，没有很经济的解决办法。以下将结合国外在尿素造粒环节的环保解决经验进行讨论，供我国尿素生产企业参考。
（一）借鉴国外成熟经验，规范改造国内尿素造粒塔
如前文所述，俄罗斯NIIK公司设计并实施了独联体国家的新型造粒塔建设和传统造粒塔改造。NIIK公司对自然通风式传统造粒塔的改造内容包括：1）增加尿素颗粒的降落高度，2）增加废气洗涤系统，并封闭塔顶，3）增加废气洗涤系统的塔内支撑结构，4）增加造粒塔内部冷空气的线速度，5）塔内底部增加流化床冷却器等。通过洗涤改造，将自然通风式传统造粒塔改造为强制通风式新型造粒塔，使游离氨排放值降低至40mg/Nm3、尿素粉尘排放降低到25mg/Nm3。同时，由于在造粒塔原始设计中未考虑到新增塔顶洗涤系统的巨大重量，NIIK公司在造粒塔内部设计了从底部到顶部的支撑结构，由该支撑和造粒塔顶共同分担新增洗涤系统的重量，以确保改造后造粒塔的结构安全；考虑到塔顶封闭和塔内支撑缩小了塔径，对产品温度和质量影响较大，NIIK公司在塔底增加了塔内流化床冷却器，以确保夏季时产品温度在45-50℃。
以上是国外成规模进行新型尿素造粒塔新建和传统尿素造粒塔改造的唯一可参考实例，设计和改造兼顾了环保、安全和产品质量，但是改造费用大、时间长，运行成本升高，这也印证了传统造粒塔的改造不存在技术障碍，但是没有很经济的改造技术，改造代价高。
图2：NIIK公司的传统造粒塔改造示意图
（资料来源：来自Nitrogen&Syngas2017会议上俄罗斯NIIK公司的介绍）
（二）借鉴国外先进经验，逐步用更加环保的流化床造粒技术取代严重污染的塔式造粒技术
长期以来，国内尿素生产行业对塔式造粒和流化床造粒这两种技术一直存在比较，相对来说，自然通风式传统造粒塔的投资和运行成本低，加之市场上长期以塔式小颗粒产品为主，对终端用户用肥习惯存在一定影响，塔式尿素产品在我国的产能一直居高不下。实际上，国外尿素生产企业也十分清楚自然通风式传统造粒塔在投资和运行成本的优势，但严格的环保政策决定了流化床造粒技术的普遍使用。随着近年来国内环保风暴的愈演愈烈，尤其是《化学肥料工业大气污染物排放标准》的即将实施，使得自然通风式传统造粒塔再无立足之地，无论新塔建设还是老塔改造，生产企业都将不得不投入巨额资金以及较高的运行费用，塔式造粒也失去了原有的经济优势，我国尿素造粒也必将向着国外普遍采用的、技术含量高更环保的流化床造粒技术方向发展。
另外，近年来国际上各家技术商在流化床尿素造粒技术发展方面取得了很大的进步。其中，绿色造粒技术有限公司突破传统观念，在2012年推出的新一代冷料循环流化床尿素造粒技术（ColdRecycleFluidBedUreaGranulationTechnology，简称CRG技术）极大地简化和优化了工艺流程，明显降低了投资和运行成本。随后绿色造粒技术有限公司进一步研发并陆续向市场推出了1）尿素中颗粒和小颗粒流化床造粒技术、2）无甲醛尿素流化床造粒技术、3）多元增效尿素流化床造粒技术、4）造粒尾气超低排放环保技术等一系列先进的、塔式造粒所无法比拟的先进技术，极大了拓宽了流化床造粒技术的适用性，为尿素生产企业提升环保水平、丰富产品结构、增强市场竞争力、提高企业效益提供了可靠的技术保障。随着技术的持续进步，流化床造粒技术已经成为建得起、用得起、可替代塔式造粒、性价比较高且优于环保标准要求的实用技术。
图3：绿色造粒技术有限公司的冷料循环流化床尿素造粒技术工艺流程
（三）采用“分流法”，在解决造粒塔尾气达标排放的同时，丰富产品结构
“分流法”实际上是在老塔改造和以流化床造粒装置替代造粒塔这两个方案以外的折衷方案，其出发点主要基于以下两点考虑：
1、老塔的环保改造成本极大，生产企业仅为尾气治理就耗资千万甚至更高，往往心有不甘。
2、以新建流化床造粒装置来彻底取代现有造粒塔，对于很多生产企业来说也难以取舍。
我们知道，造粒塔顶的尾气溢出量与造粒塔产能直接相关，当造粒塔产能下降时，塔顶尾气的溢出量也会同比下降。“分流法”的改造思路是，将原引入造粒塔的尿液分流一部分，去生产更为环保的流化床尿素、UAN等产品，通过降低造粒塔负荷来大幅降低粉尘和氨排放，并根据造粒塔实际强度辅以塔顶洗涤系统，在尾气达标排放的同时，改善产品质量，调整产品结构。而产品结构调整正是很多生产企业的未来重点投资方向，应与老塔改造结合起来，以提升投资效率和经济性。
图4：“分流法”环保改造流程
四、关于造粒塔环保改造需要特别重视的几个问题
（一）改造指标应具有前瞻性
《化学肥料工业大气污染物排放标准》在制定过程中，尿素造粒塔的颗粒物“排放限值”开始确定为50mg/Nm3，后来降低到30mg/Nm3，而“特别排放限制”开始确定为30mg/Nm3，后来降低到20mg/Nm3。尽管《标准》还没有最终公布，但是可以看得出国家整治化肥行业在生产环节污染问题的决心很大，即使《标准》最终采用的排放指标较宽松，仍可预见在不久的将来还会进一步严苛。因此，老塔改造时对排放指标应具有前瞻性，即，应按照远优于《标准》的指标来改，切不可卡着《标准》改，否则将来国家一旦进一步严格排放标准，生产企业将陷入改了又改，甚至改无可改的绝境。
（二）重视改造的安全性
老塔改造的首要目的是解决达标排放，从国外改造经验和国内摸索情况看，增加塔顶深度洗涤和塔内强制通风是老塔改造的唯一有效的办法，但这种改造方式必然会对产品质量和造粒塔的安全性产生很大影响，尤其是改造后的安全问题。
根据国内某大型工程公司的规范计算，如果按照新《标准》征求意见稿的指标排放，一座年产能为30万吨的传统造粒塔，新增塔顶洗涤系统的重量需要达到160吨，而一座年产能为80万吨的传统造粒塔，新增塔顶洗涤系统的重量需要达到300吨以上。因此，老塔改造需要结合原始设计和现场勘察进行规范设计，考虑类似俄罗斯NIIK公司设计中的塔内支撑结构，避免出现塔毁人亡的重大安全事故。
汶川地震后，我国在2010年颁布了新的《建筑抗震设计规范》，提高了建筑物的土建标准。对于2010年以前土建标准较低的传统造粒塔，改造时尤其应该重视塔顶洗涤增重对安全的影响。
（三）应与正规设计院合作，进行规范设计
传统造粒塔的环保改造是一个兼顾了达标排放、产品质量和安全生产的系统工程，尤其是我国尿素行业已发展了40多年，造粒塔的情况十分复杂，老塔改造既要考虑原始设计，又要进行现场勘察，更要规范实施。正规设计院专业齐全、设计规范、重视责任和声誉、综合实力强，尿素生产企业应与这些正规设计院合作，规范地进行老塔改造的设计和施工。
（四）重视新《标准》中对尿素粉尘检测方法的规定，避免无效改造和投资
造粒塔的塔径大、污染物采样和分析难度高，一直以来，国内尿素造粒塔粉尘排放值的检测方法缺乏统一标准，往往形成当地环保部门、生产企业和改造单位各测各值、各说各话、互不信服的尴尬局面，这一问题在新《标准》的制定过程中已引起了编制组的高度重视。目前中国氮肥工业协会已完成造粒塔污染物采样和分析方法的起草，正在行业内征求意见。生产企业在对老塔改造前应严格参照新《标准》对于采样和分析方法的要求，以免造成无效的改造和投资。
（来源：中国氮肥网 作者：绿色造粒技术有限公司 王伟臻）
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