Повышение эффективности производства сложных минеральных удобрений путем оптимизации процессов гранулирования и сушки

На правах рукописи

Кочергин Сергей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СЛОЖНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ГРАНУЛИРОВАНИЯ И СУШКИ

Специальность 05.17.08-Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной

степени кандидата технических наук

Иваново-2008

Работа выполнена в Ивановском государственном химико-технологическом университете.

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор - Блиничев Валерьян Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор – Тимонин Александр Семёнович

доктор технических наук, профессор – Овчинников Лев Николаевич

Ведущая организация:

ОАО “Минеральные удобрения” г. Воскресенск

Защита состоится “___“______________2008 года в ___ часов на заседании диссертационного совета Д212.063.05 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г.Иваново, пр. Ф.Энгельса, д.7

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета.

Автореферат разослан “____“__________2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук Зуева Г.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Физико-химические свойства фосфатов аммония таковы, что делают предпочтительным использование этих продуктов для получения всего необходимого для сельского хозяйства ассортимента комплексных удобрений. Если химический состав продукта зависит от качества и соотношения исходных компонентов, то его физические и механические свойства формируются на всех стадиях технологического процесса. Особая роль в этом отводится гранулированию, в процессе которого закладываются форма, размер, плотность и структура частиц. В технологии производства минеральных удобрений одной из основных стадий формирования качества продукта является процесс гранулообразования с последующей или одновременной стабилизацией структуры (сушкой или охлаждением) и выделением товарной фракции. Не случайно различные схемы производства удобрений называют по типу гранулятора, считая его основным аппаратом, формирующим структуру технологической линии. В большинстве случаев техника гранулирования к настоящему времени определена и прогресс в этой области идёт по пути модернизации существующего оборудования в направлении создания более надёжных, достаточно простых в изготовлении и эксплуатации конструкций. Совершенствование аппаратуры применительно к конкретным условиям эксплуатации оказывает решающее влияние на эффективность технологической линии. Однако модернизация конструкций не должна быть односторонней и направленной только на интенсификацию данного процесса. Следует также искать пути изменения и оптимизации технологии, чтобы полнее использовать возможности имеющейся аппаратуры.

Большинство из выпускаемых на данный момент сложных фосфоросодержащих минеральных удобрений производится методом окатывания с использованием связующего компонента на частицах ретура в барабанных аппаратах. Технологические системы по выпуску таких удобрений работают по схеме с “БГС” (барабанная гранулятор-сушилка), либо по схеме “АГ+СБ” (аммонизатор-гранулятор совместно с сушильным барабаном). Наиболее управляемой является схема АГ+СБ с использованием большого количества ретура и связующей пульпы, получаемой нейтрализацией фосфорной кислоты жидким аммиаком в смесителях-нейтрализаторах.

Промышленная эксплуатация барабанных грануляторов и сушильных барабанов показывает, что на надёжную работу такой технологической системы оказывает влияние большое количество факторов. Их влияние на надёжность работы технологической системы по выпуску сложных удобрений в настоящее время изучено не в полной мере. Несмотря на то, что некоторые производства работают уже более 25 лет, оптимальные режимы ведения процессов гранулирования и сушки до сих пор не найдены.

Основные цели исследования

1. Выявление определяющих параметров процессов гранулирования и сушки производства диаммонийфосфата по схеме АГ+СБ.

2. Проведение оптимизации технологических режимов работы аммонизатора-гранулятора и сушильного барабана в производстве диаммонийфосфата.

Задачи исследования

1. Проведение исследований на промышленном аммонизаторе-грануляторе и сушильном барабане (при средней производительности технологической системы по готовому продукту 57 т/ч) в широком диапазоне изменения входных параметров при выпуске диаммонийфосфата.

2. Выявление основных определяющих параметров как процесс гранулирования, так и процесс сушки при выпуске диаммонийфосфата.

3. Получение регрессионных зависимостей, связывающих качественные характеристики получаемого диаммонийфосфата, а также выход товарной фракции с основными влияющими параметрами.

4. Определение оптимальных режимов работы аммонизатора-гранулятора и сушильного барабана, как при раздельной, так и при совместной их работе.

Научная новизна

1. Найдены основные определяющие параметры процессов грануляции и сушки, оказывающие существенное влияние как на качество продукта, так и на выход товарной фракции, а также пределы их изменения, в диапазоне которых обеспечивается технологически надёжная работа системы производства диаммонийфосфата, в результате проведенных исследований на промышленных установках при средней производительности 57 т/ч по ДАФ.

2. Получены регрессионные зависимости, связывающие качественные характеристики диаммонийфосфата и производительность технологической системы по готовому продукту с основными влияющими параметрами процессов гранулирования и сушки.

3. Проведена оптимизация технологических режимов работы аммонизатора-гранулятора и сушилки, как при отдельной, так и при совместной их работе с целью получения максимальной производительности технологической системы по выпуску диаммонийфосфата при сохранении его качества согласно требованиям технических условий на производстве.

Практическая значимость

1. Полученные математические зависимости между входными и выходными параметрами стадий гранулирования и сушки в производстве диаммонийфосфата позволяют найти технологически надёжные режимы работы этих стадий при изменении требований к выпускаемому на производстве удобрению (содержание Р2О5, N, Н2О, гранулометрический состав).

2. Разработана программа для оперативного расчёта всех качественных характеристик получаемого на производстве диаммонийфосфата в зависимости от изменения всех входных технологических параметров как на стадии гранулирования, так и сушки. Данная программа была внедрена на ОАО “Аммофос” в производство минеральных удобрений для облегчения работы операторов в системе управления.

3. Полученные оптимальные значения всех входных параметров в процессе проведения оптимизации режимов работы отделения гранулирования и сушки позволили составить режимную карту для ведения технологии получения диаммонийфосфата.

4. Проведённая оптимизация позволяет снизить себестоимость диаммонийфосфата, увеличить производительность по готовому продукту и одновременно повысить надёжность работы всей технологической системы.

5. Расчёт экономического эффекта от внедрения оптимальных режимов работы аммонизатора-гранулятора и сушилки только на одной линии производства диаммонийфосфата, когда производительность технологической нитки по готовому продукту составляет 61,4 т/ч вместо 55 т/ч по регламенту, показал, что он составляет порядка 118 млн. рублей/год.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII Международной научной конференции “Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования” (г. Иваново, 2005 год); на международной научной конференции “Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием” (г. Иваново, 2007 год).

Публикации

Материалы диссертационной работы получили отражение в 6 публикациях.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов по работе, списка литературы из 101 наименования. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, 32 рисунков, 9 таблиц, 7 приложений.

Реализация результатов работы

Результаты работы внедрены в производстве минеральных удобрений на ОАО “Аммофос”.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели работы, задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведён обзор современных способов и оборудования гранулирования сложных минеральных удобрений. Основное внимание уделялось изучение научных трудов по гранулированию минеральных удобрений таких авторов, как Классен П.В., Гришаев И.Г., Овчинников Л.Н. и др. Выявлены основные достоинства и недостатки методов гранулирования. Определены способы гранулирования сложных фосфоросодержащих удобрений. Рассмотрены основные схемы, существующие в производстве фосфоросодержащих удобрений: гранулирование в барабанным грануляторе сушилке (БГС); гранулирование в аммонизаторе –грануляторе с последующей сушкой в сушильном барабана (АГ+СБ). Рассмотрены понятия оптимизации химико-технологических процессов, этапы постановки оптимизационной задачи, классификация оптимизационных задач. На основании анализа литературных источников сформулированы задачи настоящего исследования.

Во второй главе рассмотрен процесс получения диаммонийфосфата. Представлена технологическая схема промышленной установки получения диаммонийфосфата (рис. 1) и её описание. Представлена методика измерения и регулирования технологических параметров. Процесс нейтрализации слабоаммонизированной фосфорной кислоты жидким аммиаком осуществляется в смесителях – нейтрализаторах (2, 3, 4, 5). Смесители – нейтрализаторы, представляющие собой камеры смешения с внутренним диаметром 150 мм, установлены непосредственно перед аммонизатором – гранулятором (1). Процесс нейтрализации сопровождается выделением тепла, в результате чего происходит разогрев реакционной массы и испарение влаги. При нейтрализации слабоаммонизированной фосфорной кислоты жидким аммиаком образуется суспензия, состоящая в основном из фосфатов аммония (моноаммонийфосфата, диаммонийфосфата, сульфата аммония, фосфатов железа, алюминия, магния и др.), называемая пульпой. Степень аммонизации (мольное отношение NН3 : Н3РО4) определяет вид выпускаемых удобрений. При выпуске на производстве минеральных удобрений диаммонийфосфата данное соотношение выдерживают в интервале 1,7-1,9.

Слабоаммонизированная фосфорная кислота нейтрализуется жидким аммиаком в смесителях-нейтрализаторах до мольного соотношения 1,7-1,82 с образованием пульпы фосфатов аммония. Пульпа фосфатов аммония из смесителей - нейтрализаторов (2…5) с установленным мольным отношением NН3 : Н3РО4 через пульпопровод форсункой диаметром 100 мм распыляется в четырёх точках, расположенных по всей длине аммонизатора гранулятора (1). Распыление пульпы на частицы ретура в четырёх точках осуществляется с той целью, чтобы исключить появление зон переувлажнения шихты, что, в конечном итоге, приводит к образованию крупных агломератов. Слабоаммонизированная фосфорная кислота, поступающая из форабсорбера в смесители нейтрализаторы, имеет в составе 44 % Р2О5 и около 50 % воды. За счёт теплоты реакции нейтрализации основная часть влаги испаряется в аммонизаторе-грануляторе и вместе с отходящими газами поступает в отделение абсорбции. Влажность шихты после аммонизатора- гранулятора может колебаться от 2 до 3,5 %.

Аммонизатор-гранулятор (сокращенно – АГ) представляет собой вращающийся аппарат барабанного типа, футерованный резинотканевой лентой. В загрузочной и выгрузочной части АГ установлена несущая труба Ду 400 мм, к которой крепится аммиачная рампа для подачи жидкого аммиака. Со стороны загрузки, через несущую трубу Ду 400 мм, проложены четыре трубопровода Ду 100 мм для подачи пульпы фосфата аммония в четырёх точках, расположенных друг от друга на расстоянии одного метра.

В аммонизаторе-грануляторе происходит доаммонизация пульпы фосфатов аммония жидким аммиаком до необходимого мольного отношения NН3 : Н3РО4 (1,8-1,9) с одновременным гранулированием мелких частиц ретура. Для доаммонизации и корректировки содержания влаги в шихте предусмотрена подача жидкого аммиака со стороны загрузки ретура через аммиачную рампу в слой гранулируемой массы.

Пульпа фосфатов аммония в аммонизаторе-грануляторе распыляется на ретур, который подается через течку элеваторами (20). Ретур представляет собой продукт, состоящий из гранул размером от 0,1 до 6 мм. Опыт эксплуатации АГ показал, что для поддержания технологически надежного режима работы при подаче ретура в заданном диапазоне расходов (180-200 т/час) в нём должно содержаться определенное и достаточно большое количество товарной фракции с размерами 2-5 мм. (см. рис.2). Для корректировки марки диаммонийфосфата в ретур из расходного бункера (21) при помощи питателя (22) вводят нужное количество гранулированного шлака. При не надёжной работе технологической системы количество ретура может достигать 400 т/ч, что приводит к завалу элеваторов (20) и к полной остановке системы.

В форабсорбер (10) для улавливания пыли, абсорбции аммиака и конденсации паров воды из сборника, установленного в отделении абсорбции, погружным насосом подаются слобоаммонизированные растворы фосфорной кислоты, объемный расход которых автоматически изменяется регулирующим клапаном в зависимости от уровня жидкости в форабсорбере (10). Форабсорбер представляет собой ёмкость с перемешивающим устройством. Основная его функция заключается в частичном улавливании пыли и аммиака из технологического газа, отходящего из гранулятора. В процессе улавливания аммиака фосфорная кислота нейтрализуется до мольного соотношения 0,3-0,5. Эффективность поглощения аммиака составляет около 20 %.

Шихта, полученная в аммонизаторе - грануляторе (1), через пересыпную вибротечку поступает в сушильный барабан (6) отделения сушки. В производстве используется конвективный способ сушки - непосредственное соприкосновение теплоносителя (топочного газа) с высушиваемым материалом при прямотоке. Топочные газы, соприкасаясь с высушиваемым продуктом, постепенно охлаждаются и насыщаются парами воды. Топочные газы получаются при сжигании природного газа в топочно - горелочном устройстве (17) (ТГУ).

Сушильный барабан представляет собой вращающийся цилиндрический аппарат диаметром 4500 мм, длиной 35000 мм. Сушильный барабан оборудован загрузочной и разгрузочной камерами. В разгрузочной камере СБ установлено «беличье» колесо, предназначенное для разрушения крупных комков и классификации продукта. Высушенный продукт размером менее 50 мм, проваливается в разгрузочную течку и подается конвейером (12) на узел рассева. Передвижение гранул по аппарату обеспечивается углом наклона барабана, равным 2, и вращением его со скоростью 2,73 об/мин.

Из сушильного барабана (6) ленточным конвейером (12) и элеватором (13) высушенный продукт подается на двухситный вибрационный грохот типа «Хеннион» (14), где осуществляется рассев по фракциям. Мелкая фракция из грохота (14) по течкам с вибраторами поступает на ретурный конвейер (19). Крупная фракция с верхнего сита грохота поступает в дробилку (15) и затем по вибротечкам также поступает на ретурный конвейер (19). Товарная фракция через пересыпное устройство подается в узел пересыпки и подается на охлаждение в холодильник «кипящего слоя» (16). Охлаждение продукта осуществляется атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором (17). Объемный расход воздуха регулируется шиберными заслонками, установленными на линии всаса вентилятора.

В рассмотренной схеме производства диаммонийфосфата, как в любой химико-технологической схеме, надёжная работа оборудования на отдельных стадиях взаимозависима от предыдущих и последующих стадий. В данном производстве основным аппаратом технологической линии является аммонизатор-гранулятор, в котором закладываются основные физико-химические свойства и гранулометрический состав получаемого продукта. И в то же время ориентировочный анализ работы всей технологической линии показывает, что качество получаемого диаммонийфосфата (конечная влажность гранул, их температура на выходе из сушильного барабана), а также выход товарной фракции во многом зависят от режимов работы сушилки, дробильно- классификационного узла и холодильника “КС”.

Поэтому нами проведены экспериментальные исследования на промышленной установке производства ДАФ в широком диапазоне варьирования основных входных и выходных управляемых и регулируемых параметров аммонизатора-гранулятора и сушильного барабана. Для этого работа отделения гранулирования и сушки исследовалась на протяжении достаточно долгого периода. Данные с технологической системы снимались в разные временные периоды. Учитывались режимы работы как при эксплуатации основного оборудования в летний, так и в зимний период. Основные технологические параметры работы отделения гранулирования и сушки тщательно анализировались и наиболее характерные заносились в таблицы. Особое внимание уделялось анализу причин для случаев, когда технологическая система выходила за границы технологической надёжности вследствие либо получения некачественного продукта по содержанию азота, фосфора, влажности и температуры гранул, либо по случаям “завала” элеваторов, приводящих к остановке технологической системы.

9

Глубокий анализ причин, приводящих в конечном итоге к останову производства, а также полученный экспериментальный материал процессов гранулирования и сушки в промышленных аппаратах производства ДАФ, позволил нам выявить основные параметры, влияющие на работу как аммонизатора-гранулятора, так и сушильного барабана, а также пределы возможного их изменения, при поддержании которых обеспечивается надёжность производства ДАФ.