硫酸脲氨化法生产尿基复合肥工艺技术开发及应用(化工学会第十六届新技术推介会)

硫酸脲氨化法生产尿基复合肥工艺技术开发及应用

石学勇王金铭张彦旭

（中国—阿拉伯化肥有限公司，河北秦皇岛066003）摘要：对脲硫酸氨化法生产尿基复合肥工艺的原理和影响造粒的主要因素进行了分析，总结了生产过程中出现的主要问题，提出了解决办法和应对措施，为蒸汽团粒法、尿液喷浆法、氨酸法造粒装置技术升级和改造提供了可借鉴的思路。

关键词：硫酸脲；氨化造粒；尿基复合肥；技术改造

1.0概述

目前，随着我国复合肥和复混肥标准的分别制定和实施，我国蒸汽团粒法和尿液喷浆法复混肥工艺急需改造，升级为有化学反应的复合肥生产工艺，目前一般采用最简单的氨酸法。但是氨酸法主要适用于高磷肥和平衡型肥料的生产，工艺的适应性不强。随着对硫酸脲氨化法生产复合肥的工艺技术研究的不断深入，已有多个生产厂家采用硫酸脲氨化工艺进行了工业化的生产，并取得了相当的成果，同时在生产中也暴露出一些问题，经过我们深入的分析，提出了解决办法和改进措施，并取得了满意效果。

2.0硫酸脲的基本性质

1934年Ddlman.L等研究了CO(NH⒉)2-H2SO4-H2O三元系统相图，提出尿素和硫酸可以形成不同的加合物，可以形成低温共熔物，最低共熔点为10℃。

图1尿素-硫酸二元体系相图

尿素与硫酸的加合为放热反应，且第一个摩尔尿素与硫酸结合时放出大量热量，导致温度剧升，而第2个摩尔的尿素溶解时放热则较少，另外，由于尿素与硫酸加合过程的放热，酸解液配制时所产生的热量可能使系统过热而发生缩合等副反应，甚至有可能引起爆炸。因而要求酸解液配制温度最高不超过130℃，一般控制在110℃以下，并在配制过程中控制合适的尿素和硫酸的比例，同时加入适量的水以降低硫脲的粘度和保持硫脲的稳定。

图2 10℃、25℃尿素-硫酸-水三元体系相图

2.2. 硫酸脲溶液的配制

尿素根据投料量经人工拆包后加入缓冲料斗，通过电子皮带秤计量后用输送带送至硫酸脲配制罐；工艺水、浓硫酸分别通过各自的流量计量控制系统，按照与尿素相对应比例的流量输送至硫酸脲配制罐。在硫酸脲配制罐中，尿素与浓硫酸和工艺水在充分搅拌的情况下发生反应，形成硫酸脲液体，并释放出反应热。在此体系中，为控制反应温度，在配制罐外设有硫酸脲换热器，以冷却水（或蒸汽）作为换热器介质，用硫脲循环泵强制循环，通过温度调节系统调节冷却水量（或蒸汽量），使反应温度严格控制在适宜的温度范围内。为了保证反应体系的液位稳定，硫酸脲配制罐设有液位现场监测装置，通过调节浓硫酸、尿素、水的加入配制量及配制时间从而达到控制液位的目的。在制备罐中，经过一定的停留时间，反应物料最终形成硫酸脲。考虑到硫酸脲的特殊性质及造粒的实际需要，生产中硫酸脲配置时必须严格控制各组分配比。制备好的硫酸脲溶液经过滤器严格过滤后进入硫酸脲泵，然后经计量后输送至造粒机参与造粒生产。

2.3硫酸脲氨化法生产尿基复合肥的工艺流程

主要由原料计量、造粒、干燥、破碎、筛分、冷却、包膜、包装、、尾气处理等工序组成。

2.3.1固体原料系统

各固体原料首先经人工拆包后分别提升到各原料料仓，然后经计量称计量后汇同系统收集的粉尘、返料、由返料皮带输送进入转鼓造

粒机一起造粒。

2.3.2造粒系统

硫酸脲经加压计量后送至造粒机内硫酸脲专用喷嘴，喷洒至造粒机内不断滚动的循环料床的物料粒子表面；来自氨站的液氨（或氨水）经计量后通过造粒机内的喷氨轴送入造粒内料床，与之进行反应促进造粒物料粒化，改善造粒物料物性并参与造粒过程。同时，根据造粒状况可以向料床中通入适量的蒸汽和洗涤水，通过调节蒸汽和洗涤水的用量来控制造粒机物料的温度、湿度等，以促进物料的不断成粒。经过团聚、粘结、涂布后的物料颗粒自造粒机流出，通过溜槽进入回转干燥机进行物料的热风干燥。

2.3.3干燥系统

造粒后的物料进入干燥机后，与来自燃煤热风炉的热空气进行并流干燥，通过调节进入干燥机的热风风量、温度等指标对造粒物料进行干燥，使干燥后的物料水分达到适宜的指标。

干燥采用热风并流方式，燃煤热风炉所得的热炉气与干燥机内的物料呈并流（顺流）方式进入干燥机，以降低物料中的非结合水；通过调节热风温度及风量来完成物料的干燥过程。物料进入烘干机后，在筒内均匀分布的扬料板翻动下，物料在烘干机内均匀分布与分散，与并流的热空气充分接触，完成造粒物料的干燥传热、传质、热交换过程。

2.3.4破碎、筛分、冷却

经干燥后流出的物料经皮带输送机送入一级粗筛进行颗粒的粗筛分，粗筛后的大粒经破碎后返回造粒机重新造粒，物料再经细筛筛除＜2mm的细粉与原料混合进入造粒机，2-4mm的成品颗粒进入冷

却滚筒中进行冷却，冷却采用自然风逆流方式进行，冷却后的物料进一步精筛筛除细粉送包裹滚筒中进行涂层包膜。

2.4.2.5包膜、包装

成品颗粒物料与经计量调节喷入的包裹油在转筒中充分接触、滚动，使物料表面均匀地涂油或扑粉，完成颗粒物料的包裹操作，肥料颗粒进行包裹的目的是防止粘结、结块。包裹剂通过比例计量由包裹剂输送泵送入设在包裹筒内的包裹剂喷嘴的（或使用螺旋输送计量扑粉）。完成包裹后的硫酸铵成品颗粒由成品输送皮带机送至成品料仓，经自动计量后包装。

2.4.2.7尾气处理

造粒尾气含有少量的氨和粉尘，经造粒尾气风机直接送到喷淋洗涤塔洗涤，然后经烟囱排空。

干燥尾气含有少量氨气和大量粉尘，经干燥尾气风机抽入尾气旋风除尘器中经旋风收尘器除尘，尾气经风道引至重力沉降室再次重力除尘，最后与造粒尾气一起经喷淋洗涤后进烟囱排空。

冷却尾气中含一定粉尘，经过冷却尾气风机抽入冷却尾气旋风除尘器中进行一级干法旋风除尘，除下的粉尘送入返料造粒系统，尾气再由风道引至冷却布袋除尘器二次除尘，再次除尘后的尾气经烟囱直接排空。

其它固体物料在破碎和输送过程中产生的含尘尾气，分别通过各处相应除尘管道收集后，由风机依次抽入旋风除尘器、布袋除尘器，进行两级除尘处理回收后最后由烟囱排空。

图3 硫酸脲氨化法生产尿基复合肥的工艺流程示意图

2.4主要工艺技术指标

硫脲溶液温度：80-110℃

造粒机物料温度：60-70℃

造粒机出口物料含水量：2.5﹪-4﹪

返料比：1-2

物料PH值：5.5-6.5

3.0硫酸脲氨化造粒的机理和主要影响因素

3.1硫脲氨化造粒的机理

硫酸脲均匀喷洒在料层上作为粘结剂强化造粒，随后进入料层的液氨、MAP与硫酸进行反应生成DAP和硫酸铵，同时放出反应热，使物料迅速升温。利用尿素和反应物的粘性把物料层层包裹，在机械的作用下形成合格的粒子。主要化学反应：

2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4+Q

NH4H2PO4+NH3=（NH4）2HPO4+Q

在造粒过程中发生化学反应增加了物料间的溶解、吸附、分子间作用力等，使得物料的粘性增加，产品的致密度和强度提高，尤其是可以降低物料存储过程中的再次反应和晶型转变，使得产品的性质稳定，不容易发生粉化和结块。

3.2湿度的影响。

造粒的液相量与物料湿度有最直接的关系，随着湿度的提高各种物料的溶解量增加，液相量增多。不同的物料体系成粒性与液相量密切相关，在相同的生产条件下，尿磷铵系物料较其他物料体系的含水量要求更低，最佳的水分含量在3%左右。

3.3温度的影响

提高造粒温度，无机盐之间的化学反应变得活跃，物料间化学键结合的机会增加。而且，无机盐的溶解度一般随温度的升高而增大，所以造粒温度高时体系的液相量随之增多，相互的溶解和反应生成复盐量增加、均匀程度提高，这时外加液相量应适当减少，造粒湿含量（水分）应随温度和原料的溶解度变化而调整，例如尿磷铵造粒温度由60℃改为90℃时，其物料湿含量应从3.2%降为1.2%。升高温度也使液相粘度和表面张力减小，从而在机械外力作用下可获得更结实的颗粒。

3.4物料溶解度的影响

物料的溶解度对造粒有很大的影响，在相同温度和湿度的情况下，溶解度大的物料形成的液相量大。在硫酸脲喷浆造粒工艺中常用的原料主要有尿素、硫铵、氯化铵、碳铵，MAP、普钙、氯化钾、硫酸钾，常温下（20℃）的溶解度如下：

表1常温下（20℃）常用无机肥料的溶解度

g/100ml水

随着温度的升高溶解度会加大，例如尿素、硫酸铵、氯化铵、氯化钾、硫酸钾在水中的溶解度随温度变化的情况如下：

表2 不同温度下常用无机肥料的溶解度变化

g/100ml水

在脲硫酸复肥的配方中，由于尿素的溶解度较大，因此高氮复合肥中的液相量很高。如部分尿素以粉状尿素的形式加入会有所改善，但要注意的是尿素溶解吸热会使造粒温度变低、操作难度加大，所以配方中粉状尿素的加入比例一定要掌握好。

3.5物料酸碱度（PH）的影响

PH是物料体系的配伍性是否合适的重要指标，物料PH过低造粒易成大球，PH过高物料粘结性差不易成粒。在有磷铵存在的造粒体系中，根据生产经验造粒机内物料PH在5.5～6.5之间时比较适宜。

3.6物料熔点对粘度的影响

混合物料的共熔点一般会低于熔点最低组分的熔点，尿素、氯化钾、MAP体系的共熔点约为115℃，这样体系温度高于共熔点时也会造成物料的液相量增加，同时粘性增加，混合物料体系的共熔点称为粘滞温度。在造粒机内物料应该在粘滞温度附近，而在干燥机内则必须要低于粘滞温度。

3.7返料的影响

返料数量、返料的质量（如稳定性、粒度分布、温度、含水量等）对造粒有重要的影响，主要是对温度、湿度和造粒核心的影响，增加返料量使得造粒温度、湿度降低、核心增加。采用热返料技术可以提高返料温度，进而提高造粒的温度。一般控制系统返料比（返料量：投料量）在1-2之间，造粒机物料的液固比（液体投料：固体投料+返料量）根据造粒温度一般控制在0.1-0.2之间。

4.0硫酸脲氨化法工艺的主要优点

4.1.不用蒸汽可以实现尿素溶解

硫酸脲法充分利用尿素、硫酸、水形成硫酸脲的反应热，使固体尿素不需加热即能形成易流动的稳定的硫酸脲液体，相对尿素熔融法节省了溶解尿素所需的大量蒸汽，降低了生产成本。

4.2生成缩二脲的副反应少

硫酸脲的配制过程中，反应温度可较易的控制在低温范围内，相对其他高温熔融尿素的方法，可以有效的减轻尿素间的缩合反应，配制过程中生成缩二脲的副反应很少，产品中缩二脲的含量低，更加有效地保证产品的内在质量。

4.3造粒成粒率高

硫酸脲液体粘度较高，在60℃可达50cps，喷入造粒机中与其它基础肥料更易成粒，再加上硫酸氨化反应的成粒作用，造粒成粒率高，返料比在1～2范围内，优于尿液喷浆法返料比2～3的范围，可以实现无填料造粒，解决粉状硫酸铵成粒难的问题，特别是当品种要求硫酸铵加入量较多时，该工艺可以更好的发挥设备能力、节约能

源、提高生产能力。同时由于反应温和，带入水少（较氨酸法和尿液法），粘性强，造粒不易和泥，容易控制。

4.4干燥能耗低

充分利用了尿素、硫酸、水生成硫酸脲溶液的反应热，以及硫酸脲的氨化反应热，使得粒子系统水分含量较低，也大大降低了干燥机的热风负荷，对于某些配方可实现无干燥或少干燥即可达到水分含量的要求。

4.5工艺适应性强

在高温高湿情况下其他工艺生产尿基复合肥困难，但用该工艺进行生产时，硫酸脲的氨化产物及与其它基础肥料混合成粒后产品粒子的临界相对湿度可达60%以上，即使在高温、高湿的夏季生产也能实现正常连续开车，特别是生产高氮肥料时，效果更加明显。

4.6产品质量高

利用硫酸脲的生成反应热及硫酸脲的氨化反应热，可使造粒温度达到70℃，使粒子强度较传统造粒工艺要高，外观更圆润，如果外加管式反应器喷浆造粒使粒子强度更高。

5.0产品质量检测

5.1产品养分

通过化验硫酸脲氨化造粒产品养分均匀，符合国家标准。

5.2产品粒度

产品粒度均匀，以MOP型3*15为例，2-4mm 成品粒子可达到90﹪以上。

5.3产品的圆润度

产品圆润度可达85﹪-95﹪。

5.4产品的含水量

产品的水份含量较低（1％-1.5%）。

5.5产品中缩二脲的含量

本工艺较其他尿基复合肥生产工艺，最大的优势是产品的缩二脲含量非常低，产品中缩二脲含量均在0.5％以下，大部分产品在0.3％以下。

5.6产品的颗粒强度

产品的颗粒强度达20N以上。

6.0生产中常见的问题和应对措施

6.1斗提机堵塞

由于造粒回路的物料的吸湿点、软化点都较低，在高温高湿的环境，如造粒操作不当，如干燥系统不能将造粒机出料粒子充分干燥，物料易产生结块现象，最终导致斗提机结疤、输送能力下降，严重时斗提机堵塞。

措施：

（1）控制物料氨化度，防止物料酸性过强容易粘滞，严格控制干燥温度和风量，保证物料干燥水分合格，提高生产的连续稳

定性。

（2）高温高湿期间，缩短系统清理周期，防止斗提机过载。

6.2硫酸脲设备、管路腐蚀

由于硫酸脲腐蚀性较强，生产厂家设备管路材质选型不当等原因，设备管路腐蚀较严重。管路焊接处表现更为明显。

措施：

（1）根据硫酸脲的特性，选用更为合适的罐体、管线、泵的材质，如工程塑料、增强聚丙烯、碳化硅等。

（2）控制好硫酸脲配制罐的温度在规定范围内。

6.3硫酸脲流量计及调节系统

硫酸脲流量计采用电磁流量计，在试生产过程中可能受介质的电导率波动、管道安装形式的变化的影响，致使测量波动较大，调节困难。

措施：

选择质量流量计、转子流量计，最好采用计量泵计量。

7.0主要设备投资概算

该工艺只需在普通复混肥装置上增加硫酸储存、液氨储存、硫脲配制和必要的计量输送设备，增加投资不多。10万吨/年装置主要设备投资约282万元，如在原有装置上改造设备投资约90万元，如设备自动化程度要求不高，投资还可适当降低。

表3 10万吨/年装置主要设备投资总概算表

8.0结论

总的来说，经不断改进提升，硫酸脲氨化法工艺技术已经日趋成熟，与目前其他尿基肥生产工艺相比，具有生产成本低、产品质量高、工艺适应性强等诸多优点，如现有氨酸工艺设备，则改造量很小，工艺和操作变化不大，但在产品质量、产量和操作上都有明显的提高，是蒸汽团粒法、尿液喷浆法和氨酸法工艺的升级优选技术。随着我国化肥行业的发展，市场对产品质量的要求不断提高，硫酸脲氨化法尿基复合肥生产技术以其独特的工艺，优越的产品特性已经成为尿基肥发展的新方向。

参考文献：

[1]石学勇，王金铭等，尿基复合（混）肥造粒主要影响因素的分析（J）.磷

肥与复肥，2007，22（3）