造粒机进料装置的制作方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2015年3月12日提交的题为“造粒机进料装置(granulatorfeedapparatus)”的美国临时申请系列号62/132,109在美国法典第35篇第119条(e)项(title35,u.s.c.§119(e))下的权益，其全部公开内容通过引用明确地并入本文。

领域

本发明涉及用于造粒机，且特别是生产肥料产品的造粒机的装置与方法。

背景

硫硝酸铵(asn)，第一批合成肥料之一，已经持续使用了近100年，提供了重要的主要营养物质和次要营养物质——氮和硫。氮部分通过硝酸根离子来提供，这是合意的，因为其容易被许多植物吸收并促进早期生长。

示例性的asn肥料包括具有以下式的硝酸铵与硫酸铵的复盐：nh4so4·2(nh4no3)(称为2:1复盐)和nh4so4·3(nh4no3)(称为3:1复盐)，如公开在美国专利号6,689,181中，其通过引用以其全文并入本文。本文中所用的术语“复盐”表示由来自两种前体化合物的离子组成的化合物，其晶体结构不同于前体化合物的晶体结构。复盐中前体化合物的摩尔比是小整数的比例，例如1:2，而不是如固溶体中那样连续可变。由此，术语“硝酸铵的复盐”指的是硝酸铵与另一化合物如硫酸铵以形成在结晶学上可能不同于任一成分的新化合物的这样的方式的组合。额外的复盐组合物公开在美国专利8,075,660、8,721,760和8,814,977中，其公开内容通过引用以其全文并入本文。

硝酸铵与硫酸铵的复盐由嵌在另一成分的基质中的小的硫酸铵晶体组成。复盐应当与游离粒子的混合物相区分。硫酸铵晶体的本体与初始硫酸铵粒子具有大致相同的尺寸，但是在凝固时，大约5重量%沉淀为尺寸小于大约2微米的晶体。硫酸铵的晶体以均匀的方式分散在基质中。硫酸铵晶体在1:2复盐中的小尺寸和均匀分散显著增强了产品对抗爆炸危险的稳定性。‘181专利承认2:1复盐作为更稳定化合物的益处。该2:1复盐可用作肥料，具有降低的湿气敏感性，根据联邦法规法典(codeoffederalregulations)的第49篇，“运输”、第172部，“危险材料表”(2000年10月1日)不被认为是危险材料，并且根据联合国危险货物运输建议书，测试和标准手册(unitednationsrecommendationsonthetransportofdangerousgoods,manualoftestsandcriteria)，1995”、“第34部分，与5.1项的氧化性物质有关的分类程序、测试方法和标准”未被归类为氧化剂。在美国专利8,623,315中提供了制备2:1复盐的方法的额外实例，其也通过引用以其全文并入本文。

asn肥料通常通过硫酸铵(as)固体与硝酸铵(an)液体的造粒来制得。示例性造粒方法公开在美国专利申请公开号2013/0192323中，其通过引用以其全文并入本文。或者，asn肥料可以由任一组分肥料(硝酸铵和硫酸铵)或者由硫酸/硝酸与无水氨的反应产物以熔体浆料(meltslurry)形式加工。存在将熔体浆料转化成具有不同市场所需的物理性质的固体肥料粒子的几种替代方案。

喷淋造粒(prilling)是其中使用逆流冷却空气将液体熔体从高层结构的顶部缓慢流动的方法。表面张力将所述流分成个体液滴，该液滴在到达塔底之前凝固。喷淋造粒的示例性实例可以在美国专利号7,175,684中找到，其通过引用以其全文并入本文。

带式造粒(pastillation)类似于喷淋造粒，在于熔体转化成液滴，并随后凝固。但是，其在两个不同的方面有别于喷淋造粒。首先，并非依赖表面张力来定液滴尺寸，而是机械分配液滴，由此实现非常高的尺寸均匀性。其次，并非经由冷却空气来滴落液滴，而是将液滴施加到水冷金属带上。经由该带除去热，且凝固的粒子在带的末端从该带上落下。带式造粒的示例性实例可以在美国专利号7,985,393中找到，其通过引用以其全文并入本文。

在一种类型的造粒方法中，将熔体浆料喷射到移动的颗粒床上。该熔体浆料兼涂布和聚集床颗粒以增大尺寸。在一些实施方案中，将颗粒排放到干燥转鼓中(dryerdrum)，其(如果包括的话)向颗粒提供额外的滚动时间。将颗粒送至筛选操作，在那里回收产物级分(cut)，并将尺寸过小和尺寸过大的材料再循环回到造粒转鼓中。

概述

本公开的实施方案包括制造颗粒肥料产品的系统和方法。在一些实施方案中，该颗粒肥料产品包括具有式nh4so4·2(nh4no3)的硝酸铵和硫酸铵的复盐。

在一些实施方案中，本公开涉及制造颗粒肥料产品的方法。该方法包括提供熔体浆料、使惰性流体与该熔体浆料混合以形成混合物、在造粒转鼓的造粒床中喷射该混合物、并在造粒转鼓中凝固该熔体浆料以形成颗粒肥料产品。

在一个更特别的实施方案中，该熔体浆料包含硝酸铵与硫酸铵，并且其中该产品包括具有式nh4so4·2(nh4no3)的硝酸铵与硫酸铵的复盐。在甚至更特别的实施方案中，该产品的至少50重量%由nh4so4·2(nh4no3)复盐组成。在另一个更特别的实施方案中，该产品的小于大约7重量%由未反应和反应不足的硝酸铵和nh4so4·3(nh4no3)复盐组成。在又一个更特别的实施方案中，该熔体浆料包含大约0.9:1至大约1.1:1的硝酸铵对硫酸铵的摩尔比。在再一个更特别的实施方案中，该产品包含具有大约0.4重量%至大约2.0重量%水含量的颗粒。另一个更特别的实施方案，该造粒床保持在大约80℃至大约120℃的温度下。

在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，保留在+10泰勒筛网(tylermeshscreen)上的离开造粒转鼓的颗粒的重量分数为35重量%或更大。在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，离开造粒转鼓的颗粒具有8磅/颗粒或更大的压碎强度。

在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，惰性流体是挥发性流体，并且颗粒肥料产品不完全包括该挥发性流体。在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，该惰性流体选自：水蒸气、液体水、空气、氮气和氩气。在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，该惰性流体是水蒸气。在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，该惰性流体是液体水。在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，该惰性流体是压缩空气。在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，该惰性流体具有大约110℃或更低的常压沸点。

在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，基于熔体浆料的重量以大约0.01重量%至大约20重量%比例的量提供惰性流体。在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，基于熔体浆料的重量以大约0.01重量%至大约0.03重量%比例的量提供惰性流体。在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，基于熔体浆料的重量以大约4重量%至大约20重量%比例的量提供惰性流体。

在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，该方法进一步包括用至少一种仪器测量该熔体浆料的至少一种性质，其中所述混合步骤在所述测量步骤之后进行。在另一个甚至更特别的实施方案中，所述测量包括测量选自流量、压力和温度的至少一种性质。

在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，通过在造粒转鼓的导管中的注入位置处将惰性流体注入该熔体浆料来进行所述混合。在甚至更特别的实施方案中，该注入位置是该造粒转鼓的集管(header)或分配器。

在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，通过在进入该造粒转鼓之前在导管中的注入位置处将惰性流体注入该熔体浆料来进行所述混合。在任意上述实施方案的另一个更特别的实施方案中，该注入点位于导管与造粒转鼓之间的接头(coupling)附近。

通过参照结合附图的本发明的实施方案的以下描述，本发明的上述特征和其它特征以及其实现方式将变得更显而易见，并且本发明自身将更好地被理解。

附图简述

图1是示例性造粒方法的示意图。

图2是可用于图1的造粒方法的实施方案的造粒转鼓的截面图。

详述

尽管下文讨论的实施方案主要涉及固体asn材料，但是类似技术可以应用于其它造粒产品，包括但不限于硝酸铵、硫酸铵和尿素产品。此外，尽管下文讨论的实施方案主要涉及通过连续造粒过程制造的材料，但是类似技术可以应用于喷淋造粒或带式造粒过程。本文中所用的术语“凝固设备”涵盖了熔体浆料可在其中凝固的任何类型的设备，凝固设备的非限制性实例包括造粒设备、喷淋造粒设备和带式造粒设备。

图1提供了造粒系统10的说明性但非限制性实施方案的示意图。如所示那样，该造粒系统10包括造粒转鼓12。由进料准备容器14经泵16经导管22提供熔体浆料。在一个实施方案中，造粒系统10可以进一步包括干燥转鼓/冷却转鼓、筛分器和压碎机(未显示)中的一种或更多种。在一个实施方案中，该造粒系统构造成环路(loop)以便将不合规格(即尺寸过大和/或尺寸过小)的材料再循环回到造粒转鼓12，直到其达到目标规格。将理解，造粒配置可以包括多种不同的设备类型、配置、尺寸和运行参数。

在一些实施方案中，通过在少量水的存在下组合硝酸铵和硫酸铵的粒子并加热至足以熔融硝酸铵的温度并充分混合以分散固体硫酸铵来形成该熔体浆料。在一些实施方案中，该熔体浆料包含大约0.9:1至大约1.1:1的硝酸铵对硫酸铵的摩尔比。硝酸铵的粒度并不是关键的，但是在一些实施方案中，硝酸铵粒子的大约95重量%通过泰勒6号筛(3.36毫米孔)。就硫酸铵而言，粒子越小，硫酸铵与硝酸铵之间的反应越快，且其分散体的尺度将越微细。在一些实施方案中，硫酸铵的至少大约85重量%可通过泰勒48号筛(0.30毫米孔)。施以商业球磨的硫酸铵通常满足该标准而无需额外的筛选。在一些实施方案中，硫酸铵的大约99重量%可通过泰勒48号筛。在其它实施方案中，硫酸铵的大约99重量%可通过泰勒48号筛，并且大约50重量%可通过泰勒200号筛(0.074毫米孔)。

可以通过一种或更多种传感和控制仪器来监控导管22中熔体浆料的性质。示例性的仪器包括压力和/或温度仪器44，以及流量元件46。示例性流量元件包括科里奥利(coriolis)类型流量计。流量元件46可以操作性地连接到控制器48。控制器48操作性地连接到控制通过导管22的熔体浆料的流量的阀50。

在一个实施方案中，运行该造粒转鼓12以制造具有低至大约0.4重量%、低至大约0.5重量%、或低至大约0.6重量%和高至大约1.5重量%、高至大约1.75重量%、或高至大约2.0重量%的水含量的颗粒。在其它实施方案中，所得固体asn组合物具有在任意一对前述值之间限定的任意范围内的水含量，如大约0.4重量%至大约2.0重量%、大约0.5重量%至大约1.75重量%、或大约0.5重量%至大约1.5重量%。在一些实施方案中，颗粒床保持在低至大约80℃、低至大约85℃、低至大约90℃、或低至大约95℃和高至大约100℃、高至大约105℃、高至大约110℃、或高至大约120℃的温度下。在其它实施方案中，颗粒床保持在任意一对前述值之间限定的任意范围内的温度下，如大约80℃至大约120℃、大约85℃至大约110℃、或大约90℃至大约100℃。这些温度明显低于asn材料的熔融温度。在一些实施方案中，使用具有浸没在移动固体中的有源元件的温度传感探针来测定造粒床的温度。相比之下，常规造粒过程在140-160℃的床温度下运行，该温度更接近于asn材料的熔融温度，导致产生水含量通常在0.4重量%以下的颗粒。

在一个示例性实施方案中，保留在+10泰勒筛网上的离开造粒转鼓12的颗粒的重量分数低至35重量%、40重量%、50重量%，高至55重量%、60重量%、65重量%、70重量%或更大，或在任意两个前述值之间限定的任意范围内，如35重量%或更大、50重量%或更大、或40重量%至70重量%。

在一个示例性实施方案中，离开造粒转鼓12的颗粒具有低至5磅/颗粒、6磅/颗粒、7磅/颗粒，高至8磅/颗粒、10磅/颗粒、15磅/颗粒或更高的压碎强度，或其在任意两个前述值之间限定的任意范围内，如5磅/颗粒或更大、8磅/颗粒或更大、6磅/颗粒至15磅/颗粒、或8磅/颗粒至15磅/颗粒。

图2是沿着图1的线2-2获取的造粒转鼓12的横截面视图，其例示了造粒转鼓12的内部组件。在所示取向上，造粒转鼓12在箭头31所示方向上旋转。造粒转鼓12具有内表面32，并含有一些颗粒34。

造粒转鼓12包括一个或更多个熔体浆料喷嘴36，所述喷嘴36布置并构造成用来自入口导管26的新鲜熔体浆料喷射颗粒34。虽然在图2中示出了单个熔体浆料喷嘴36，但是将理解，在一些实施方案中可以使用多个喷嘴36。

除了熔体浆料喷嘴36之外，如所示，喷嘴排组(bank)38可以包括一个或更多个溶液喷嘴40，该溶液喷嘴40可以构造成将液体水或从其它工厂运行再循环或回收的肥料溶液喷射到颗粒34上(按需要)。在一些实施方案中，通过单独或与水或肥料溶液中的一种或更多种组合来添加氨，可以添加额外的氨来调节ph。在一些实施方案中，该排组38包括一个或更多个水蒸气注射喷嘴42，其可以构造成将水蒸气注射到造粒转鼓12中。为了解决凝固熔体浆料的冷却负荷，本发明的实施方案控制喷射/注射到颗粒床上的水、空气和水蒸气以控制水分含量，同时仍保持所得asn材料的合意的物理性质，包括压碎强度。在另一实施方案中，通过喷雾排组38或以任何其它可接受的方式将额外的氨添加到造粒转鼓12中。在一些实施方案中，添加额外的氨以便向着产物ph上调该ph，使得从造粒床中排出时刻的ph基本上与正常产品的ph相同。如实施例中进一步阐述的那样，氨提高了固体asn材料的ph，这可以促进硫硝酸铵3:1复盐向硫硝酸铵2:1复盐的更快速和更完全的转化。

再次参照图1，在一个示例性实施方案中，空气源54经由空气入口56以所需流量提供温度和/或湿度受控的空气，以便选择性改变空气流穿过造粒床的速率。空气经由排气口28从造粒转鼓12中排出。出口30从造粒转鼓12输送产品。在一些示例性实施方案中，造粒转鼓12可以进一步包括用于产品再循环的入口58，和在造粒转鼓12内部的滚动晶种床(rollingseedbed)。

在一些实施方案中，产品的小于大约7重量%由未反应和反应不足的硝酸铵或1:3复盐物类组成。在一些实施方案中，产品的小于大约5重量%或甚至小于大约3重量%由未反应和反应不足的硝酸铵或1:3复盐物类组成。在一个实施方案中，控制水含量以使所得固体asn组合物具有低至大约0.4重量%、低至大约0.5重量%、或低至0.6重量%和高至大约1.5重量%、高至大约1.75重量%、或高至大约2.0重量%的水含量。在其它实施方案中，所得固体asn组合物具有在任意一对前述值之间限定的任意范围内的水含量，诸如，如大约0.4重量%至大约2.0重量%、大约0.5重量%至大约1.75重量%、或大约0.5重量%至大约1.5重量%。通过控制水含量在这些范围内，最大化asn2:1复盐转化率，同时仍保持所得材料的结构完整性(例如压碎强度)。本文中所用的水含量是指经由常规重量分析测定的固体asn材料的样品的平均水含量，其在所示生产的过程中或在生产后不久测得。

如图1中所示，由流体源18提供惰性流体。该惰性流体示例性地在注入点20a或注入点20b处添加到熔体浆料中。注入点20a示例性地是造粒机转鼓12的入口导管的集管24或分配器的一部分。注入点20b示例性地是位于集管24或分配器上游的导管22的一部分。在一个示例性实施方案中，注入点20a是进入集管24中的开放贯穿与切断阀。在一个示例性实施方案中，注入点20b是进入导管22中的开放贯穿与切断阀。在一些示例性实施方案中，注入点20可以进一步包含一个或更多个用于促进熔体浆料与惰性流体之间的额外混合的挡板(未显示)。阀52示例性地位于流体源18和注入点20之间以控制惰性流体流入注入点20。

如图1中所示，注入点20a和20b示例性地位于传感与控制仪器，如压力和/或温度仪器44以及流量元件46的下游。在一些实施方案中，在传感和控制仪器上游将惰性流体注入导管22可能破坏测量能力和/或对一种或更多种仪器造成物理伤害。

本文中所用的术语惰性流体指的是对导管22中的主要熔体流体为化学惰性的次要介质，当其从造粒机12中的多个熔体浆料的喷嘴36中被共同排出时，主要改变物理喷雾特性。在一个实施方案中，惰性流体不完全混入最终的造粒产品中，并且可以合理地预期，通过在主要熔体进料凝固时保持为汽态，或者通过在颗粒床温度条件下蒸发至相同的平衡条件，而与造粒产品分离。在一些示例性实施方案中，惰性流体是具有大约110℃或更低的常压沸点的挥发性流体。不希望固守任何理论，据信，包含挥发性流体产生混合相液滴悬浮体，这提高了熔体浆料离开喷嘴36时的相对速度。在一个示例性实施方案中，惰性流体选自水蒸气、液体水、压缩空气和惰性气体，如氮气和氩气。

在一个示例性实施方案中，惰性流体是水蒸气。不希望固守任何特定的理论，在相对低的水平下，据信水蒸气将最小程度地与熔体竞争喷嘴36内的可用流动面积，不产生明显的效果。在中等水平下，水蒸气将提高在导管26中观察到的压力，并提高两种流体离开喷嘴36的速度，产生不具有冷却效果的喷雾模式的提高的扩散。在相对高的水平下，水蒸气将提高在导管26中观察到的压力，并提高两种流体离开喷嘴36的速度，产生不具有冷却效果的不稳定的扩散模式，并且潜在地阻止经由阀50对熔体流动的所需控制。

在一个示例性实施方案中，惰性流体是液体水。不希望固守任何特定的理论，在相对低的水平下，据信在相对低的水平下，液体水将基本上汽化成水蒸气，提高导管26中观察到的压力并降低导管26中观察到的温度，并提高两种流体离开喷嘴36的速度，产生具有冷却效果的喷雾模式的提高的扩散。在中等水平下，液体水将部分汽化成水蒸气，提高在导管26中观察到的压力并降低导管26中观察到的温度，并提高两种流体离开喷嘴36的速度，产生具有冷却效果的喷雾模式的提高的扩散。在相对高的水平下，液体水将部分汽化成水蒸气，提高在导管26中观察到的压力并降低在导管26中观察到的温度，同时显著稀释熔体进料。随着粘度的降低表现出两种流体离开喷嘴36的提高的速度，产生具有显著的冷却效果的喷雾模式的提高的扩散。在其中该惰性流体是液体水的一个示例性实施方案中，相对低水平的惰性流体基于熔体浆料重量在大约4重量%以下，中等水平的惰性流体基于熔体浆料重量为大约4重量%至大约15重量%，而相对高水平的惰性流体基于熔体浆料重量为大于大约4重量%。

在一个示例性实施方案中，惰性流体是压缩气体，如压缩空气、压缩氮气或压缩氩气。不希望固守任何特定的理论，在相对低的水平下，据信在相对低的水平下，压缩气体将最小程度地与熔体竞争喷嘴36内的可用流动面积，不产生明显的效果。在中等水平下，压缩气体将提高在导管26中观察到的压力，并提高两种流体离开喷嘴36的速度，产生具有冷却效果的喷雾模式的提高的扩散。在相对高的水平下，压缩气体将提高在导管26中观察到的压力，并提高两种流体离开喷嘴36的速度，产生具有显著的冷却效果的不稳定的扩散模式，并且潜在地阻止经由阀50对熔体流动的所需控制。

在一些示例性实施方案中，基于熔体浆料的重量，惰性流体的量低至0.01重量%、0.02重量%、0.03重量%，高至4重量%、6重量%、13重量%、15重量%、20重量%，或在任意两个前述值之间限定的任意范围内，如0.01重量%至20重量%、0.01重量%至0.03重量%、0.02重量%至13重量%、0.03重量%至4重量%、4重量%至15重量%、4重量%至13重量%、或4重量%至20重量%。

本文中所用的术语添加剂是指熔体浆料或最终产品的化学改性剂。通常为非挥发性且完全混入最终产品的添加剂不包括在惰性流体的组中。示例性的添加剂包括造粒助剂，如硫酸铝、钙或镁化合物、硫酸铁、锌盐或许多专用添加剂共混物，包括但不限于粘合剂、硬化和铺展剂。明确添加用于控制产品ph或储存性质的流体也不包括在惰性流体的组中。

在一个示例性实施方案中，与类似的向造粒转鼓12中注入熔体浆料和经由单独入口单独注入惰性流体相比，向导管22和/或入口导管26的集管24中注入惰性流体提供了协同性结果。

实施例

在一个示例性实施方案中，与类似的向造粒转鼓12中注入熔体浆料和经由单独入口40单独注入液体水相比，向入口导管26的集管24中注入液体水提供了协同性结果。在该实施例中，主要熔体进料是大约180℃下的等摩尔的硫硝酸铵浆料，其用大约4-5重量%的大气压下的水预先饱和。向集管24中注入次要流体液体水保持在主要熔体进料的4重量%-15重量%范围内。

在不注入次要流体液体水的情况下，离开造粒转鼓12的颗粒通常尺寸过小，且造粒转鼓12不能实现粒度级的持续稳态，使得关闭该装置成为必需。保留在+10泰勒筛网上的离开造粒转鼓12的颗粒的重量分数小于大约30%。此外，所得颗粒的压碎强度通常小于大约5磅/颗粒。

相比之下，在注入4-15重量%的次要流体的情况下，造粒转鼓12成功地在连续的基础上以稳态运行，并且保留在+10泰勒筛网上的颗粒的重量分数大于大约60%。此外，所得颗粒的压碎强度通常大于8磅/颗粒至高达15磅/颗粒。

不希望固守任何特定的理论，据信注入的水履行了三个独立的功能以改变喷雾行为：首先，小部分的注入的次要流体(<1%)汽化成水蒸气，提供了所需的熔体喷雾模式的提高。其次，注入的水在不提高进料准备压力的情况下无法实现的程度上与熔体暂时结合。第三，注入的水提供了高水平的靶向蒸发冷却，这改善了颗粒床温度控制，并消除了局部热点。这种协同作用导致观察到未成功并入更大的2-3.5毫米的目标尺寸颗粒的尺寸过小的微细颗粒(<0.5毫米)的减少。在两种情况下，当经由喷嘴40或入口20以4-13重量%的目标范围注入液体水时，离开造粒机设备的产品颗粒表现出小于大约2.0重量%，且更优选小于大约1.5重量%的水分水平，其小于主要进料组合物的水分水平(4-5重量%)，表明在该过程中没有额外的水并入颗粒中。

虽然已经相对于示例性设计描述了本发明，但本发明可以在本公开的精神和范围内进一步修改。此外，本申请旨在覆盖在本发明所属的领域中已知或常规实践范围内的本公开的此类偏离。