建陶压力喷雾干燥塔技术基本原理与生产控制

陶瓷材料喷雾干燥塔技术基本原理与生产控制墙地砖生产过程包括三个重要的工序：制粉、成形与烧成。制粉是最重要也是非常关键的工序，制粉分两部分：原料的球磨和喷雾干燥。在球磨工序控制好泥浆的细度和水分后，喷雾干燥工序则决定了坯体粉料的质量，它直接影响后续工序的质量：粉料的成形性能、坯体均匀性、生坯强度等，进而影响瓷砖产品的性能。喷雾造粒制备的粉料，一般要求满足以下性能：（１）具有一定的水分（２）合理的颗粒度及颗粒级配（３）良好的流动性（４）一定的松装密度满足上述要求的前提下，充分发挥喷雾干燥塔的效率，达到节能减排的目的。本文根据文后所列文献，结合作者的生产实际经验，从喷雾干燥塔的结构开始，介绍喷雾干燥的工作原理，以及生产过程中的控制要点与缺陷克服措施等。２喷雾干燥塔的结构喷雾干燥塔的结构有很多种，陶瓷厂常用的喷雾干燥塔，它通常包括如下几部分：（１）料浆供应系统包括：浆池搅拌机、泥浆泵、料浆筛、输浆管道、流量计等。作用：向雾化器供应料浆。（２）雾化器雾化器是喷雾干燥塔最重要的部件。它的作用是将输入的料浆雾化成微细的液滴，以便干燥。雾化器种类有很多种：旋转式雾化器、喷嘴式雾化器、组合式雾化器。不同的雾化器可以适合不同的料浆类型，提供大小均匀的雾滴。（３）干燥塔它是整个工艺过程的主体设备，它的主要作用是容纳雾化后的料浆液滴与热风交汇，完成干燥过程。（４）热风系统包括：空气加热器（热风炉）、调温冷风机、分风器、热风管道等。它的作用是为喷雾干燥塔提供热风，作为干燥介质。分风器的作用是均匀分配热风，使热风以一定的角度下旋，使料浆均匀受热。如果分风器倾斜，将导致粉料干湿严重不均。（５）废气排放和除尘系统包括：除尘机、排风机、废气烟囱、脱硫机等。作用：回收废气中的粉料，并且对废气进行处理，使之达到国家规定的排放标准，保护环境。（６）卸料及粉料输送系统。３喷雾干燥的工艺过程喷雾干燥一般可以分为四个阶段：（１）泥浆雾化成雾滴（２）雾滴与空气接触（混合和流动）（３）雾滴干燥（水分蒸发）（４）干燥产品与空气分离其中最重要的是雾化与干燥，直接影响产品质量。３．１泥浆的雾化泥浆雾化即将泥浆分散为微细的雾滴。雾滴的平均直径约为１５０～３５０μｍ，按粉料的不同用途，确定雾滴大小。雾滴大小和均匀度对产品的质量影响很大，其中的雾化器是关键部件，将在后面专门讨论。雾化的雾滴很细小，它的比表面积大，与热空气接触时，极易发生传质和传热，使雾滴迅速汽化干燥。３．２雾滴与空气混合雾滴与热空气混合，取决于热空气入口和雾化器的相对位置，雾滴与热空气的接触方式分为：（１）并流式，分为向下并流、向上并流和水平并流；（２）逆流式；（３）混流式。其原理如图２所示。３．２．１并流运动热空气与雾滴在塔内以相同方向运动，最热空气先与含水最高的雾滴接触，水分迅速蒸发，空气温度迅速降低。整个过程，物料温度不高，因而对热敏性物料干燥有利。由于水份蒸发迅速，雾滴容易膨胀甚至破碎，所得粉料多为非球形的多孔颗粒，粉料容重低。３．２．２逆流运动热空气与雾滴的运动方向相反，如图２ｄ所示。由于热空气向上，雾滴向下，延缓了颗粒和雾滴的下降速度，在干燥室内停留时间长，有利于干燥。此方式只适用于非热敏性材料。３．２．３混流运动这种方式既有并流，又有逆流的运动，适合生产流动性好的粗粉，即陶瓷厂广泛使用的喷雾干燥塔类型。混流有两种情况：（１）喷嘴安装在干燥塔底部，热风从顶部进入。雾滴先作逆流运动，到达最高点后下降，作并流运动。（２）喷嘴安装在塔的中部，物料向上喷雾，与塔顶进入的高温空气接触，使水分迅速蒸发。这种方式热效率高。雾滴先逆流运动，干燥到一定程度后，又与已经大幅降温的热空气向下并流，干燥的物料和已经降低到出口温度的空气接触，避免了物料的过热变质。适用于热敏性原料，陶瓷企业就是使用这种干燥塔。３．３雾滴的干燥雾滴的干燥，与坯体的干燥原理相似，分为两个过程：恒速（第一阶段）和降速（第二阶段）。雾滴一遇到热空气，雾滴中的水即汽化进入到空气中。（１）恒速阶段：雾滴中有足够的水分，可以保持表面的湿润状态，蒸发恒速进行。（２）降速阶段：当雾滴水分不能保持表面的湿润状态，即到达临界点后，雾滴表面形成干壳。干壳的厚度随着时间而增加，蒸发速率也逐渐降低。（３）干燥时间。雾滴干燥所需的时间，决定了喷雾干燥塔的高度。对于固定的喷雾干燥塔，干燥时间还与产品的组成有关。要对不同的产品，进行不同的操作。例如，微粉砖坯体的底料、面料成分不同，制粉操作时应有所区别。（４）喷雾干燥过程４雾化器的种类和特点雾化器是喷雾干燥塔的核心，有以下三种类型：气流式雾化器、旋转式雾化器和压力式雾化器。目前陶瓷行业广泛使用的是压力式雾化器。４．１气流式雾化器用压缩空气以很高的速度（３００ｍ／ｓ或更高）从喷嘴喷出，利用气液二相的速度差产生的摩擦力，使液滴分裂为雾滴。雾滴大小取决于相对速度和料液的粘度。料雾的分散度取决于气体的喷射速度、料液的物理性质、雾化器的几何尺寸、气液量之比。陶瓷厂辊道窑的烧油喷嘴即是一种气流式雾化器。４．２旋转式雾化器料液从中心输入到高速旋转（圆周速度达９０～１４０ｍ／ｓ）的转轮或转盘，然后在轮或盘的表面加速流向边缘，在离开边缘时分散成由微细的雾滴组成的料雾。甩釉机就是一种旋转式雾化器。特点：可以通过控制轮的转速调节颗粒的大小。平均粒度与进料速度、料液粘度成正比，与转轮速度和转轮半径成反比。４．３压力式雾化器料浆用泵以较高压力沿切线槽进入旋流室，在旋流室内，料浆高速旋转，形成近似的自由涡流。在压力作用下，料液从小孔喷出，形成锥形料雾。由于压力式雾化器中，料浆的压力达到２ＭＰａ以上，很容量磨损喷嘴材料，尤其是喷嘴孔板，因此，喷嘴孔板一般采用硬质合金。４．３．１雾锥形状压力式喷嘴产生的料雾，有两种形状：实心雾锥和空心雾锥（如图４所示）。在生产中，应尽量形成实心雾锥。实心雾锥：干燥空气与雾锥全面接触，干燥均匀。并且，实心雾锥可以使雾滴在干燥塔中心位置到达行程的最高点。实心锥喷雾适合先逆流后并流的喷雾干燥系统，可以有效减少粘壁现象，其含有较大比例的大液滴。空心雾锥：颗粒偏小，产量低，容易形成粘壁料，严重影响喷雾干燥粉料的质量。空心锥喷雾特别适合并流喷雾干燥系统。空心雾锥与实心雾锥可以相互转换。旋流室中，当轴向液体速度分量增大，足以抵消旋转运动时，空气芯消失，空心锥喷雾变为实心锥喷雾。所以旋流室和旋流片的尺寸很重要，对此后面将专门讨论。４．３．２喷雾角喷雾角也称雾化角，是压力式喷嘴的重要参数。下面的一些因素会对雾化角产生影响。（１）压力对雾化角的影响压力增大，雾化角变小。（２）粘度对雾化角的影响粘度增大，雾化角缩小。粘度很大的液体，将变成一条射束，难以雾化。（３）雾化角与喷嘴流量的关系雾化角与喷嘴流量呈反比例关系，雾化角越大，喷嘴流量越小。（４）雾化角对粉料质量的影响雾化角过大，整个雾化面偏低，易粘塔壁，且不能有效利用塔顶部热空气均匀分布的优势。雾化角过小，雾化面增高，料浆可能射向塔顶，也会造成粘塔。两种情况都会产生较多的塔壁料，严重影响粉料质量。５雾滴粒径的影响因素雾滴粒径的大小，直接影响喷雾干燥粉料颗粒的大小和分布。雾滴粒度的大小，与雾化器的运行参数密切相关，此外还与泥浆的性能相关，如粘度等。生产中要根据产品种类的不同需要，确定喷雾干燥的各项参数。５．１运行参数对雾滴尺寸的影响（１）压力对雾滴粒度的影响压力增大，雾滴减小。雾滴粒度与压力的－０．３次方成比例。在很高压力下，压力的变化对雾滴粒度无明显影响。（２）粘度对粒度的影响粉料的粒度与泥浆粘度的０．１７～０．２次方成比例，提高料浆粘度，将产生粗颗粒的雾滴。当粘度很大时，不能用压力喷嘴雾化。生产过程中，适当控制和稳定泥浆的流动性，可以控制喷雾料的颗粒大小。例如，生产色斑耐磨砖，为增加着色效果，色粒要大，这就要调大色料浆的粘度，有需要时加ＣＭＣ。为了改善坯体成形时的排气效果，可以适当提高喷雾干燥粉料的粒径，也可通过提高泥浆的粘度来实现。（３）喷嘴孔径对雾滴粒径的影响在其他参数不变时，雾滴尺寸随喷嘴直径的平方而增加。这一因素影响非常大，生产中常用此法调节粒径，按照粉料的不同用途，配置不同的喷嘴口径。５．２雾滴的粒径分布压力喷嘴获得的粒径范围较宽，粒径分布决定于喷嘴尺寸、操作压力和料液条件。粒径的分布范围，要根据压机的成形要求来进行调节［１６］。６热风炉［１，１４］陶瓷厂使用的热风炉，根据燃料不同，主要有四种加热设备：（１）重油炉（２）水煤气炉（３）水煤浆炉（４）链排炉每种炉各有特点，张润禄［１４］的文章中详细介绍了各种燃煤热风炉。６．１重油炉生产过程中，对重油热风炉，主要控制以下几方面：（１）重油过筛，把渣子去除；（２）油温温度控制，温度过低，影响燃烧；（３）控制烧嘴结焦。抛光砖中的黑点，有很多就是由于重油结焦引起的。６．２水煤气炉（１）冷煤气正常使用，效果很好。（２）热煤气热煤气中的煤粉含量高，会影响抛光砖的质量，因而不主张使用，但对有釉产品的影响稍小一些。６．３水煤浆炉（１）水煤浆的要求水煤浆由７０％的煤、２９％的水和１％的添加剂组成。其煤质要求如下：热值大于６５００大卡；杂质含量小于１０％；挥发分大于３０％。水煤浆要求静止２４ｈ后只能有少量沉淀。使用水煤浆的优点是可以充分利用把酚水及煤焦油等污染物，减少环境污染。水煤浆旋风热风炉示意图见图５。（２）特点优点：操作简单、燃烧效率高。缺点：１）建造成本高；２）点火要烧油，备有燃油系统，结构复杂；３）水煤浆喷嘴易堵塞和磨损；４）炉膛易结焦，混入粉料中，影响产品质量；５）自身含有３０％水分，影响热效率。６．４链排炉链排炉全称为链条炉排热风炉，（１）优点１）直接燃烧原煤，结构简单、供热稳定、自动化程度高；２）可以把制水煤气的酚水、煤焦油一起加入烧掉，解决环保问题。（２）缺点１）燃烧效率较低，约７５％左右；２）如果灰分熔点低，则易结焦；３）煤粉易混入粉料中，影响产品的质量。经改进后的链排炉效果很好，能把抛光砖中的杂质控制在０．５％以下。广东某抛光砖厂使用改进后的链排炉，生产成本比水煤浆炉低很多，而杂质率在０．５％以下。７影响粉料质量的工艺参数７．１选择合适的雾化角，保证料浆充分雾化由前面的讨论可知，雾化角过大或过小都会产生粘壁料，影响粉料的流动性和成形性能。若雾化不均，有较大液滴存在，此液滴干燥相对较慢，在运动过程中会形成许多孪生颗粒；若颗粒较大，来不及干燥而导致粘壁的可能性显著增大。另外，粉料颗粒粗细不均匀，分布不合理等，均会影响粉料的流动性。生产中，雾化角还要与旋流室的高度合理配合。下面以蒸发量为２００ｋｇ／ｈ的喷雾干燥塔为例，探讨雾化角的合理调配。７．１．１雾化器喷嘴孔径与旋流室合理组合喷嘴片孔径与旋流室高度对雾化角的影响如图７所示（泵压为２ＭＰａ）。图中，斜直线代表喷嘴片孔径，曲线代表雾化角等值线。结论：旋流室高度减少、喷嘴片孔径增大，使雾化角增大。反之，雾化角减少。７．１．２雾化器与泵压的合理组合旋流室高度与泵压的关系如图８所示。图中的参数是在孔径１．０ｍｍ的条件下测定的。固定泵压１．８ＭＰａ，调节旋流室高度由８ｍｍ、５ｍｍ到３ｍｍ，同时，调节泵压由１．８ＭＰａ到２．０、２．２、２．４ＭＰａ，分别测量雾化角的变化。结果如图８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示。图中压力一定时，雾化角随旋流室高度的减小而增大，反之亦然；旋流室高度一定时，雾化角随压力的增大而增大，反之亦然。因此，为保证充分稳定雾化，必须：（１）泵压不能太低；（２）泵压要稳定；（３）防止泥浆搅拌过程中产生湍流或大量旋涡，否则会降低泥浆流动性，使泥浆不易雾化。７．２粒度分布的影响因素［５，８］王晓兰等人［５］系统研究了影响喷雾干燥各项参数对粒度分布的影响，他们的试验条件是：２５００型喷雾干燥塔、１７００ｔ自动压机。所用泥浆的基本参数如下：比重：１．４５～１．５５ｇ／ｍＬ含水率：３６．２％粘度：１８．５ｓ细度：万孔筛小于１％７．２．１泥浆含水率对粉料粒度分布的影响泥浆粘度为１８ｓ，喷雾压力１ＭＰａ，喷片孔径１．５～１．８ｍｍ，改变泥浆含水率，测得粉料的粒径分布如表１所示。从表１可见，在其