建陶压力喷雾干燥塔技术基本原理与生产控制.docx
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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