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中国喷雾干燥机的现状及发展趋势
来源:www.great-drying.com发表时间:2015-03-11

  同其它干燥设备相比,喷雾干燥装置存在着干燥容积强度较低(相对能耗较大;体积较大)操作要求较高等缺点。但它的优点有:
  ①单台处理量大(每小时可处理90m³左右的液体);
  ②物料受高温时间短,故可处理热敏性物料;
  ③产品的球形度好,且粒度可在一定范围内调节;
  ④过程简单,不需要在干燥后粉碎、筛选。
  喷雾干燥在溶液、悬浮液类物料的干燥时,往往处于首选位置,而且该技术发展很快。随着我国国民经济的高速发展,近20年来我国已有20余家能制造喷雾干燥装置的企业。但是,大多数规模不大,生产手段、检测能力不足,企业本身的科研开发能力较弱。略具规模的仅3~4家工厂,估计年产值约2亿~4亿元。目前已从根本上扭转单纯依靠进口的局面,而且已有少量出口,方向主要是东南亚各国及韩国。
  我国生产的喷雾干燥成套装置的规格和能力(按喷雾液量计),从5㎏/h到26000kg/h。最近已开发成功45~90t/h能力的大型离心式喷雾干燥机(该装置是国家电力总公司为配套125MW发电机组烟气脱硫所用)。已经可以满足国内各行业,多品种干燥产品的需要,大约可以覆盖400多种物料。中国喷雾干燥机的质量和综合性能,已接近丹麦NIRO公司水平。
  20世纪90年代晚期的水平主要差距表现在外观和配套(如风机等)的耐用性方面,由于价格差距较大,故具有明显的竞争力。
  一、喷雾干燥机在我国的发展概况
  ⑴离心式雾化器
  用电机驱动增速机带动调整旋转叶轮,借助于离心力将液体雾化至几十微米的液滴群。这就是旋转式喷雾干燥机的工作原理。这种机型的特点是:流通量大、不易堵塞、操作性能稳定、能耗较少、单台生产能力大、产品粒度均匀。因此,已成为喷雾干燥机中的主流机型。
   我国生产的旋转式喷雾干燥机,其转速从10000r/min至32000r/min,最大喷液量可达90m³/h。经过20年来的探索,目前已完全成熟。我国生产的旋转式喷雾干燥机组从设计阶段就考虑了中国的材料等特点,比NIRO公司生产同规格产品的外型略大,但运行更平稳、寿命更长。如国外某公司的F160机组,由于采用传统的行星齿轮传动,不可避免地要有一副快速转动的行星架,常常由于行星架上的行星轮安装精度不够而发生事故。中国产的RW10TE及RW45T型机组采用准行星齿轮传动,用无公转的行星轮传动,取消了行星架,从而使机构的可靠性大为增加。
  大型旋转式喷雾干燥机主要应用于火电厂烟气脱硫、造纸厂废液处理、垃圾焚烧及大型化工产品的干燥,如偏硅酸钠、白炭黑生产等。
  ⑵气流式雾化器
  借助于高速气流分散液滴的装置为气流雾化器,通常采用的气体的压缩空气。由于其加工较简单、处理量较大而不易堵塞,曾经在我国大量采用,但其能耗为旋转式雾化器呈平方关系增长,故一般不宜用在大型干燥机上。
  我国在20世纪80~90年代研究较深入,气流雾化器与国外产品相比在相同气流比下的最大可雾化粘度,已经达到国际先进水平。据报导,美国为100000MPa•s,日本为60000MPa•s,而我国也已超过100000MPa•s。
  气流式雾化器虽然其雾化能耗较大,而往往高含固物料的粘度较高。由于它能雾化高粘度物料,所以当含固率高,料液在喷雾干燥时的综合能耗还是合理的(较低的)。而选用旋转式雾化时,在高粘度时不能良好雾化而被迫添加水分,从而使热能和动力能耗均相应提高。
  我国制造的气流雾化器有二流体和三流体两种,规格有5kg/h到1500kg/h(处理量约10余种),气液比均可在0.5以下。
应用的典型物料有铵基类乳化炸药、岐化松香皂、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和微晶纤维等。
  ⑶压力雾化器
  使液体产生静压在通过小孔时产生高速射流,将液体雾化成液滴的装置为压力式雾化器。它的雾化能耗仅为旋转雾化器的一半,是最低的一种。但是,由于它必须经过小孔而对料液的含质过滤要求较高,以免在生产过程中经常堵塞孔眼。同时,与之配套的压力泵在大规格时也不多(一般在5m³/h以下),因此限制了它的使用。
  压力式雾化器在5MPa以上为高压式,可得到很细的雾群。一般用于食品工业,如牛乳、豆乳、大豆分离蛋白等生产。在5MPa以下为低压式可得到粒子较粗的雾群。为充分干燥节省干燥塔高度,通常采用喷泉式,即自下向上喷雾,典型的物料是氧化铝、铁氧体等特种陶瓷的干燥和造粒用。这些喷雾干燥机的产品质量已经完全可以同国外产品竞争。
  二、近年来喷雾干燥装置的进展
  随着国民经济的发展,人们对物质生活质量要求的提高,对许多产品不仅要求其干燥,而且对最终产品的色、香、味、复溶性能(冷溶或速溶),维生素活性保留率等提出更高的要求,对于有些贵重药品的总得率也十分苛刻。这些要求正是我国面对进入WTO以后,国际市场对我们的要求。以下概括我国在喷雾干燥领域,面对客观市场的要求所开发的新型装置。这些装置的共同特点是,不用单一的喷雾干燥机作为商品出售,而是以喷雾干燥机为核心,针对物料的特点,采用其它干燥装置或辅助设备组合式的干燥设备系统,使其最终产品满足用户的需求。
  ⑴组合式三级干燥装置
  喷雾干燥+内置式固定流化床+振动流化床的三级联合干燥装置。在喷雾干燥阶段用较高的进气温度,在形成颗料的同时,迅速脱去大部分表面水。在第二阶段用较低的温度、较长的时间脱去粉料内部的水分。既节约了喷雾段的容积,又可节省约20%能源。在第三阶段的振动流化床中可以喷入卵磷脂浆液使产品团聚后达到冷溶和速溶性。最后还导入除湿后的干冷空气使产品冷却包装。
  这种三级干燥联合装置在中国已用于牛乳、椰奶、香蕉粉、粉末油脂(棕榈油原料)、香茄汁等产品,并取得成功。规模在5000kg/h至1000kg/h不等。
  ⑵高含糖类物料的喷雾干燥装置
在许多食品和中药类物料中含有丰富的糖分。如乳糖、麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖等。如当归中含大量蔗糖,其“玻璃态转变温度”仅61℃,当吸水时其值还要低,而常规的喷雾干燥进风温度控制在70~100℃,使已经干燥的干粉粘结在干燥塔内,导致生产的困难。
  除了糖以外的低“玻璃态转变温度”物料,还有许多物料可以用同样的方法解决。如山梨醇、VBt、脲醛胶、聚醛酸乙烯胶等。我国已有几家企业生产出来夹套冷却、中间空气清扫,塔底用除湿空气冷却等专用设备。
  ⑶生物化学类喷雾干燥装置
这类物料大多数为药品,对装置的清洁要求高,在生产过程中要防止外界杂菌的侵入,产品较贵而对回收率要求十分苛刻。这类装置的共同点是热空气在加热前后,均需经过滤。产品的包装间要求隔离,干燥过程在正压下运行,最终达到国家规定的GMP(药品级)标准。
  目前我国已能提供生产的装置已用于肝素钠、青链霉素、蚓激酶、VB2及泛酸钙等。其排放尾气含尘量可低于20㎎/㎥,总收率可超过99.98%。
  ⑷环保类喷雾干燥装置
中国在“七五”期间曾投入巨大人力、物力进行火力发电厂的烟气脱硫工程的研究开发工作。一直延伸至“十五”期间,经过不懈的努力,试探了多种方法,迄今较为成熟的技术有两项。一项是石灰浆中和SO2的半干法;另一项是用氨水中和得到硫铵和硝铵的电子束法。
  这两项技术都要求将液体分散成雾滴,与气相中的Sox或NOx相接触而发生相关的反应。因此实际上都离不开喷雾干燥工程或装置。
  这类装置的特点是处理量大,如一台RW10T型高速离心式喷雾干燥机的能力为10~20㎥/h,只能配25MW小型发电机组。若以我国主力发电机组都在125MW以上计,则单台喷雾干燥机的能力要超过45㎥/h。这种越大型高速喷雾干燥机的研制,正由国家电力总公司组织进行,并由江苏林洲干燥机厂实施,设计单位是中国林科院林产化工研究所,目前已投入工业化应用。这种装置的规模全世界仅有丹麦NIRO公司生产,其次就是中国。
  与之相类似的装置是垃圾焚烧中的气体净化。针对气体中不同有害成分,喷洒相应的药液。我国处于起步阶段,在日本、美国,最近停用了数以千计的焚烧炉。其原因是塑料焚烧后产生二恶英、氰化物等毒物,用活性炭吸附后再埋入土中,会重新污染土壤,故我国在垃圾焚烧气体净化方法宜持慎重态度。
  造纸厂排放的黑液中COD、BOD值均很高,不能用一般的污水处理法解决,排放约占我国排放总量的30%,为主要污染源。而黑液中的木质素等组分经过加工却可以转化为益。将黑液经蒸发浓缩后成浓黑液,用喷雾干燥喷成干粉的装置已有近20家造纸厂使用。广州造纸厂其产品木质素磺酸钙为电、畅销产品,连续多年利润占全厂30%/以上。
  值得注意的是发达国家造纸原料多为木材,而我国大量使用草类原料(麦、芦苇、蔗渣等),后者的黑液成分比前者复杂得多。草浆比木浆灰分和糖分高。从而带来许多技术难题。(如糖分的低玻璃态温度带来的粘结问题),但我国目前均已逐个克服。从这个意义上看,我国在此领域中已超过国际水平。
  ⑸氧敏性物料的喷雾干燥装置
  有一些物质对氧极其敏感而发生变性,如β-胡萝卜素在有氧气下干燥时,会损失48%,有些物料用有机溶剂制备,在干燥时蒸发的湿分是溶剂,在干燥前后必须与氧隔离。有以下三种流程可供不同氧敏程度的要求选择。
  系统中充氮或CO2惰性气体,气体经干燥后被深冷,有机溶剂可以回收重复加热循环使用。这类装置要求风机和干燥设备制造精确严密,不能漏气方可正常运行。典型适用物料有纳米材料、Vc盐及部分特种陶瓷(超硬物质)。这类装置的中、小规模系统在我国已经成熟,并有部分出口。
  以燃烧洁净燃料(如天然气、丙烷等)为热源,在燃烧后自然消除了氧气。再用部分干燥后含湿的低温气体以及用少新鲜空气同时掺入干燥热气流以调节和控制干燥的进风温度,进行干燥。这种方法的热气流中含氧量约8%,对于某些氧敏物质是适宜的。其优点是运行成本低,节能约30%,设备制造及操作相对简单,典型物料是染料中间体H酸的喷雾干燥。
  用上述方法,将干燥后的尾气冷却、除湿,返回到高温气流中,即不添加鹇空气而使系统中的气体含氧量控制在2%以下,不需要补充惰性气体,同时可以回收溶剂。此法已成功地用于生产螺旋藻,以保证其中的β-胡萝卜素不被氧化。其它的氧敏物质如原花青素及其甙类衍生物也可以用此法生产。但我国处于起步阶段。
  三、喷雾干燥附属设备的进展
  ⑴回收系统
  喷雾干燥的最终目的是回收合格的产品。若主体设备再好,而出现低回收率、高耗能的回收系统,则用户是不能满意的。我国喷雾干燥系统中常规采用的三种方法回收细粉:
  ①旋风分离器——当平均粒径大于2μm时,回收率大于98%,而阻力可低于1500Pa的旋风分离器,在我国已有定型的系列产品,最大直径可达2.3m。上述指标已达到国家20世纪90年代末水平。
  ②袋滤器——由于冶金、化工、水泥等行业的需要,我国有一批正规的开发袋滤器队伍。近年来在布袋材质、脉冲方式等方面均取得了可喜成果,并已投入了大规模生产应用。有的企业产品,可以在1.5~2m/s风速下,保证效率达99.9%以上,排放深度大于5mg/㎥。可以认为我国的袋滤器水平已赶上国际水平。
  ③尾气洗涤器——用水清洗从旋风分离器出来含有少量粉尘的装置。循环用的洗涤水洗下粉尘后会逐步被浓缩,在造纸厂用稀黑液代替水,还可以充分利用热能。我国效率可达99.98%,排放气体含尘量低于20mg/㎥,阻力低于1000Pa。
  ⑵加热系统
  ①蒸汽加热器——大多数国产的蒸汽加热器的元件均已用铝翅钢管,并已经只可以在一台加热器充分利用蒸汽的过热段,高压饱和和段和高压水泄压闪蒸后的低压饱和段,得到的被加热空气温度与饱和气温差不大于10℃,显示了相当高的传热效率,称为三级蒸汽加热器,已经在大规模生产中应用。
  ②燃油热风炉——这种用燃烧轻柴油去间接加热空气的炉型,其总传热系数可达40kcal/h•㎡•℃,广泛用在各种喷雾干燥机上。因国内燃烧器性能不够完善,目前大多采用意大利的利雅牌,德国产的欧科或美国的MAXON,以提高整套喷雾干燥机的水平。
  ③燃油热风炉的另一种型号是用烧烧后烟气直接进入干燥系统。这两种炉型的共同点是用室温空气形成夹套,既可预热空气又防止了散热,充分利用热量。我国燃油热风炉已具备各种规格型号,完全可以配备各种规模的喷雾干燥机,技术已经成熟而进入商品化阶段。
  ④燃煤热风炉——由于我国是产煤大国,故在许多场合的用户愿意用煤作热源以降低生产成本。上海有两家专业化生产厂,可以在间接加热情况下得到600℃以上的高温热空气,这种产品亦已成熟。
  ⑶细粉回收系统
  一些干粉的粒径过细,在复溶时产生困难,会发生抱团而中干。在喷雾干燥塔尾气中分离出细粉用喷射泵重新打回干燥塔,使之与即将干燥的液滴团聚。这种流程所得到的产品粒径均匀并全是较粗的粒子,在食品工业中用得较多。
  在机电奖品中往往控制系统很大程度上影响到该产品的性能和档次,在喷雾干燥机中同样如此。目前在大型喷雾干燥的系统装置中,我国已能做到PLC控制,CRT及DCS控制。使整个系统控制做到集中、自动和智能化,尤其在出口设备的配套上更为如此。
  四、我国喷雾干燥机的行业管理及科技开发系统
  由于干燥行业为各行业所需。所以它的发展实际上是由许多行业所参与共同努力的结果。在制造质量、检验、管理等归口到能用机械行业,有专设的行业协会负责。在该行业协会的协调下,已制定有一系列的干燥设备行业标准。如于1998年7月公布实施的“离心式喷雾干燥机”行业标准,编号为JB/T8714-1998,收到了很好的规范产品质量的效果。
  我国有不少大专院校、科研单位长期与生产企业挂钩合作,理论与实践紧密结合,既推动了干燥事业的发展,又丰富了理论知识的。已有一批专门从事喷雾干燥的硕士生、博士生、专业开展喷雾干燥基础理论研究和新产品、新流程的开发工作,有力地支持和指导了各企业的发展。
  喷雾干燥的科研系统归口在中国化工学会,每两年有一次全国性学术交流会,并已与国际干燥学会挂钩,已于2002年9月下旬在北京召开世界第13届国际干燥技术研讨会。

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