CN1020860C - 粉料快速流态化干燥热解制粒的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种含湿颗粒物料，特别是受热时易于粘结的物料的干燥脱湿、热解脱湿，直接制取粉状或粒状产品的工艺和设备，其特征在于以常压热空气或烟道气作供热和脱湿介质，通过气体分布斗(5)给入，湿物料通过加料器(19)从一段予脱湿流化床(12)上部加入，在低于发生粘结的温度条件下脱除大部湿份，然后通过溢流式料封输送料腿(13)再转入二段脱湿的快速循环流化床(7)，在适合最终脱湿要求的温度条件下进行终脱湿，实现气固逆流接触连续操作。快速循环流化床包括其下端的超低压降气体分布板(6)，上部出口处的向下弯头式惯性气固分离器和固体物料循环管(9)以及料循环机构，并与快速流化床(7)联通。

Description

本发明属于化工过程单元操作工艺和设备，具体属于快速循环流态化干燥、热解或制料的工艺和单元操作技术，适用于颗粒物料的干燥脱水、热分解制取产品或制粒，特别是对于粘性粉料或热解中易产生粘稠液相中间产物的颗粒物料如硼酸、硼砂、氯镁石等以及煤的热解干馏、干燥脱水或制粒工艺过程尤为适用。

颗粒物料（原料或产品）的干燥、热解脱水是工业部门广泛采用的单元操作技术，同时又是许多化合物如硼酸、硼砂、氯镁石等进行热解制取无水产品的重要工艺手段。为了包装、运输和使用的方便，粉料造粒往往又是必不可少的。干燥和热解脱水是传热、传质同时进行的物理和化学过程。工艺效果的优劣和产品质量的好坏，除与颗粒物料的物理性能（如粒度、表面形状、湿含量、干燥速率等）和化学性能（如分解温度、相变情况、热敏性等）有关之外，还受到影响传热、传质速率诸因素如气速、气固接触状态等的制约。这些是选择合适工艺参数和设备形式的主要依据。另外，加粘结剂造粒已属常见，利用热解中生成粘性物作粘结剂造粒则是一种新的工艺构思，正确选择热解脱水工艺条件和设备又是其成败的关键。

现已开发应用的颗粒物料干燥、热解脱水的工艺设备有回转筒干燥、鼓泡流态化（单段和多段）干燥和气流式干燥等。回转干燥筒占地面积大，气固接触不理想，有一定温度分布，固而产品质量不均匀，热效率低，难以适应热敏性物料的干燥。鼓泡流态化干燥，床 层温度均匀，适应热敏性物料干燥，强化了气固接触和传递，且可组成多段逆流操作以提高热效率;然而操作气速有限，加之分布板的不稳定性，容易出现局部死区，在处理粘性或热解中易生成液相中间产物时，常会因操作参数波动导致“失流”，使操作难以维持;热气流以气泡形式通过床层，气固接触不佳，热能利用不充分。另外，分布板压降较高，增加动能消耗。对于气流式干燥，尽管气固接触良好、传递迅速、但床层固体浓度低，设备体积利用效率差，颗粒停留时间短，难以适应缓慢脱水过程的颗粒物料的干燥。在实际应用中遇到最令人沮丧的问题是，当物料喷入热气流中时，或因自身的粘结，或因出现复盐而结疤粘壁，堵塞干燥器，使操作中断。

就制粒而言，除机械挤压造粒，圆盘制粒外，还有喷雾造粒和锥形流化床造粒等;机械法造粒，一般为较粗的大粒，而喷雾造粒不宜用于脱水缓慢的粘性物料，而且设备庞大;锥形流化床造粒对于粘性或热解中生成粘稠液相中间物而易粘结的物料，往往因粘结而难以实现。

在一些无机化合物热解过程中，由于出现粘稠液相中间产物或过热熔结，所发生的粘结或熔结将更为多见和严重。如硼酸热分解制硼酸酐，水氯镁石热解制镁氧，五水或十水硼砂热解制无水硼砂等均有液相中间物的生成，直接沿用前述的常规工艺设备将是十分困难，甚至难以实现的。以硼酸热分解而论，由于常压热解过程中会出现粘稠液相产物偏硼酸，往往只能得到的玻璃体的硼酸酐，而且需要较长的脱水时间。由于这个原因，传统的硼酸热解工艺多采 用高温（感应炉或反射炉）熔融脱水法，因温度高（800-1000℃）能耗大，硼的挥发性损失大，产品为熔融玻璃体拉丝，然后再回切成丝段颗粒，只能间歇生产。另外也可采用真空脱水法以防止液相中间产物生成，可得到粉末状的产品，但为多段间歇操作，流程长、费时多，效率低，投资亦高。苏联学者берлин曾先后提出过热气流法硼砂多段鼓泡流化床脱水制无水硼砂（авм.свид.219582，1964）和硼酸三段回转筒干燥脱水制粉末状硼酸酐（авм.свид.199120，1966）的工艺。在这些工艺中，前节所论及的不足不可避免地依然存在，亦被我们的实验所证实。就制粒而言，如果正确地选择工艺条件和设备，控制粘稠物的生成速率，不仅可以克服熔结，而且可以使细粒硼酸团聚成较为均匀的B₂O₃颗粒，达到造粒的目的。

本发明针对现有工艺设备实际操作中存在的问题，特别是因粘性或粘性液相中间产物而易粘结沾壁的难题，根据物料干燥和热解过程所发生物理化学变化的特点，从工艺和设备两个方面作出对策，提出了复合两段流化床干燥和热解脱水新工艺。

采用常压热空气或烟道气作为干燥和热解的供热脱水介质，用复合两段流化床气固逆流接触工艺以代替高温熔融法和高真空法脱水工艺，直接制取粉末状产品如硼酸酐等。为此，首先在发生粘稠液相的温度之前，将大部分水份脱除，以减少在高脱水率温度条件下液相的生成量;为保证脱水完全和迅速，空气相对湿度和空气用量应使在终脱水段的操作条件下，气相水蒸汽分压小于相应的偏硼酸 的水蒸汽平衡分压，并利用快速循环流化床气固接触好，传递速率快及防粘结的性能和合理选择操作参数，以获得粉状散料。当用于造粒时，主要选择合适的温度，使其尽快热解产生足够粘性液相中间物，让颗粒相互粘结，同时一旦粘结后可迅速脱水，使之粒子不致于过大，而且提高粘结强度。对于这种情况，予脱水并不必要，空气湿度及用量也没有严格限制。当用于一般含湿物料干燥时，可直接用烟道气作为干燥脱水介质，具体工艺参数可按常规干燥过程加以确定。

采用新型的复合流化床脱水设备，以提高效率，降低能耗、防止熔结或粘结或利用粘结来制粒。该装置为一段直筒式鼓泡流化床，或者锥形流化床，或者床内安装有搅拌浆的搅拌流化床的予脱水和一段快速循环流化床终脱水串联式结构，或者仅用一段快速循环流化床热解制粒。这两个流化床可以是同轴串联的两层式结构，亦可以是两个单体组成的两段串联式结构。在这两段或两层流化床之间安排有气固分离室，以防止固体物料逆流返回至上一层，同时通过溢流式料封输送料腿将构成上下两层流化床的固体通道，使经过予脱水的物料连续地自上层流化床转移至下层终脱水快速循环流化床。例如，对于硼酸热解脱水过程而言，在130-150℃温度范围里，硼酸分解通常不会出现粘稠液相中间产物偏硼酸，因而不会发生粘结而威胁正常的连续稳定操作。在170-200℃的温度范围内，硼酸热解会有大量的粘稠偏硼酸液相出现，极易发生粘壁和颗粒之间的熔结而无法进行连续操作。为突破这一难关，先经130-150℃的予脱 水，其脱水程度以予脱水产品中B₂O₃含量控制在57-85%为宜。予脱水的作用在于利用终脱水段热气流使硼酸中分解水得到大部脱除，以减少终脱水段中的液相生成量，同时可以回收部分热气流的热量，节省能耗。予脱水流化床的温度可通过调节旁路冷空气与热气流的流量比来加以控制，以防物料与热气流间的温差过大而发生意外。经过予脱水的硼酸在更高的温度（～220℃）下热解仍会存在因液相中间产物出现发生粘结的危险，这将通过快速循环流化床操作来加以消除。

采用快速循环流化床操作进行终分解脱水。快速循环流化床是由一个快速流化床和一个与之并列的循环管连通一体而组成，快速流化床的底部装有分布板或超低压降分布板，上端出口为伸入到气固分离室中的向下喷头;气固分离室为偏倒锥体;固体物料循环管的上端与气固分离室的偏倒锥体底部孔口相接，下端安装有气体分布板，并通过该分布板上一定距离处的侧壁孔口与快速流化床相通，构成物料循环回路。颗粒物料在此回路中大量反复循环热解脱水。快速循环流化床防粘结作用是通过工艺和操作的措施来实现的，一方面先予脱水以降低气相水蒸汽分压，有利于终脱水，同时减少了高温下的液相生成量;另一方面，当予脱水硼酸进入快速循环流化床后，立即分散在含水极低的循环物料之中而被彼此隔离，不致于相互粘结;同时快速循环流化床中气固混合物处于高速运动之中，强烈的冲刷和磨蚀将大大减少粘壁的可能性。这是快速循环流化床在处理粘性物料时所具有的特殊的优势。快速循环流化床较之传统 的工艺设备的优点是，气固流动状态较均匀，没有象鼓泡流化床中定形气泡存在，属无气泡气固接触，接触效率高，减少热气流短路，有利于热能的充分利用;气固间相对速度高，强化了气固间的热量和质量的传递，有利于热解脱水过程的进行;物料大量循环，整个床层温度均匀一致，不会出现局部过热而造成粘结和损坏产品质量，适合热敏性物料的加工;快速循环流化床中物料停留时间可根据工艺要求随意调节，既适合快速热解脱水过程，又可适合缓慢脱水过程，对物料加工的适应性大;快速流化床操作气速大，同时又能维持较高的固体浓度，因而设备的生产强度大，体积利用率高。当用作制粒时，由于快速流化床的传热、传质迅速，一方面可尽快产生热解粘性中间物，成为成粒的核心，同时又会因继续脱水而粘结牢固;另一方面，物料高速运动，不致于成粒过大或结块。

快速循环流化床的分布板可用常规的结构设计，亦可采用超低压降分布板结构设计，其开孔率为5-20%，这样可使分布板的不可逆动能损失减少50%以上，节省空气鼓风动能消耗，降低对风机压力的过严要求。

超低压降分布板为防漏料的风帽结构，或直孔式筛板。直孔式筛板结构简单，制造容易，但在开、停炉时容易漏料，一旦物料漏入布风斗后，遇到高温热气流，容易熔结而堵塞管道和分布板孔眼，若在操作上采取措施也是可以避免的。

为了保证物料在快速循环流化床循环回路中迅速而不停地循环，以防止物料粘壁而造成破坏操作的后果，快速流化床与循环管下端 的连通方式以“V”型或“L”型气动伐结构为宜。

两层流化床之间设置有重力沉降式气固分离室，或在气固分离室内添加旋流板分离器，构成重力一惯性力联合作用的气固分离装置，以提高分离效果。当采用两个单体组成的两段式串联结构，则在两段之间采用旋风分离器进行气固分离。它们的作用在于保证快速循环流化床能以足够大的固体循环量进行正常运行，亦可防止固体物料随气速向上逆流返回予脱水流化床。

两层流化床连续逆流操作是通过溢流式料封输送料腿来实现的。溢流式料腿高度是由压力平衡决定的，即料腿中料层高度所造成的压降应大于予脱水流化床分布板压降与其料层压降之和，这样使物料自上层流化床溢流至下层快速循环流化床，而气体又不经此溢流管而短路。溢流式物料封料腿下端结构可用自动压力平衡式“V”型伐或“L”型气动伐，亦可采用星形伐或螺旋输料机等机械装置以控制下料率。

由于物料初始脱水阶段较迅速，予脱水流化不必用快速流化床，而可以采用直筒鼓泡流化床，或锥型流化床，或搅拌流化床。当物料细而含湿量较高时，其分布板设计要求应从严掌握;当用锥型流化床时，其锥角小于15℃，虽制造上难度大些，但可适用料度分布较宽的物料使之良好流化;当用搅拌流化床时，搅拌浆转速以每分钟8-16转为好，对保证均匀流化有较好效果。

粉料快速循环流化床干燥和热解脱水工艺流程及设备示意图如图1所示。其中，1-鼓风机或空压机;2-气体流量计;3-空气干 燥器;4-空气予热器或燃烧室;5-气体分布斗;6-快速流化床分布板;7-快速流化床;8-气固分离室;9-固体物料循环管;10-排料管;11-予脱湿流化床分布板;12-予脱湿流化床;13-溢流式料封输送料腿;14-旋风分离器;15-布袋收尘器;16-废气放空管;17-返尘料腿;18-加料斗;19-加料器;20-计量式螺旋排料机;21-产品受料桶;22-旁路冷空气管;23-循环管气体分布板;24-旋流板。水氯镁石等热解工艺流程如图2，其中25-旋风分离器。

现结合图1，且以硼酸干燥热解脱水为例，进一步说明本发明。工业级或分析级硼酸自加料斗（18）经螺旋加料机或气动脉冲加料器（19）计量后，按规定料率加入予脱湿流化床（12），进行予脱水;脱水程度控制予脱水产品中B₂O₃含量在75-85%范围内，然后经溢流式料封输送料腿（13）转移至快速循环流化床（7）进行终脱水，当产品中B₂O₃＞99%时，经螺旋排料机（20）排出至受料桶（21）待包装。脱水过程的干燥介质为空气，由鼓风机或空压机（1）提供，经气体流量计（2）计量后，一部分空气送入空气干燥器（3）（当气候干燥，空气湿度不大时可省去）进行脱水，然后通入空气予热器（4）予热至230-260℃送至快速流化床（7）底部的气体分布斗（5），经快速流化床气体分布板（6）进入终脱水的快速循环流化床（7）。硼酸被加热分解，放出的水份传给气相而被带走。气固混合物经快速流化床出口进入气固分离室（8），被分离的固体颗粒进入循环管进行循环脱水。离开快速流化床的废热气与由旁路冷空气管（22）给入的另一部分冷空气混合调温后 经予脱湿流化床分布板（11）进入予脱湿流化床（12）使床温维持在130-150℃进行予脱水。离开予脱湿流化床的废气经旋风分离器（14）和布袋收尘器（15）除去夹带的细粒硼酸后通过废气放空管（16）放空;收回的细粒硼酸经返尘料腿（17）返回予脱湿流化床（12）中继续进行脱水。本工艺消除了硼酸热分解时出现粘稠液相偏硼酸而熔结的危险，获得粉末或细粒产品，实现连续化操作。

本发明还可用于五水或十水硼砂的脱水，以生产粉末状的无水硼砂。用类似硼酸脱水操作方法，先将硼酸在温度为180-250℃的予脱水流化床中予脱水后，然后进入温度为300-450℃的快速循环流化床中进行终脱水，经20-60分钟后可得无水硼砂。脱水温度较低时，所得产品的密度较轻，温度较高时，其密度较重。

本发明还可用于一般含湿颗粒物料或浆料的干燥脱水，它可以予热空气或用烟道气作脱水介质，具体工艺参数可根据颗粒物料的物理特性，脱水速率和产品所需达到的脱水程度而加以确定。干燥脱水装置可用本工艺的两段逆流流化床，亦可省去予脱水流化床，简化为一段快速循环流化床，空气经予热器或经燃烧油烧嘴在燃烧室燃烧加热，并配一冷空气调节出口温度，然后进入快速循环流化床，湿物料喷入或用加料机推入快速循环流化床进行反复脱水，当达到所要求的脱水程度后，从排料机排出。

本发明还可用于水氯镁石的热解制镁氧（MgO）。对于这一过程，本发明的工艺中，予脱水流化床改为两级旋风予热予脱水，以减少阻力损失和回收更多热能，空气予热器（4）改为燃烧室或将燃油烧嘴 直接安装在快速循环流化床下部近分布板处，在床内直接燃烧，流程图如图2，使快速循环流化床的温度维持在700-750℃，可得含MgO＞99%的粉末状产品。原料可从旋风分离器（25）进气口加入，经两级旋风分离器（14）、（25）予脱水和热回收，温度分别控制在350-450℃和180-250℃之间，以提高热利用率。该过程中烟气中有一定量的HCl，因而烟气需经回收HCl，然后中和排放，以消除污染。

本发明关于粉料制粒的例子可用耐高温防护涂层材料的制备加以说明。耐高温防护涂层材料是用数种粉料按一定配比制备而成，将它喷涂在高温电炉电极等装置上形成保护层。这数种粉料中有一种或二种在热解过程中可生成液相中间产物作为复合包裹制粒的粘结剂。将这种可热解生产液相中间产物的粉料加入到一段快速循环流化床进行热解，同时不断将其它几种涂层粉料按一定配比混匀后喷入快速流化床中，或者根据它们的物料特性情况，予先按一定比例混匀后一起加入快速流化床中进行热解并制粒。操作气速为1.5-3.0米/秒，经过20-40分钟可以得到粒径为1毫米或更小的复合包裹耐高温涂层颗粒。

根据本发明的工艺和设备的技术方案设计了一套中试装置，并进行了有关试验。试验所用硼酸为北京某化工厂生产的工业硼酸，其中硼酸含量为99.5%，杂质含量0.5%，平均颗粒直径为162微米。试验中予脱水温度为140℃左右，终脱水温度为210℃左右。硼酸以4公斤/时的流率加入，空气以总流率为35米³/时鼓入，经予热至230-260℃依次进入终脱水快速循环流化床和予脱水流化床，可获得 B₂O₃含量＞99%的粉末状的产品。在一段快速循环流化床中，按一定配比的耐高温涂层粉料混匀后经350-450℃下热解30分钟制粒，可获得小于1毫米的复合包裹的颗粒。试验结果表明，本发明的工艺和设备的技术方案是可行的，有效的。它不仅为一般颗粒物料的干燥、热解脱水或制粒提供了新的技术路线，而且为粘性或热解过程中生成液相中间产物而易于粘结的颗粒物料的干燥、热解脱水或制粒过程开辟了新途径，使生产实际中长期存在的技术难关得到完满的解决。本发明的特点是：

（1）采用常压、热气流两段逆流气固接触，提高了脱湿推动力，加速了质量传递过程;快速予脱水与慢速终脱水分段进行，使过程得以优化，可充分发挥反应器效率。

（2）合理利用硼酸脱水过程的特点，即低温（小于150℃）下快速脱水且不粘结，升温（～210℃）高脱水率下的慢速终脱水，液相中间产物可大大减少以防止粘结发生，从而可实现在通常条件下直接生产质量均匀的粉末状的无水硼酸酐。

（3）由于突破了硼酸热解脱水过程中易于粘结的难关，实现了连续化生产操作。这与传统的多工序间歇操作的熔融法和真空法相比，大大简化了工艺过程，降低投资;消除了非生产时间，提高了生产效率;改善了劳动条件，减轻劳动强度，适应大规模工业化生产。

（4）本工艺采用低温脱湿，两段逆流操作，无气泡气固直接接触，提高了热能利用程度，降低了废气出口温度，因而节省了热能消耗。

（5）本发明采用快速循环流态化新技术为核心的新型热解脱水装置，其操作弹性大，热解停留时间任意可调，床层温度均匀不会过热，气固接触好且传递速率快，气固通量大而且有防止粘结的功效，因而具有工艺操作的高效性和对原料的广泛适应性，无论是干燥过程还是热解过程，无论是短停留时间的快速过程还是长停留时间的缓慢过程，无论是一般颗粒物料还是粘性或者因热解而产生粘稠液相中间产物并导致粘壁现象的颗粒物料，均可取得满意效果。

（6）由于快速流化床中物料强烈混合，床层本身具有气体再分布的作用，因而采用超低压降分布板结构而不会使流化状态恶化。超低压降分布板可节省动能消耗一半以上。

（7）利用热解过程中产生的液相中间产物并适当控制，既可防止颗粒熔结成块，又可用于制成较为均匀的细小颗粒。

硼酸热分解脱水试验的主要结果：

原料含H₃BO₃% 99.5

处理量    公斤/时    4

循环量 公斤/米².秒 ＞20

空气总量 米²/时 ～35

空气予热温度    ℃    230-260

予脱湿温度    ℃    130-150

终脱湿温度    ℃    210-230

产品含B₂O₃% ＞99

脱水率    %    -99.9

综上所述，本发明工艺简单合理，热利用率高，产品质量好，投资省;设备结构紧凑、操作稳定，调节方便，热、质传递迅速、生产强度大，适合大规模工业化生产，最重要的是突破现行工艺操作中粘结或粘壁而易堵塞的技术难关，对一般颗粒物料或对易聚团结块的物料均有较好的适应性，与传统工艺相比有着明显的优势，是一种高效，防粘结的干燥和热解的新工艺和新设备，亦可用于进行制粒。

Claims (9)

1、一种用于含湿、受热易粘结或分解过程中产生粘稠液相中间产物的颗粒物料的干燥、热解脱湿，直接制取粉状或粒状产品的方法，其特征在于以常压热空气或烟道气作供热和脱湿的介质，从二段脱湿的快速流化床(7)和固体物料循环管(9)的底部进入，与快速流化床(7)中来自固体物料循环管(9)的固体作同向向上运动，而后经气固分离室(8)和旁路冷空气管(22)中的冷空气混合调温后，作为一段予脱湿流化床(12)的流化介质，再经旋风分离器(14)、布袋收尘器(15)后而放空；颗粒物料从予脱湿流化床(12)顶部投入，在低于发生粘结的床温条件下予脱湿，而后经溢流式料封输送料腿(13)将其已脱除大部分湿份的物料即半干物料转入到二段终脱湿的快速流化床(7)中，在此与床中大量低含湿物料迅速混合、传热，在适合最终脱湿温度要求的条件下，通过调节床中存料量，操作气速和物料循环速率，实现终脱湿的逆流连续快速循环流态化床操作；所获之满足脱湿率要求的产品，从排料机(20)排出；此复合流化床脱湿工艺，物料并不发生粘结或熔结，同时，亦可利用物料自身的粘结将其作为粘结剂，以制备颗粒状产品。

2、根据权利要求1所述方法之复合流态化脱湿装置，其特征在于包括由予脱湿流化床（12）和终脱湿快速流化床（7）组成的同轴串联两层式结构;也可由两者自成单体，组成两段式串联结构;予脱湿流化床是直筒式结构，亦可采用锥形或搅拌式流化床结构;还包括位于两床之间的旁路冷空气管（22）、置于其床顶部的加料器（19），旋风分离器（14）和布袋收尘器（15）;终脱湿快速循环流化床由并列的快速流化床（7）、固体物料循环管（9）连通一体，组成循环系统;固体物料循环管（9）下端设有排料管（10）;两层或两段流化床之间安排有气固分离室（8）和溢流式料封输送料腿（13），使两床沟通。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于快速循环流化床（7）的底部装有分布板或超低压降的气体分布板（6），上端出口为伸入到气固分离室（8）中的向下喷头;气固分离室（8）为偏倒锥体;固体物料循环管（9）的上端与气固分离室（8）的偏倒锥体底部孔口相接，下端安装有气体分布板（23），并通过该分布板上一定距离处的侧壁孔口与快速循环流化床（7）相通，构成物料循环回路。

4、根据权利要求2、3所述的装置，其特征在于超低压降分布板（6）为大开孔率分布板，其开孔率为5-20%，亦可用通常设计的常规分布板。

5、根据权利要求2、3所述的装置，其特征在于超低压降分布板（6）是风帽结构，或直孔筛板。

6、根据权利要求2、3所述的装置，其特征在于快速循环流化床（7）与固体物料循环管（9）之间是用气动“V”型伐或“L”伐来连通。

7、根据权利要求2、3所述的装置，其特征在于气固分离室（8）可为经向下喷头式惯性分离后的一般重力沉降式气固分离装置;亦可在其中安装有旋流板（24）成为重力一惯性力式气固分离装置;当采用两段结构，可用旋风分离器进行气固分离并将两段串结。

8、根据权利要求2、3所述的装置，其特征在于溢流式输送料腿（13）的下端安装有料率控制机构，该机构可以是自动平衡式“V”型气动伐或“L”型气动伐，亦可以是星形伐或螺旋推料机等机械装置。

9、根据权利要求2所述的装置，其特征在于予脱湿流化床（12）是直筒式鼓泡流化床，或者是锥形流化床，或者是安有搅拌浆的搅拌流化床。

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