CN104548630A - 一种节能环保型喷雾烘干工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种节能环保型喷雾烘干工艺，通过相应的喷雾烘干系统实现，喷雾烘干系统主要包括烘干塔、一级压缩机、二级压缩机、膨胀机、换热器和气液分离器，从烘干塔排出的尾气经逐级加压升温后，在换热器内与冷源气体形成较大的温差和压差，有助于强化换热效果，特别能促进增压后高势能混合气体中气态溶剂的冷凝热的释放和回收。在溶剂冷凝热回收以后，混合气体转换成气液混合物进行气液分离，在先后进行的溶剂冷凝热回收和气液分离过程中，混合气体的压力几乎不变，势能未损失，气液分离得到的气体仍具有较高的势能，通过膨胀机将气体的势能和热能转化成动能提供给二级压缩机，实现了尾气势能和热能的回收，节省了系统耗能。
Description
技术领域
本发明涉及一种气流烘干工艺，为封闭性干燥工艺，适用于闪蒸干燥、喷雾干燥，尤其适用于热敏性物料干燥、易燃易爆溶剂干燥及低温干燥。
背景技术
喷雾干燥因其干燥时间短，所得产品品质良好均一，被广泛应用于食品（奶粉、乳清粉、蛋粉、果汁粉、速溶咖啡、茶粉、水解蛋白等）、化工、医药、陶瓷、特种合金粉末、锂电池、环保等工业生产领域。但由于喷雾干燥需要大量高温热气载能供热，干燥后含能载气与蒸发的水汽混合废气，因温度较低，没有多大利用价值，一般情况下在回收完溶剂后就被直接排放入大气，造成大量热能白白浪费。工业规模的气流干燥热效率一般为30～50%，与其它干燥方式相比较，单位溶剂蒸发能耗消耗过多；当前，喷雾烘干工艺中，蒸发1吨水需要加热蒸汽约2～4吨，耗电能170～200度，热能利用率低是喷雾干燥的不足之处。另外，以非水为溶剂的溶液或湿物料喷雾干燥后，其尾气若直接排放到大气中会给环境带来不利影响，为环保所限制。
为了提高喷雾烘干工艺的热能利用率，本领域技术人员作出的改进包括对尾气热能进行回收利用或采用热载气闭路循环，主要有几下几类：
（1） 将出塔高温尾气与进塔常温空气进行热交换，利用尾气加热进塔物料进行热能回收，如专利公布号101876153A的硫酸盐木浆黑液喷雾干燥工艺，102168913A的喷雾干燥系统，102607247A的喷雾干燥机；
（2） 使用常温空气对塔体夹套冷却，升温后的空气进塔提供热源，尾气与进气换热进行热能回收，如专利公布号103752025A的喷雾干燥机，103877736A的节能型高效喷雾干燥装置；
（3） 利用多个烘干塔进行多级串联，将前一级尾气蒸汽加热升温成过热为下一级烘干提供蒸发热源，如专利公布号102200379A的一种节能喷雾干燥工艺。该工艺只是重复利用尾气蒸汽作为热载体，减少系统中新鲜的常温空气的使用量，减少尾气排放总量实现减少热能排放；
（4） 利用吸热式热泵将尾气中部分溶剂蒸汽冷凝回收热能，在热泵的输出端将其余溶剂蒸汽加热升温，吸热后蒸汽回系统继续供热，达到全部回收尾气蒸汽的冷凝热，如专利公布号102294124A一种基于吸收式热泵的喷雾干燥方法和装置；
（5） 在封闭性干燥方面，专利公开号101949635A 的《闭路循环喷雾干燥及溶媒回收系统》提供了一种载热气体循环利用的闭路干燥系统，尾气中带出的溶剂蒸汽使用冷却或冷冻介质提供冷源冷凝回收；专利公开号102500116A的高效节能闭式循环喷雾干燥方法与干燥系统、专利公开号为102989182A的《一种节能环保的喷雾干燥系统》提供了一种载热气体循环利用的闭路干燥系统，尾气中带出的溶剂蒸汽先与冷凝后的尾气载气换热回收部分热能，再与冷却或冷冻介质提供冷源冷凝回收溶剂。
上述现有技术中的第（1）、（2）类中，由于烘干尾气存在流量大、温度低、尾气本身热能品位不高的特点，一般仅能回收尾气所带热能的20%～30%。第（3）类所述工艺则需要多台设备串联使用，至少设置3至10级，两个烘干系统串联就已经很复杂了，多套串联必给系统各单位操作、系统联动平衡控制以及设备投入、设备占地等带来极大难度和运行管理成本，不适于推广使用，而且该工艺的最终蒸汽还是需要从最后一级烘干塔排出，其减少的新鲜空气补充热能在整个系统中所占比例不大，对最终排出的尾气中蒸汽冷凝热合理利用才是本领域的要点。第（4）类方法和装置实现了溶剂冷凝热的全部回收，冷凝水以接近常温排出系统，但其系统热能回收环节中加入了吸收式热泵及热泵循环系统，使整个烘干系统变得十分复杂，且回收温差仅30～50℃，低回收效率只能靠增加尾气系统和热泵系统循环量来实现水蒸汽冷凝回收，反而会增加烘干系统和热泵系统的电耗。第（5）类中，尾气中带出的溶剂蒸汽需要使用冷却或冷冻介质进行冷凝回收，热能白白浪费，并且增加了冷却或冷冻源，运行成本较高；对于将新鲜尾气与冷凝回收溶剂后的尾气进行换热的工艺，因两者在同等压力下运行，温差较小，回收热能意义不大，尾气中的溶剂还得消耗大量冷却或冷冻介质进行冷凝回收。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种热载体闭路循环、提高尾气热能尤其是溶剂冷凝热的回收，热转换效率更高，同时实现对气体做功动能的回收，且工艺简单的喷雾烘干工艺，真正实现喷雾烘干的节能环保。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种节能环保型喷雾烘干工艺，通过相应的喷雾烘干系统实现，所述喷雾烘干系统包括烘干塔、一级压缩机、二级压缩机、膨胀机、换热器和气液分离器，工艺步骤如下：
（1）待干燥的湿物料进入烘干塔后被雾化或分散化，向烘干塔内通入气体热源使湿物料中的溶剂汽化，汽化的溶剂与气体热源形成混合气体，湿物料在塔内被雾化分散化的同时被高温气体热源加热，溶剂瞬间汽化，混合气体和固体粉末被塔内气固分离装置分离；
（2）从烘干塔出来的混合气体进入一级压缩机，一级压缩机对混合气体进行第一次加压升温，一级压缩机的动能由外部动能发生装置提供，如电机、发动机、蒸汽透平机或燃气轮机，一级压缩机的主要功能是向混合气体做功使混合气体加压升温；
（3）从一级压缩机出来的混合气体接着进入二级压缩机，二级压缩机对混合气体进行第二次加压升温，且二级压缩机的动能输入由膨胀机提供，二级压缩机的主要功能是进一步提高混合气体的温度、压力，为后面的热交换和溶剂冷凝热回收作准备。且二级压缩机的输入动能由膨胀机提供，本发明中膨胀机是将系统后续气液分离产生的高温高压气体的能量通过做功转化成动能提供给二级压缩机，以实现对混合气体加压升温动能的回收；
（4）从二级压缩机出来的混合气体进入换热器，在换热器内高温高压的混合气体作为热源，与来自步骤（3）中膨胀机做功后产生的低温气体（冷源）进行热交换，此时，在热源与冷源的温差和压差均较大的情况下，两者的热交换效率得到了显著地提高，来自膨胀机的低温气体主要回收混合气体中气态溶剂的冷凝热能和部分混合气体的热能，进而转化成高温回收气体；相对地，混合气体换热后转化成气液混合物（气态溶剂冷凝液化），较大的气压使气态溶剂的冷凝温度得到提高，进而促进了混合气体中气态溶剂的冷凝放热趋势，使气态溶剂的冷凝换热更加充分、彻底，最终实现系统充分回收尾气中溶剂冷凝热的目的；
（5）步骤（4）产生的气液混合物接着进入气液分离器进行气液分离，气液分离产生的液体主要成分为溶剂，可排出系统重复利用，气液分离产生的气体则通入步骤（3）的膨胀机作为气体动力源，高温气体通过膨胀机做功将自身热能和势能转化为动能并提供给二级压缩机，同时做功后产生的低温气体再接入换热器作为冷源，循环往复；
（6）步骤（4）产生的高温回收气体经加热至设定温度后送入烘干塔内，作为步骤（1）中所述的气体热源，循环往复，用以加热回收气体的热源可以选用水蒸气、燃气尾气、电热器或导热油等。
优选地，根据混合气体分压原理，控制所述烘干塔出口处的混合气体温度高于分压下湿物料中溶剂的饱和温度，以保证烘干塔内出来的混合气体中的溶剂被全部汽化。
较常规的设置是，所述烘干塔配置有气固分离装置以实现上行的混合气体与固态物料分离，分离得到的固体产品作为成品被送出烘干塔。
上述工艺中使用的烘干塔为喷雾烘干塔或闪蒸塔。
优选地，所述膨胀机为活塞膨胀机或透平膨胀机或轴流式膨胀机，步骤（5）气液分离得到的气体的压力几乎无变化，即势能仍较高，本发明选用膨胀式膨胀机的目的就是将系统后续气液分离产生的高温高压气体的能量通过做功转化成动能回收，提高整个系统中能量的循环使用，避免能量浪费。
本发明具有如下特点：
1、本发明烘干工艺为热载体闭路循环系统，整个工艺密闭操作，有助于实现热能，对气体做功动能的回收，无尾气排放，节能环保，适应性广，待干燥物料的溶剂可以为水，亦可以是易燃易爆性溶剂。
2、本发明烘干塔的气体热源为空气（或氮气）与溶剂蒸汽的混合气体，从烘干塔排出的尾气为空气（或氮气）与溶剂蒸汽的混合气体，可以通过控制出塔尾气中溶剂蒸汽与空气（或氮气）的比例来实现常压下溶剂的低温蒸发，如，通过控制烘干塔出口的温度高于塔内分压下溶剂的饱和温度即可确保溶剂的充分汽化，而不需要对烘干塔体作特别改造，降低了设备的投入，且溶剂的低温蒸发又能够满足热敏性物料的干燥。
3、设置于烘干塔后段的一级压缩机、二级压缩机对混合气体进行逐级加压升温，得到的高温、高压混合气体在换热器内作为热源，与冷源气体形成较大的换热温差和压差，有助于强化换热效果，尤其能促进增压后高势能混合气体中气态溶剂的冷凝热的释放和回收。
4、在溶剂冷凝热回收以后，高温混合气体转换成气液混合物进行气液分离，在先后进行的溶剂冷凝热回收和气液分离过程中，混合气体的压力几乎不变，势能损失少，气液分离得到的气体仍具有较高的势能，通过膨胀机将气体的势能和热能转化成动能提供给二级压缩机，同时实现了尾气势能和热能的回收，节省了系统耗能。这种通过做功方式实现的能量转化比传统的热交换形式具有更高的回收效率，回收率达到了70～88%，且试验发现回收规模越大越有利于回收效率的提高，特别适用大规模蒸发装置的投资运行。
5、本发明烘干工艺所涉及的系统装置简单，设备投入有限，系统运行控制便利，实现了溶剂蒸发潜热热能全部回收，极适于推广应用。
附图说明
图1为本发明节能环保型喷雾烘干工艺的原理图；
图2为本发明节能环保型喷雾烘干工艺的系统装置图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，为本发明中烘干工艺的原理图，图2为实施例对应的烘干系统装置图。
本实施例中喷雾烘干工艺是基于喷雾烘干系统实现的，喷雾烘干系统主要包括喷雾烘干塔1、一级压缩机2、二级压缩机4、透平膨胀机5、换热器6、气液分离器7和加热器8，烘干塔1配置有气固分离装置，一级压缩机2的动能由电机3提供。喷雾烘干工艺的具体操作步骤如下：
（1）待干燥的湿物料进入透平膨胀机烘干塔1后被雾化，向喷雾烘干塔1内通入气体热源使湿物料中的溶剂汽化，汽化的溶剂与气体热源形成混合气体；
（2）从喷雾烘干塔1出来的混合气体进入一级压缩机2，一级压缩机2对混合气体进行第一次加压升温，一级压缩机2的动能由电机3提供；
（3）从一级压缩机2出来的混合气体接着进入二级压缩机4，二级压缩机4对混合气体进行第二次加压升温，且二级压缩机4的动能输入由透平膨胀机5提供；
（4）从二级压缩机4出来的混合气体进入换热器6，在换热器6内混合气体作为热源，与来自步骤（3）中透平膨胀机5做功后产生的低温气体进行热交换，来自透平膨胀机5的低温气体用于回收混合气体中气态溶剂的冷凝热能和混合气体的热能而转化成回收气体，相应地，混合气体冷凝换热后变成气液混合物；
（5）步骤（4）产生的气液混合物接着进入气液分离器7进行气液分离，气液分离产生的液体主要成分为溶剂，可排出系统，气液分离产生的气体则通入步骤（3）的透平膨胀机5作为气体热源，通过透平膨胀机5高温气体做功将自身热能和势能转化为动能并提供给二级压缩机4，同时做功后产生的低温气体接入换热器6作为冷源，循环往复；
（6）步骤（4）产生的回收气体经加热器8加热至设定温度后送入喷雾烘干塔1内，作为步骤（1）中的气体热源，循环往复。
实施例1
一种固含量为25%小麦水解蛋白水溶液进行喷雾干燥制成粉体产品，将湿物料送入喷雾烘干塔1，物料进料温度60℃，进料流量为14500kg/h，喷雾烘干塔1尾气出风温度为80℃，出塔压力为100kPa(A)，经过一级压缩机2压缩后压力升至190kPa(A)，再进入二级压缩机4进一步压缩至300kPa(A)，此处，混合气体温度可升到195℃，然后送入换热器6内冷凝成气液混合物，将气液混合物送入气液分离器7，气液分离产生130～133℃高温热水761kg/h，气液分离产生的混合气体送去膨胀膨胀机5做功，所得动能提供给二级压缩机2，做功后形成的低温气体再去换热器6内作为冷源，换热升温至185℃，升温后的气体在加热器8内通过2.2MPa水蒸气加热至205～210℃，然后作为喷雾烘干塔1的气体热源，蒸汽耗量为144.4kg/h；耗电量179.2kwh/h。
实施例2
一种固含量为25%小麦水解蛋白水溶液进行喷雾干燥制成粉体产品，将湿物料送入喷雾烘干塔1，物料进料温度60℃，进料流量为18605kg/h，喷雾烘干塔1尾气出风温度为80℃，出塔压力为100kPa(A)，经过一级压缩机2压缩后压力升至190kPa(A)，再进入二级压缩机4进一步压缩至300kPa(A)，此处，混合气体温度可升到195℃，然后送入换热器6内换热冷凝成气液混合物，将气液混合物送入气液分离器7，气液分离产生130～133℃高温热水1000kg/h，气液分离产生的混合气体送去膨胀膨胀机5做功，所得动能提供给二级压缩机2，做功后形成的低温气体再去换热器6内作为冷源，换热升温至185℃，升温后的气体在加热器8内通过2.2MPa水蒸气加热至205～210℃，然后作为喷雾烘干塔1的气体热源，蒸汽耗量为190 kg/h；耗电量201kwh/h。
实施例1和实施例2与一般喷雾烘干、尾气加热进塔空气喷雾烘干以及滚筒烘干工艺综合能耗对比如下：
注：电价按1元/kwh，蒸汽按200元/t计。
从上述对比中可以看出：实施例1和实施例2的蒸汽热能消耗仅为其它工艺的1/15～1/7，虽然电耗有所增加，但在烘干以水为溶剂的物料时，可以回收等质量的130℃高品位热水。
实施例3
一种碳化钨固含量为40%、溶剂为无水乙醇的混合液进行喷雾干燥制成碳化钨粉体产品，系统进行充氮气保护，将湿物料送入喷雾烘干塔1，物料进料温度30℃，进料流量为15725kg/h，喷雾烘干塔1尾气出风温度为50℃，出塔压力为100kPa(A)，经过一级压缩机2压缩后压力升至185kPa(A)，再进入二级压缩机4进一步压缩至300kPa(A)，混合气体温度可升到139℃，然后送入换热器6内换热冷凝成气液混合物，将气液混合物送入气液分离器7，气液分离产生107～109℃高温乙醇1000kg/h，气液分离产生的混合气体送去膨胀膨胀机5做功，所得动能提供给二级压缩机2，做功后形成的低温气体再去换热器6内作为冷源，换热升温至85℃，升温后的气体在加热器8内通过0.2MPa水蒸气加热至105～110℃，然后作为喷雾烘干塔1的气体热源，蒸汽耗量为85kg/h；耗电量192.5kwh/h。
实施例3与一般闭路喷雾烘干综合能耗对比如下：
注：电价按1元/kwh，蒸汽按200元/t，循环水0.3元/t计。
从上述对比中可以看出：实施例3热能蒸汽消耗仅为对比例的1/6～1/5，电耗增加不大，冷却水需求量只有对比例的1/5。
实施例4
固含量为45%、溶剂为丙酮的医药溶液进行喷雾干燥制取颗粒粉末，系统进行充氮气保护，将湿物料送入喷雾烘干塔1，物料进料温度30℃，进料流量为8600kg/h，喷雾烘干塔1尾气出风温度为60℃，出塔压力为100kPa(A)，经过一级压缩机2压缩后压力升至180kPa(A)，再进入二级压缩机4进一步压缩至300kPa(A)，混合气体温度可升到147℃，然后送入换热器6内换热冷凝成气液混合物，将气液混合物送入气液分离器7，气液分离产生89～90℃高温丙酮1000kg/h，气液分离产生的混合气体送去膨胀膨胀机5做功，所得动能提供给二级压缩机2，做功后形成的低温气体再去换热器6内作为冷源，换热升温至105℃，升温后的气体在加热器8内通过0.2MPa水蒸气加热至110～115℃，然后作为喷雾烘干塔1的气体热源，蒸汽耗量为83kg/h；耗电量130kwh/h。
实施例4与一般闭路喷雾烘干综合能耗对比如下：
注：电价按1元/kwh，蒸汽按200元/t，冷冻水、冷却水按0.3元/t计。
可以看出实施例4无论电耗、汽耗均少于一般喷雾干燥工艺。
实施例5
将实施例1中加热器8的蒸汽加热改为热风炉，则耗甲烷气6 kg/h；耗电量179.2kwh/h。
Claims (7)
1.一种节能环保型喷雾烘干工艺，其特征在于：通过相应的喷雾烘干系统实现，所述喷雾烘干系统包括烘干塔、一级压缩机、二级压缩机、膨胀机、换热器和气液分离器，工艺步骤如下：
（1）待干燥的湿物料进入烘干塔后被雾化或分散化，向烘干塔内通入气体热源使湿物料中的溶剂汽化，汽化的溶剂与气体热源形成混合气体；
（2）从烘干塔出来的混合气体进入一级压缩机，一级压缩机对混合气体进行第一次加压升温；
（3）从一级压缩机出来的混合气体接着进入二级压缩机，二级压缩机对混合气体进行第二次加压升温，且二级压缩机的动能输入由膨胀机提供；
（4）从二级压缩机出来的混合气体进入换热器，在换热器内混合气体作为热源，与来自步骤（3）中膨胀机做功后产生的低温气体进行热交换，来自膨胀机的低温气体回收混合气体中气态溶剂的冷凝热能而转化成回收气体，相应地，混合气体换热后变成气液混合物；
（5）步骤（4）产生的气液混合物接着进入气液分离器进行气液分离，气液分离产生的液体排出系统，气液分离产生的气体则通入步骤（3）的膨胀机作为气体动力源，气体通过膨胀机做功将自身热能和势能转化为动能并提供给二级压缩机，同时做功后产生的低温气体接入换热器作为冷源，循环往复；
（6）步骤（4）产生的回收气体经加热至设定温度后送入烘干塔内，作为步骤（1）中所述的气体热源，循环往复。
2.根据权利要求1所述的节能环保型喷雾烘干工艺，其特征在于：所述烘干塔出口处的混合气体温度高于分压下湿物料中溶剂的饱和温度。
3.根据权利要求1所述的节能环保型喷雾烘干工艺，其特征在于：所述烘干塔配置有气固分离装置以实现上行的混合气体与固态物料分离。
4.根据权利要求1所述的节能环保型喷雾烘干工艺，其特征在于：所述一级压缩机的动能由外部动能发生装置提供。
5.根据权利要求4所述的节能环保型喷雾烘干工艺，其特征在于：所述动能发生装置为电机、发动机、透平机或轮机。
6.根据权利要求1所述的节能环保型喷雾烘干工艺，其特征在于：所述烘干塔为喷雾烘干塔或闪蒸塔。
7.根据权利要求1所述的节能环保型喷雾烘干工艺，其特征在于：所述膨胀机为活塞膨胀机或透平膨胀机或轴流式膨胀机。
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