流化床造粒-3

流态化喷洒造粒制取墙地砖坯料

一、前言：许多行业都用到造粒技术，如建筑陶瓷、肥料、制药、食品和冶金（冶金行业称为团块）等。造粒设备也有多种多样，如斜式转盘造粒机、转鼓造粒机、高速轴式造粒机、喷雾干燥造粒和流化床造粒等。目前用于墙地砖行业制取坯料的几乎全部是喷雾干燥塔。

据Chemical Engineering(1968)报道在陶瓷工业中已采用棒形造粒器，生产能力15t/h。在国内目前也有类似产品，称为增湿造粒机，生产能力2～3t/h。

1997年由清华大学参与开发的斜式转盘造粒机已在一些厂家替代了喷雾干燥造粒。与喷雾干燥造粒方法相比节约能量70～80%, 但其高度与喷雾干燥造粒塔相比降低的不多。其生产的颗粒的粒度分布、所含水分、流动性指数和空隙率均能满足墙地砖生产的要求。

流态化技术在开发初期就已知道可以在流化床中造粒和使粒径增大，但是，和其他过程相比，对颗粒形成机理的了解还不如像对化学反应过程了解的那么多。20世纪60～70年代多用于药物的造粒，如Pharm. Sci. (1971, 1972)所发表的”Batch production of pharmaceutical granulations in a fluidized bed”。1976 年出版的“Fluidization Technology” 一书中介绍了流化床用于生产瓷砖粘土的造粒技术和设备，生产能力为1t/h；同时，在西德也有类似的专利（No.2260732, July 1973）。

到目前为止，国内尚无采用流态化技术进行墙地砖坯体原料造粒的报道。

我国建材行业是一个耗能较大的行业，其中墙地砖的生产，基本上是采用喷雾干燥法制取坯料。其主要工艺过程为：原料粉碎→细粉碎→热风脱水和造粒（喷雾干燥）→压制成型→烧成→成品。原料粉碎一般采取机械方法，它是一个由机械能转变为粉料表面能的能量转变过程。细粉碎通常采用湿法球磨，料：球：水=1:(2～2.5):(0.5～0.8)。脱水和造粒采用喷雾干燥工艺，脱水后的物料含水率约为7%，可见喷雾干燥要蒸发大量的水分，每生产1kg坯料就要消耗1.2～2.0MJ以上的热量。喷雾干燥塔容积干燥强度小，当入口温度为130～150℃时，容积干燥强约为4kg（水）/m·h, 使用高温烟气时，也只能达到15～25kg（水）/m·h，故喷雾干燥塔的体积相当大； 热效率低，一般小于40%。这些都是造成建材行业生产消耗能量较大的原因之一。喷雾干燥塔的热源主要来自燃气、燃油或燃煤。在上述三种燃料中，对于燃煤来说，由于煤中的灰分较多，会将灰分带入坯料中，不宜用于抛光砖的生产。而流化床喷洒造粒则不存在这样的问题。

采用流化床喷洒造粒（相对喷雾干燥工艺而言或称干法造粒），原料与润湿水的比例，约可以达到1:0.12, 与喷雾干燥相比，原料中的含水率约减少80～90%, 只考虑减少蒸发此部分水量的节能，每年约节约标准煤约3.4×10t（折合重油26.28×10t，根据报道，墙地砖2000年生产20亿m，每m按20kg计算）。所节约的煤炭约为淮北煤矿集团2003年产量的1/6。

喷雾干燥与流态化喷洒造粒一些参数的比较见表1。 表1 喷雾干燥与流态化喷洒造粒一些参数的比较

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类 型 喷雾干燥 流 态 化 喷 第一级 5～8 7 洒 造 粒 第二级 200 8～12 7 3000～4000 蒸发水量 kg/h 原料含水率 ％ 成品含水率 ％ 成品产量 kg/h 设备直径 m 设备高度 m 干燥介质 干燥介质温度 ℃ 装机容量 KW 单位成品热耗 MJ/kg

1000 50 6 1136 5.5 11.6 1.2(錐形，平均) 1.35(錐形，平均) 3.5 3.5 热空气（烧重油） 90～110 15 烟气（烧重油） 空气 ～400 36 10 ～2.0 ～0.3 同时，在原料制备车间的设备如球磨机、泥浆泵和泥浆池的高度都很低，而喷雾干燥塔的高度与其他设备的高度相差悬殊，一般在10m以上，因此，要求较高的厂房，增加了基建的投资。

采用流态化喷洒制备坯料不但可以大量节省能源和降低厂房高度，而且简化工艺流程和提高设备的生产率。

二、造粒机理：当物料润湿到最大的分子结合水后，则开始成球。一般情况下，物料粒度小（80%<200目），水分低，使各个颗粒为吸附水和薄膜水所覆盖时，即具备了成球条件。由于毛细水在颗粒表面上的不均匀性，使与颗粒表面接触的地方形成凹液面，产生毛细粘结力使颗粒聚集成母球。当母球表面水分含量接近适宜的毛细水含量时，由于流化床的强烈扰动和颗粒间的撞击，母球会继续长大和压密。在适宜的操作气速下，长大到一定大小的颗粒时，即颗粒和浮力相等时，颗粒则由溢流口流出床外。影响成球的因素有以下几个方面： 1.颗粒的表面亲水性越高，固体颗粒被水润湿的能力越大，毛细粘结力就越大。则该颗粒的成球性越好。

2.原料的湿度对造粒的影响较大。在成球的初期，颗粒之间的水分不足，颗粒之间的间隙就可能被空气所填充，致使颗粒的结合力很小。因此必须加水补充。水分过多则母球容易相互粘结或变形，致使颗粒不均匀或过湿的母球粘结设备，失去运动能力，破坏流化状态。

3.原料粒度越小，颗粒之间的排列越紧密毛细粘结力就越大。但可能导致毛细水分的迁移速度降低，造粒时间加长。不过，原料粒度越小会增加成球的强度，故通常都采用较细的原料，用其他因素来加大造粒的速度。

4.原料中加入某种成分可能增强颗粒的结合力，如石灰、皂土、膨润土等。皂土主要组成是高岭土（Al2O3 ·4SiO2·H2O+nH2O）,它是高度分散的胶粒，亲水力强可起粘结剂的作用。膨润土可以提高球强度，根据试验，如原料中不加膨润土其成球性指数K为0.31, 属弱成球性，但加入2.5%的膨润土，成球性指数K则提高到0.61，属于良成球性。同时膨润土还可以增强造粒的过程的稳定性，当造粒过程中加水过量，但不超过一定范围时，膨润土会将过量的水分吸入晶间层，不会影响正常操作。且这种晶间层吸附水与毛细水不同，在造粒过程中称为固定水，不会被挤压到球体表面，在运输过程中球体不会产生粘结。上述的一些成分又都是制造墙地砖原料的成分，添加上述成分的多少而不影响墙地砖的质量，需经试验来确定。

流态化干法造粒：流态化干法造粒是相对喷雾干燥工艺而言，是通过在流化床中喷雾增湿进行造粒。流化床为小颗粒增大提供了许多有利条件，如颗粒在床内强烈的运动和混合、较高的传热系数和较低的能量消耗等。流态化干法造粒由于集中了多个过程，影响制取优质颗粒的因素较多。根据“Pharmaceutical Technology(David M. Jones, 1985)一书介绍，有将近20几个因素影响成粒过程。流态化干法造粒在化工领域中得到广泛应用，在20世纪80年代荷兰和日本就成功地应用了大型的尿素流态化造粒装臵，在氯化钙和硫酸锌的造粒中也有应用。

三、流化床造粒的操作条件：床层颗粒尺寸与流化强度的变化相反，因此，降低床层的操作速度，有利于颗粒之间的粘结，使颗粒的尺寸增加；提高床层的操作速度，则可以得到较细的颗粒。如果床层的操作速度低于临界流化速度，固体颗粒不能正常运行则停止流化。

一般来说，流化床造粒的设计基本上可以仿照流化床干燥器设计进行，按照物料的物理特性计算临界流化速度和选定操作速度，根据物料衡算和热量衡算选定操作速度，分布板面积和床体积。在许多应用中，床体设计成锥形，造成床层底部的速度比床层顶部的速度高。在床层的顶部由于粘结剂的喷撒形成粒种。颗粒在床层内不断上下翻滚增大，最终由于重力和浮力之间的差，成品颗粒沉降到床层底部。

选定的操作速度要适当，既要造成床层表面要有一定的活力，不致造成大的团块；又不致造成颗粒的扬析，而增加物料回收的负担。通常扰动较强的床层其成品的颗粒较小。对于制造1—2mm 的颗粒来说典型的操作速度为1—2m/s。

四、流化床喷洒造粒的工艺流程

喷洒造粒工艺过程的目的是将一定组分配制好的原料磨制成一定的粒度，通过流化床喷洒造粒达到一定的颗粒分布，并含有一定的水分适于压制成瓷砖的毛坯。原料及配料比例见表2。 表2 原料成分 (wt%) 石英 23 膨润土 碱干土 8 6 A粘土 8 C粘土 21 叶腊石 16 滑石 10 长石 3 素坯 5

工艺流程可参阅图1。首先将配制好的原料送入破碎机进行破碎，再送入雷蒙磨或球磨机进行粉碎，经过粗细粉分离后，粗粉返回磨机再进行磨制，细粉达到200～300目的粉料，送入料仓备用。造粒系统包括两级造粒设备，如图1所示。第一级的作用是使粉料在喷水的作用下形成母核并进一步团聚，在第二级中团聚成大颗粒并进行干燥。第一级的流化介质为常温空气，第二级的流化介质为热空气，热源由热风炉供给。最终产品的含水率约为7％，以利于压机的压制成型。为了达到上述目的，在第一级中的水分保持为5-8%,在第二级中的水分保持为8-12%。而在第二级中，水喷嘴应位于约离流化床层之上大约100mm 处。

出口颗粒干燥程度主要依赖于床层的温度和出口气体露点温度之差。出口颗粒经筛分后，细粉循环进入第一级流化床重新造粒，成品进入料仓供压制使用。造粒系统除了造粒流化床之外，还用一些辅助设备，如鼓风机、引风机、热风机、旋风分离器和筛分机等。成品坯料的特性见表3。

如上所述就可以得到墙地砖坯体原料—颗粒，这些颗粒无论是颗粒尺寸分布还是流动性都适于坯体的压制。但物料的再循环和磨损量都是较大的，并由旋风分离器分出细粉，再循环量与产品的比率大约是2:1。 表3 成品坯料的特性 （重度约 850kg/m） 坯料 号 1 2 3

五、 影响喷洒造粒的因素：对于喷洒造粒的参数值必须通过试验装臵来预测，以保证得到预期的颗粒分布和大小以及产量。要使工业规模设备取得稳定运行，一些参数必须得到控制。以下是一些相关的参数以及它们对喷洒造粒工艺过程的影响。

1. 水的喷洒：尽量减少水的喷洒量，以减少干燥的负担。

2. 雾化：床层表面被润湿的面积越大，颗粒的尺寸则有增加的趋势。这就涉及喷嘴的数量、喷洒形式和喷洒角度。

3. 操作速度：由于集中的和局部的物料的供给，床层必需有强烈的扰动。当操作速度减小时，颗粒在床层内的位移就相对减小，在床层润湿的区域内团粒过程趋向增强。过量地降低操作速度最终会导致流化状态停止。操作速度增加时，床层膨胀，颗粒之间高度的碰撞造成磨损，导致团粒过程趋向下降。

4. 颗粒的水分：颗粒的水分依赖与颗粒本身的吸湿性和结晶水，以及出口干空气的温度和露点。通常增加自由水分会导致团粒过程趋向增强。

5. 出口颗粒干燥程度：喷洒造粒的干燥过程不仅发生在床层内而且发生在床层表面以上（喷咀除非安

粒 度 分 布 μm <90 7.6 10.8 2.2 水分 ％ 7.6 6.9 7.8 休止角 度 38 40 35 空隙率 ％ 32 28 35 流动性 指数 83 81 87 3

300～150 150～90 66.8 62.7 69.6 25.6 26.5 28.2 放在床层内）。出口颗粒干燥程度主要依赖于床层的温度和出口气体露点温度之差。当此差值增加时，喷洒雾滴的预干燥增强，因此，有更多的新颗粒形成，则颗粒连续增长的趋势减弱。

6. 停留时间：颗粒尺寸的分布依赖于颗粒在床层内的停留时间分布。根据试验证明产品颗粒尺寸的分布必需要有足够的新颗粒作为种子为前提。

7. 磨损：在颗粒反复循环磨损的区域对于颗粒的尺寸有较强的影响。

通常，颗粒尺寸的分布在造粒中不是一个常数，需要控制。 在上面所讨论的过程参数中，有些是不适于作为控制颗粒尺寸的分布的，如给料状况、雾化、流化气体速度和停留时间等。通过试验发现，控制颗粒尺寸分布的最方便的方法是，可以通过改变循环被磨损的颗粒的循环量来达到。

产品的质量的调整可以通过以下的一些信息来得到并加以控制：

（1） 最直接的方法就是在一定的时间间隔内做一常规的颗粒尺寸分析。一些信息可以通过对筛分物料获得。

（2） 在设计时，一般将出料口安臵在造粒器的底部，由旋转阀来控制。通过旋转阀的旋转维持流化床层的高度，使通过床层的压降为一常数。对于给定的产品产率和颗粒尺寸范围，旋转阀的旋转速度直接影响颗粒的尺寸。降低旋转阀的旋转速度床层中的颗粒尺寸就会增加，同时也可以控制磨损的程度。

（3） 在床层中具有宽筛分的材料，其中粗颗粒一般都处于靠近分布板的区域，在该区域内垂直方向上的混合与其他区域相比是很弱的。因此，在稳定的进出口温度下，该区域的温度与粗颗粒的量有关，而且也与该区域内的颗粒分布有关。这就有可能用它来作为一个磨损程度的控制信号。颗粒的尺寸可以由磨损的程度来控制，而磨损的程度又可以通过床层靠近分布板处的温度来反映，这是因为分布板温度对于颗粒尺寸分布是敏感的。甚至颗粒尺寸分布有微小的变动就会导致分布板有10℃变化。

总的来说，流化床喷洒造粒设备的设计需要实验来进行配合。对于流化床喷洒造粒来说，即使物料

十分相似，它们的操作条件也可能差别很大。通过实验可以得到设计和操作参数，如产品的粒度分布和平均直径、操作温度、物料的含湿量、操作速度及干燥速率等。对于连续操作的流化床喷洒造粒设备，特别是要补充细粉种子和粉碎物料再循环时，要使其达到稳定运转时，最好事先通过实验。

六、流化床喷洒造粒的特点

1. 节约能量和水量: 喷雾干燥的料浆中含水约50％，而成品颗粒中含水约6～7％，在造粒的过程中要蒸发大量的水分，每生产1kg成品颗粒大约要消耗1.5MJ的能量。同时，在生产过程中也消耗大量的水，每生产1kg成品颗粒大约要消耗1kg水，其中要蒸发损失大约0.8kg。流化床喷洒造粒每生产1kg成品颗粒大约要消耗0.12kg水，其中要蒸发损失大约0.05kg。而能量消耗大约是喷雾干燥的15%（见表1）。

2.减低厂房高度：喷雾干燥塔高度接近12m，而造粒车间的其他设备，如泥浆泵、浆池、湿磨等的高度都相对较低。但厂房高度则需要依据喷雾干燥塔的高度而定。因此就降低了厂房空间的利用率。而流化床喷洒造粒的设备比喷雾干燥塔的高度低很多，因此就降低了厂房高度，提高了厂房利用率并减少了厂房的投资。

3. 生产能力高：流化床喷洒造粒设备的生产能力与喷雾干燥塔相比，在相同的生产能力下，流化床喷洒造粒设备的体积大约是喷雾干燥塔体积的1/10。

4. 成品适于压制成型：墙地砖的坯料是否适于压制成型，一般由下列特性来衡量，如颗粒的粒度分布、颗粒的形状、颗粒的强度等。采用流化床喷洒造粒所生产的成品特性见表3。该成品经过压制试验完全能满足其工艺要求。

七、流化床喷洒造粒工艺的前景

建材和陶瓷行业是国内各行业耗能中的大户之一。自上个世纪80年代，从国外引进了不少窑炉以来，在燃料供应和窑炉结构上都有了很大的改善，窑炉的效率有了很大的提高，使烧成工序的能耗有大幅度的下降。但相对原料工序来说并没有多大的改进。由本文所述可见，流化床喷洒造粒工艺无论在装机容量还是单位产品能耗上都低于目前所采用的工艺。原料工序中的粉碎过程，流化床喷洒造粒工艺与目前所采用方法的能耗应相差不多，其节能主要在于造粒和干燥方法。改善造粒工艺，是墙地砖厂进一步节能的举措之一。

其次，采用流化床喷洒造粒工艺制取墙地砖坯料，还可以降低厂房高度、节省占地面积、减轻劳动强度、坯料的水分含量和粒度可根据操作进行调节等优点。 参考文献

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