氯化钙干燥造粒技术开发与实践论文.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 氯化钙干燥造粒技术开发与实践 摘要 氯化钙是一种大宗的基本化工产品。由于其用途的不断拓展，以 及国家大力推广循环经济，使我国氯化钙产量近几年有了飞速发展， 目前总产量已超过1 0 0 万吨。但氯化钙的干燥成型技术却远远滞后产 品发展的需要，因此这两年国内致力于氯化钙干燥成型技术的研究机 构和装备生产企业也越来越多，成为一个开发热点技术。论文通过对 氯化钙产品特性的分析，干燥造粒技术的讨论，提出了用流化床进行 氯化钙溶液一步法干燥造粒的技术方案。设计了年产4 0 0 0 吨颗粒状 无水氯化钙生产装置，并成功应用于实际生产。并用实际操作数据对 相关控制参数进行了分析讨论，为更大规模装置的设计和应用打下良 好基础。 氯化钙干燥造粒技术的开发目的，是使目前的初级产品能够达到 更好的质量，通过生产技术的改进，改变目前该产品低端竞争的局面， 实现产业升级，开拓国外市场，提高企业经济效益。论文综合利用热 力学、流体力学原理，结合化工生产实际工作经验，解决了氯化钙在 造粒过程中易结块、结壁，返料系统易堵塞的难点，巧妙设计了出料 管的布置和液体喷头的结构，使装置能够连续运行三十天以上不结 床，达到了较理想的效果。 关键词氯化钙，干燥，造粒，流化床 浙江工业大学硕士学位论文 t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o nf o r c a l ci u m c h l o r i d ed r y i n ga n dg r a n u l a t i o n a b s t r a c t c a l c i u mc h l o r i d e ( c a c l 2 ) i saw i d e l yu s e db a s i cc h e m i c a lp r o d u c t w i t hc o n t i n u e se c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nc h i n a ，t h ep o p u l a r i t ya n d a p p l i c a t i o n so fc a c l 2h a sg r o w nc o n t i n u o u s l ya n di t sp r o d u c t i o nq 婪虫逊 h a si n c r e a s e dd r a m a t i c a l l yi nr e c e n t l yy e a r s t h ec u r r e n tt o t a lo u t p u th a s d 峰似吖 e x c e e d e do n em i l l i o nt o np e ry e a r h o w e v e r , t h ed r y i n ga n ds h a p i n g t e c h n o l o g yi nc u r r e n tc a c l 2p r o d u c t i o np r o c e s si s s t i l lf a rb e h i n dt h e n e e d so fp r o d u c td e v e l o p m e n t t h e r ea r em o r ea n dm o r ec a c l 2 m a n u f a c t u r e r sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e sn o wf o c u s i n go nd e v e l o p m e n to f t h en e wd r y i n ga n ds h a p i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t ，w h i c hh a s b e c o m eac e n t e rp o i n to ft h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h r o u g ha n a l y z i n g t h ec a c l 2c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p a r i n gt h ev a r i o u sa v a i l a b l et e c h n i q u e s ， t h i sp a p e rp r e s e n t e dao n e s t e pd r y i n ga n dg r a n u l a t i o nm e t h o di n f l u i d i z e db e db yc a c l 2s o l u t i o n t h et e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e dt oa d e s i g no f4 0 0 0t o np e ry e a ra n h y d r o u sg r a n u l a rc a c l 2p r o d u c t i o np l a n t i i 浙江工业大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to fc a l c i u mc h l o r i d ed r y i n gt e c h n i q u ei st oi m p r o v e q u a l i t yo ft h e c u r r e n tr a wp r o d u c t s i m p r o v i n gt h e t e c h n o l o g yo f p r o d u c t i o np r o c e s sw i l lm i n i m i z et h em a r k e tc o m p e t i t i o na n dm a x i m i z e t h eu p g r a d ef o rt h er a wp r o d u c t s i tw i l la l s oh e l pt od e v e l o pt h e i n t e r n a t i o n a lm a r k e ta n di n c r e a s et h ep r o f i t so ft h ec o m p a n y u t i l i z i n g p r i n c i p l e so ft h e r m a la n df l u i dd y n a m i c sw i t ht h ep r a c t i c a le x p e r i e n c ei n t h ec h e m i c a li n d u s t r y , t h i sa r t i c l ep r o v i d e sas o l u t i o nf o rt h ed i f f i c u l t i e s t h a ta r ef r e q u e n t l ye n c o u n t e r e dd u r i n gt h ep r o c e s so fp a r t i c l ef o r m a t i o n t h ec o m m o np h e n o m e n ad u r i n gt h ep r o c e s sa r ef e e ds o l i d i f i c a t i o na n d s u r f a c ed e p o s i t i o nw h i c ho m e nb l o c k st h er e c y c l es y s t e m t h ea r t i c l e p r o v i d e sad e s i g nt h a ti su s i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft h ee f f l u e n tp i p i n ga n d l i q u i ds p r a yh e a d s t h ed e s i g ni ss h o w nt ob es a t i s f a c t o r y , w h i c hm a k e s t h es y s t e mt ob ea b l et or u nc o n t i n u o u s l yf o ro v e r3 0d a y sw i t h o u tt h e a b o v ep r o b l e m s ，：_ _ - - ，_ 7 1 一 k e yw o r d s ：c a l c i u mc h l o r i d e ，d r y i n g ，g r a n u l a t i o n ，f l u i d i z e d b e d i i i 浙江工业大学硕士学位论文 a a m n n p 么p q s v 符号说明 流化床空床横截面积，m 2 v m f 颗粒的浮力、重力和流体惯性v o 力之比 v t 除尘器进口高，mw 除尘器进口宽，mw l 固体氯化钙比热容，k c a l k g w 2 氯化钙溶解热，k c a l k g t 流化床、吸收塔直径e r a f 直径，r n口l 氯化钙产品颗粒直径，m 口2 母液测量流量，m 3 h 1 b 电机频率，h z 乍 每小时产量，k g ht l 重力加速度，9 8 m s 2t 2 床层高度、高度，mt 3 高度，m x 1 李森科准数 7 空气量，k g h ，m 3 h ：测量液位 y ( 料位) ，m 肛 旋流板叶片数也 流化数 步 布风板、筛板孔数 t ， 测量压力，m p ap 压力损失，瑚加h 2 0 a 需要的热量，k c a l h ；输送量，t l l 6 横截面积为，m 2 毒 速度，m s v t 临界速度，m s 流化速度，m s 沉降速度，m s 水蒸发量，k g h 氯化钙原始母液含水量， 氯化钙产品含水量， 测量温度， 临界流化空隙率 母液原始温度， 氯化钙产品出床温度， 颗粒氯化钙假比重，k g m 3 颗粒氯化钙真比重，k g m 3 进行床热风温度， 沸腾床排气温度， 吸收塔排气温度， 常温下空气湿含量，k g k g 干空气 空气的比重、粉尘重度，k g m 3 空气的运动粘度，m 2 s 动力粘度，k g f s m 2 开孔率 物料的填充系数 物料的平均速度，m s 物料的松散密度，t m 3 旋流板叶片仰角，o 板材厚度，姗 为塔板穿孔阻力系数 a b q q d d f f g g h h k l 浙江工业大学硕士学位论文 第一章前言弟一早月ui 本课题在浙江巨化新联化工有限公司内开发，该公司前身为衢化劳动服务公 司，七九年成立以来，一直有氯化钙这个产品。该产品主要利用巨化集团公司电 。化厂等下属企业的副产盐酸和巨化皇虿 鳆愿圭炻趣互过箍王塞的纽碴的石蕴 r y 刚v 石为原料，当时既解决了巨化副产盐酸和细碎石灰石的出路问题，又解决了部分 氦1 、 r u 巨化职工家属的就业问题，与巨化集团设立该企业( 大集体性质) 的初衷相符合。 随着企业的发展，该企业曾生产过复合肥、纯碱、锦纶短纤、酞菁蓝、三氯化磷、 三氯氧磷等产品，目前有氯化钙、化学试剂、氧甲基异脲、次氯酸钠等产品。作 者一九九四年至二o o 四年在该企业任总工程师，随着巨化氟化厂、巨圣公司、 复合肥厂等企业的投产，副产盐酸逐年增多，增至每年约 钙的生产规模受工艺和市场的限制，没有较大的扩大，因 而氯化 影响巨 化主装置运行的情况时有发生。当时的氯化钙生产工艺落后，产品质量差且不稳 定，劳动环境差，劳动强度大，生产岗位主要雇用临时工生产。存在的主要质量 问题有：由于是块状产品，容易破包，造成产品吸潮，含量下降；手工开放式、 间歇式生产，含量不稳定，杂质多。由于产品价值低，销售半径短，进入门槛低， 同业竞争激烈，企业连年亏损。为扭转这种局面，必须使产品向中高端发展，避 开低端市场的竞争。二o o o 年前后，已有巨化氟化厂从日本进口颗粒状氯化钙， 产品售价为每吨二万元，大大高于国内低档产品价格。后由于某种原因还买不到， 氟化厂提出能否由该公司开发满足其需求。同时，国外的融雪剂、中东的油田封 井、净水剂等用途都出现了增长，产品档次的提高使出口也成为可能。原来北方 一些碱厂的副产氯化钙由于成本低，通过海运大量销往南方的颜料行业、冷冻行 业，该企业明显感到受到挤压，产品销不出去，大量积压在仓库，多时达半年的 产量约二千多吨，由于氯化钙强烈的吸潮性，在库房放置二个月以上，氯化钙含 水量就会增加百分之一以上。会造成返工，增加包装材料和人工、能耗等成本。 针对国内低端氯化钙市场的激烈竞争，有些研究单位如天津化工研究设计 院、科学院山东分院山东天力干燥设备厂，以及国内生产厂家如青岛华东制钙等 厂家，也于九十年代末开始积极开发探索质量更稳定、使用更方便、装置现代化 的无水氯化钙生产方法。作者时任该公司总工，将颗粒状无水氯化钙、试剂氯化 浙江工业大学硕士学位论文 钙、食品级氯化钙作为开发目标，均已成功。为此开发任务，作者带领技术人员 仿效尿素造粒做过试验；带去氯化钙母液到无锡一喷雾干燥器厂做过试验，因颗 粒太细和喷嘴问题而放弃；到过中国科学院山东分院天力干燥研究所，该所在氯 化钙造粒研究中做了相当多的工作，其中试装置卧式喷雾流化床已有样机，但连 续性不够，经常要结床；还实地到天津碱厂，南京三普造粒装备有限公司做过调 研，也与国内该行业的一些专家进行过探讨。当时青岛华东制钙有限公司与天津 化工研究设计院合作，已建成一套颗粒无水氯化钙装置，但试车极不正常，又由 于技术保密因素，没有进行接触。正是由于以上背景，该企业选择由本企业技术 人员自主开发，该项目在二o o 二年开发成功，次年出口量达二千多吨，为生产 量的百分之五十以上，随后该企业又连续扩建了二套装置，总装置能力达一万二 千吨，取得了较好的社会效益和经济效益。 秽? 旃乒矽k 2 浙江工业大学硕士学位论文 第二章文献综述 目前流化床造粒技术在许多化工产品造粒过程中已得到广泛应用，荷兰 n s m 1 公司和日本t e c 公司早在2 0 世纪8 0 年代初就开发成功了大型尿素流化 床造粒装置，英国n i r o 公司也已将流化床造粒技术用于氯化钙、硫酸锌等化工 产品的造粒过程中【2 1 。国内在流化床造粒技术上的研究开发较少【2 】，特别是应用 于氯化钙的流化床喷雾造粒技术工业化成功的报道在近年才看到【3 】。 尽管如此，国内一些专家学者对流化床造粒的研究也做了大量的工作。浙江 工业大学杨阿三等流化床造粒过程层式生长的实验研究【4 】，对时间、床层温 度、流化气速对涂覆盖率的影响进行了实验；王可等流化床造粒的研究进展 【5 】对模型生长机理和造粒效率进行了研究；上海化工研究院姚礼炳对碳酸钾流化 床造粒进行了试验【6 】；内蒙古工业大学张东利等对流化床喷雾方式、温度、湿度 分布、颗粒循环等方面进行了研刭刀：浙江工业大学刘体锋等对流化床喷雾造粒 的颗粒强度进行研刭8 】；兰花科创的李海江对尿素造粒中生产控制与检修过程中 应注意的问题进行了实践总纠9 】；天津大学化工学院陈松等新型流化床造粒器 的研究( 2 1 ，对床型选择、造粒器气体分布板的设计以及造粒实验做了研究；天 津科技大学刘玲等对喷动流化床造粒也进行了实验研究【1 0 j 。涉及氯化钙造粒的研 究文献较少，江苏省盐业集团公司李昌东对此作过探讨【1 1 1 。当然，作者查阅的文 献有限，再加之颗粒氯化钙喷雾造粒工业技术的保密，使这方面的公开文献不多。 2 1 氯化钙产品概述 2 1 1 氯化钙的物理化学特性 氯化钙分子式c a c l 2 ，分子量1 1 0 9 9 ，一般为白色或灰白色多孔块状、粒状 和蜂窝状产品，无臭、味微苦。相对密度2 1 5 2 ( 实际容重o 7 左右) 。脱水温度 2 6 0 ，熔点7 8 2 ，沸点1 6 0 0 以上，性质非常稳定。吸湿性极强，暴露于空 气中极易潮解。易溶于水，同时放出大量的热。氯化钙在常温下结晶析出6 水物， 加热到3 0 时溶解。加热到1 7 0 c 时变为2 水物。 氯化钙有以下几个显著特点： 吸湿性：氯化钙暴露于空气中，能吸收空气中的水分，并使自身溶于水中。 浙江工业大学硕士学位论文 结晶性：当氯化钙溶液浓度大于其饱和值时，在不同温度下会析出6 水结晶 氯化钙、4 水结晶氯化钙和2 水结晶氯化钙。 高温性：氯化钙要在2 6 0 度以上温度才能把水脱除。 低温性：氯化钙水溶液冰点温度远低于水。 2 1 2 氯化钙用途简介 氯化钙的用途广泛，主要有： 1 、用作多用途的干燥剂、脱水剂，如各种气体和家用干燥剂。 2 、食品级氯化钙可作为食品添加剂，用作罐头、豆制品的凝固剂、钙质强 化剂等。 3 、用作港口、机场、道路的消雾剂、冬季除雪、除冰。 4 、用于矿山、港口防除煤尘、矿尘。 5 、大量用于石油钻探、钻井工作液、完井液、石油化工脱水剂。 6 、橡胶行业乳胶凝结剂。在有机化工生产过程中用作蒸馏石油、醚醇兑剂。 7 、黑色冶金工业氯化钙还可用作铝镁冶炼的保护剂、精炼剂。 8 、用作造纸工业添加剂。织物防火剂。 9 、氯化钙能加速混凝土的硬化和增加建筑砂浆的耐寒能力，是优良的建筑 防冻剂。 1 0 、化学工业作无机化工原料及硫酸根脱除剂，藻酸钠的凝固剂。 l l 、其水溶液是制冷机的主要载冷剂。 1 2 、用于防治小麦、苹果、白菜等腐烂病及食品防腐剂。 1 3 、用六水物作太阳能利用的贮热材料，用于炼油厂废水中氟化物的脱除及 纸张脱墨，在农业是钙养分的主要资源。 1 4 、生产有机颜料的沉淀剂和助磨剂。 1 5 、生产金属钙、金属钠的主要原料。 2 1 3 氯化钙来源及生产方法 氯化钙生产有纯碱废液回收法，氯酸钾废液回收法，羟基氯化钙法，磷酸氢 钙废液回收法，盐酸合成法等。随着国家对环境保护力度的加大，循环经济技术 的进步，以及氯化钙应用领域的拓展，氯化钙产业这些年有了长足发展。 4 浙江工业大学硕士学位论文 在氨碱法生产氯化钙过程中，其最后的蒸氨残液主要成份是氯化钙和氯化 钠，基本上每生产一吨纯碱就要产生一吨氯化钙。以前基本上都排入大海，对海 洋环境造成了很大污染。目前国内几大碱厂在用制碱废液生产氯化钙方面都投入 很大的力量进行攻关，也引进了一些国外先进技术，在氯化钙废液回收利用方面 取得了很好成效。随着我国氟化工、精细化工、复合肥工业的发展，产生了大量 的副产盐酸。这些副产盐酸也有很大一部分由于找不到出路而用于生产氯化钙。 如巨化集团公司，每年要产生2 0 万吨副产盐酸，除用于聚氯乙烯和氯磺酸生产 外，还有近一半用于氯化钙的生产。目前国内氯化钙总产量已超过1 0 0 万吨，如 山东海化一家企业就超过了3 0 万吨。 氯化钙生产技术近几年发展很快，特别是一些引进技术的采用，对国内生产 技术的提升起到很大促进作用。氯化钙生产技术主要由二部分组成，首先是氯化 钙母液的合成或精制，相对来说盐酸合成法产品其内在质量一般要高于副产母液 精制法。第二部分是氯化钙的干燥成型技术，过去大厂产品主要以结晶片状为主， 把氯化钙溶液经过多效蒸发，除去杂质，再通过升、降膜蒸发，使溶液达n - 水 浓度，用结片机进行冷却结晶切片，再经干燥机烘干后得到含量为7 4 - - 7 7 的氯化钙。而一些小厂( 现大部分仍是这样) 则主要以不规则结晶块状和无水块 状为主，在大锅上用炉火把氯化钙溶液蒸发至17 0 c ，然后趁热放出，在没有完 全固化冷却前，把结晶搞成小块状等冷却后进行包装结晶产品，或放入高温烘箱 继续脱水，成为无水块状产品。近几年粉状、结晶粒状、无水粒状产品均相继问 世，产品质量档次有了明显提高。 一 2 2 常用的干燥造粒技术 干燥、造粒作为化工生产的基本操作单元，其方法多种多样，形式也各有不 同。特别是改革开放，对外交流的深化，我国在干燥造粒方面新工艺、新技术、 新设备、新材料得到广泛使用，装置向大型化、专业化、精细化发展，最终产品 主要以粉状、颗粒状为主。由于氯化钙的吸湿性，把其加工成粉状产品，对包装、 贮存、运输、使用都带来诸多不便，除非特殊要求，一般较少使用。颗粒产品流 动性好，包装、自动计量配料十分方便，粉尘少，有利于使用环境与操作条件的 改善，是未来发展方向。本设计主要研究颗粒产品。产品造粒主要有以下方法： 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 1 搅拌造粒法 搅拌法造粒是将某种液体或粘结剂渗入固态细粉末中并适当地搅拌，使液体 和固态细粉末相互密切接触，产生粘结力而形成团粒。最常用的搅拌方法是通过 圆盘、锥形或筒形转鼓回转时的翻动、滚动以及帘式垂落运动来完成。根据成型 方式又可分为滚动团粒、混合团粒及粉末成团。典型的设备有造粒鼓、斜盘造粒 机、锥鼓造粒机、盘式造粒机、滚筒造粒机、捏合机、鼓式混料机、粉末掺合机、 落幕团粒机等。搅拌法的优点是成型设备结构简单，单机产量大，所形成的颗粒 易快速溶解、湿透性强，缺点是颗粒均匀性不好，所形成的颗粒强度较低。多适 用于选矿业、化肥、精细化工、食品等领域。 2 2 。2 沸腾造粒法 沸腾造粒法在几种方法中效率最高。其原理是利用从设备底部吹入的风力将 粉粒浮起与上部喷枪喷出的浆液充分接触后相互碰撞而结合成颗粒。用此种方法 生产出的颗粒较为疏松，真球度及表面光洁度都较差，适于制造要求不高的颗粒 或为其它制剂做前期加工。该方法即在沸腾造粒筒的下部中央配置一小直径的芯 筒或称隔离筒，将底部热风通风孔板的通风面积分布为中心大四周小而形成中心 热风流量大于四周的状态。在不同风力的作用，颗粒在筒中从芯筒中间上浮与装 在底部中央的喷枪喷出的粘结剂接触，再与上部落下的粉料粘结后由芯筒外部沉 降下来，形成颗粒的上下循环流动，达到使颗粒均匀长大的目的。 2 2 3 喷雾干燥造粒法 喷雾干燥法是将浓缩的浆液通过喷嘴或离心转盘喷出形成微小液滴，在高温 热风的作用下，水分迅速蒸发形成干燥颗粒。此种方法生产出的颗粒带有水分蒸 发时留下的空隙，同样比较疏松，虽然可以连续生产，但产量较低，而且设备庞 大，同时需要前期萃取、过滤、浓缩等一系列处理设备配套。此种方法适于制造 速溶类食品或中药制剂。 2 2 4 压力成型造粒法 压力成型法该法是将要造粒的粉体物料限定在特定空间中，通过施加外力压 6 浙江工业大学硕士学位论文 紧为密实状态。根据所施加外力的物理系统不同，压力成型法又可分为模压法、 挤压法和挤出滚圆造粒法。该法也是从粉体做起，不适合氯化钙造粒。 典型的模压法设备有重型压块机、台式压榨机、混凝土块压制机、压砖机、 重型制片机等。其优点是可制造较大的团块，所制成的物料也有相当的机械强度， 缺点是设备的适用范围较小，对有的物料不易脱模。这类设备多用于建筑、制药 等领域。 挤压法是目前我国粉体工业中压力成型法造粒的主要方法。挤压法造粒设备 根据工作原理和结构可分为真空压杆造粒机、单( 双) 螺杆挤压造粒机、模型冲 压机、柱塞挤压机、辊筒挤压机、对辊齿轮造粒机等。这类设备可广泛适用于石 油化工、有机化工、精细化工、医药、食品、饲料、肥料等领域。该法具有适应 能力强、产量大、粒度均匀、颗粒强度好、成粒率高等优点。 挤出滚圆造粒方法是先将湿团状药物通过筛板挤成条状，切断形成棒状小 粒，然后在离心盘中滚成圆粒。此方法简单实用效率较高，颗粒密度大，颗粒真 球度和表面光洁度取决于转盘的转速和滚圆的时间，稍有凸凹现象。是一种较为 理想的高密度颗粒制造方法。 2 2 5 喷雾和分散弥雾法 喷雾和分散弥雾法是在特定设备中，使处于高度分散状态的液相或半液相物 料直接成为固体颗粒。这种造粒设备有喷雾干燥塔、喷雾干燥器、造粒塔、喷动 床和流化床干燥器以及气流输送干燥器等。这种喷雾和分散弥雾造粒法的共同特 性为：液态进料必须是可用泵输送的和可弥散的：造粒过程通常应为连续、自动 化的以及大规模的操作；造粒系统必须设计成能回收或循环使用料末，以解决物 料的磨损消耗和粉末夹带现象；产品粒度一般限制在5 毫米以下。这类设备的优 点在于物料的造粒过程和干燥过程同时进行。该设备可广泛应用于制药、食品、 化工、矿业以及陶瓷工业等。其缺点是颗粒强度较低，粒度较小。目前这类设备 可制备的颗粒直径可小到5 0 - - 5 0 0 微米，甚至更小，产量最大的可超过3 0 吨 小时( 如尿素造粒塔等) 2 2 6 热熔融成型法 热熔融成型法是利用产品的低熔点特性( 一般低于3 0 00 c ) ，将熔融物料通 7 浙江工业大学硕士学位论文 过特殊的冷凝方式，使其冷凝结晶成所要求的片状、条状、块状、半球状等形状。 根据成型设备工作原理，主要可分为转鼓结片机和回转冷带落模成型装置。 转鼓结片是一个冷却结晶过程，料盘中熔融料液与冷却的转鼓接触，在转鼓 表面形成料膜，通过料膜与鼓壁间的热交换，使料膜冷却、结晶，结晶的料膜被 刮刀刮下，成为片状产品。转鼓结片机具有设备紧凑，转鼓精度高，冷却效果好， 适用范围广，既可结片又可干燥等优点，可广泛应用于石油树脂、聚乙烯低聚物 等高分子类产品以及苯酐、顺酐、高级脂肪醇等有机化工产品的生产。转鼓结片 机在我国粉体工业中的应用已较普遍，技术也较成熟。 回转冷带落模成型装置采用薄钢带传热和雾化喷淋冷却，传热效果好，冷却 效率高，物料固化成型快，物料适用范围广，可生产半球状、条状、块状、薄片 状等多种形状的产品。采用布料器与钢带双调速驱动装置，可根据生产能力及物 性参数调节，易实现自动控制；整个生产过程无污染，产品纯度高，无杂质带入， 易实现连续化作业；由于钢带在卸料端的换向弯曲，使固化料层与钢带的贴合面 分离，因此卸料时粉化少，卸料容易，颗粒形状易于保持。 2 2 7 高塔冷凝造粒 氯化钙冷凝造粒是一种典型的熔融液造粒，是从喷雾造粒派生出来的一种工 艺方法，设备及工艺流程与喷雾造粒有许多相似之处，两者都是将料液通过喷头 分散为雾滴或液滴，在干燥器内漂浮状态下与空气换热成固体产品。但喷雾造粒 用气体多为加热的热空气，而熔融造粒用的是冷空气；喷雾干燥造粒有传质过程， 有挥发物蒸发，而熔融造粒几乎没有传质过程：喷雾造粒粒子直径有变化，而熔 融造粒粒子直径几乎无变化，粒径很均匀；喷雾造粒粒径较小，且多为空心，熔 融物造粒可实现大粒径，为实心颗粒，一般强度较高。 2 3 氯化钙干燥造粒技术现状 目前氯化钙干燥造粒技术现状，主要采用沸腾床( 流化床) 的造粒方式，这 种方法有关高校院所研究相对较多，也已有一些工业化的装置，细节上不尽相同， 处于起步阶段，有很多地方需要进一步研究优化；喷雾造粒法在氯化钙生产的应 用上局限在小颗粒或食品级氯化钙。工业化成功的装置有浙江巨化新联化工有限 公司、衢州大成钙业有限公司、连云港润泰化工有限公司、潍坊宏远化工有限公 8 浙江工业大学硕士学位论文 司、青岛华东制钙有限公司等。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第三章氯化钙干燥造粒装置开发设计 3 1 氯化钙干燥造粒技术选择 3 1 1 氯化钙干燥造粒技术选择分析 对氯化钙干燥造粒技术的选择必须充分考虑其物料特性及气候条件，否则会 给实际生产过程带来很多麻烦，无法达到长周期稳定生产。 由于氯化钙极易吸潮，如果氯化钙先做成粉状再进行造粒，一方面操作环境 会很差，另一方面也不经济，所以搅拌造粒法和压力成型法不适合氯化钙的生产。 喷雾干燥造粒法只适合生产微小颗粒的产品，而且设备庞大，热效率低，不 宜采用。 热熔融成型法中的转鼓结片机在结晶氯化钙生产中已大量使用，技术成熟。 但这种设备只能生产片状产品，容易破碎。如果要做成无水产品还必须再加热干 燥，存在加热蒸发、冷却结晶、再加热干燥的过程，能耗较高。现在市场上很多 所谓颗粒氯化钙产品实际上是小片状产品，颗粒形态差，流动性差。 热熔融成型法中的钢带冷凝造粒也是这几年推广比较快的一项技术，产品形 态一致，特别适合于熔点低，不易吸潮的产品生产。对结晶氯化钙生产的适用性 我们也进行过试验，主要存在二个问题：一是二水氯化钙溶液在常压下保持较好 流动性的温度区间很小，分布器容易堵死；二是钢带上容易粘有残余氯化钙，吸 潮后使钢带变湿，必须处理后才能继续生产。总的来说控制要求高，长周期生产 有较多问题。 高塔冷凝造粒最早应用于尿素造粒，在国外有用于结晶氯化钙造粒的装置， 产品形态较好。国内现已有基本成熟的国产化技术，但实际应用的还不多。山东 海化、唐山三友等知名企业都是引进国外成套装置与技术进行规模化生产，投资 较大，需要有强大的经济实力。我们是国内最早对这项技术进行氯化钙生产研究 的，在十年前就进行过试验，拿出的颗粒样品。通过试验发现，这种造粒技术对 氯化钙的生产还是有较大难度的：一是造粒塔必须在3 0 米以上，检修操作很不 方便；二是对喷头的要求非常高，很容易堵，这也是技术的关键；三是对管路、 泵等必须用导热油等高温介质进行保温，一旦出现突然停电等情况，对喷头、管 浙江工业大学硕士学位论文 路的后续处理比较麻烦；四是南方空气湿度较高，气温较高，难以做到全年生产， 否则会增加较多成本。高塔冷凝造粒主要用于结晶氯化钙等的生产，产品还需再 经流化床等的干燥，才能得到无水产品，生产流程长、能耗高。 流化床由于具有传热效果好、温度分布均匀、操作灵活、物料停留时间可调、 投资少等特点，在物料干燥领域已得到广泛应用。用流化床进行造粒也已经引起 人们的广泛关注，它的一个突出特点是集造粒、混合、干燥于一体，与其它传统 造粒方法比，具有工艺流程简单、设备装置紧凑、投资少、生产强度大优点。而 且所得到的产品无灰、无块、流动性好。 目前已申请的有关流化床造粒的专利中，主要有喷动床造粒、卧式流化床造 粒、转鼓流化床造粒等，其中有些已应用于粒状氯化钙生产。但这几种生产方法， 均需要补充额外的晶种；而且进造粒设备时的母液浓度均要求较高，因此需要加 另外的蒸发浓缩装置；喷头数量较多，喷头需停产才能更换。可见辅助设备多， 操作比较麻烦。沸腾床( 塔) 造粒也有部分专利，都为上喷头、侧出料，同样存 在上述缺陷。国际上以挪威海德鲁公司的流化床造粒技术( 喷嘴安装在床底向上 雾化) 和日本东洋公司喷动流化床技术最具代表性，在大颗粒尿素和硝酸钾等产 品的生产中已得到应用。 本开发设计决定采用沸腾床( 流化床) 的干燥造粒的基本原理，采取侧喷料、 中心底部出料、立式结构的全新形式进行颗粒状无水氯化钙的生产。 3 1 2 氯化钙干燥造粒的难点 为保证氯化钙干燥造粒装置的高效、连续、稳定运行，必须考虑和解决以下 难点问题： 难点一：氯化钙要在2 7 0 。c 以上温度才能脱成无水，因此干燥热风温度要高。 一般的热风炉只能产生3 0 0 多度的热风，无法满足生产的需要，就是能生产，系 统热效率也是很低的。 难点二：氯化钙在造粒过程中极易结块、结壁。我们采用的是沸腾喷雾涂层 造粒，为使造粒过程中不结块、结壁，必须保证造粒塔内的物料在沸腾状态，由 此进沸腾床筛板的风速、风温、床层高度都是极为重要的设计控制参数；同时， 喷头的雾化效果及喷射角度也是极为关键的，这就要设计合理的气液比，喷头结 构。 ，1 浙江工业大学硕士学位论文 难点三：出料形式。大多数造粒设备都是间隙出料的，本开发设计要实现既 能连续又能间断出料，并能保证产品的含量和颗粒度。 难点四：喷头更换形式。现有流化床干燥造粒装置喷头都是装在布风板或流 化层上部，而喷头难免是要更换的，必须停车更换，损失很大。本开发设计要解 决喷头可随时进行更换问题。 难点五：除尘返料系统容易结死，造成生产不正常。生产过程有部分氯化钙 粉尘被气流带走，必须加装旋风分离器，由于造粒塔内压力高于旋风分离器内压 力。如何把细粉返回造粒塔内，也是一个较难解决的问题。 难点六：尾气的除尘问题。氯化钙粉尘极易吸潮，用布袋除尘器出现不正常 时容易堵死，根本无法使用，而且风温太高( 可能会超过2 0 0 度) ，布袋也承受 不了。 难点七：设备腐蚀问题。氯化钙在高温，有水，有空气的情况下对金属的腐 蚀相是当强的。在系统设计时就予高度重视。 3 2 氯化钙干燥造粒装置设计 3 2 1 设计原则、标准和规范 氯化钙干燥造粒装置设计应坚持使整个系统具有先进性，实用性，安全可靠 性，环保性和节能性原则。 1 先进性 保证所采用的设备和技术处于国内领先地位，整套装置布局合理，自动化程 度高，操作环境舒适。 2 实用性 可调范围大，能满足不同原料，不同规格产品的生产。 3 安全可靠性 装置所采用的设备均具有较高的安全可靠性，系统配置、连锁完善，在突发 事故隋况下，能保证人身和设备的安全。 4 环保性 装置生产过程中“三废 排放要达到环保要求，生产现场要达到国家职业卫 生要求。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 5 节能性 当今世界节约能源己成为一个全球性的共识，如何充分利用好能源，使其发 挥最大的效能是任何设计所必须追求的。 装置设计所涉及的设计标准和规范主要有： ( 1 ) 中华人民共和国环境保护法 ( 2 ) 环境空气质量执行环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中三级标准。 ( 3 ) 水环境执行地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中类水标准。 ( 4 ) 污水排放执行污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) 一级标准。 ( 5 ) 环境噪声执行城市区域环境噪声标准( g b 3 0 9 6 9 3 ) ，厂界噪声执行工 业企业厂界噪声标准( g b l 2 3 4 8 9 0 ) 中类标准。 ( 6 ) 巨化集团公司污染物排放标准 ( 7 ) g 劭1 6 8 7 建筑设计防火规范( 2 0 0 1 版) ( 8 ) g b j l 4 0 - - 9 0 建筑灭火器配置设计规范 ( 9 ) 工业企业设计卫生标准( g b z l - - 2 0 0 2 ) 3 2 2 工艺流程描述 根据对干燥造粒方法的分析选择，结合氯化钙物料的特性，初步确定采用以 下方案进行氯化钙干燥造粒：从氯化钙反应工段来的氯化钙母液，经精制除杂后 送入循环槽，再由泵打到吸收塔对旋风分离器来的高温尾气进行洗涤，回收尾气 中的氯化钙粉尘及热量，使氯化钙母液得到浓缩；经浓缩的氯化钙母液泵入高位 槽，再进入沸腾床，在压缩空气和高温热风的作用下，进行涂层与附聚造粒，生 成颗粒状无水氯化钙，再经筛分成为产品。 浙江工业大学硕士学位论文 母 煤 高温尾气 空气煤渣空气 图3 1 流程框图 懈删产硼舳榭煳 酬 图3 - 2 流程简图 整个工艺由以下几大流程组成： 一、烟气流程 煤在燃烧炉内与空气中的氧气进行燃烧反应，产生高温烟气，经高温除尘后 进入换热器与空气进行热交换，出来的低温烟气再经除尘，送烟囱高空排放。 本流程的作用是提供用于干燥造粒所需高温热风的能量来源。 二、空气流程 本流程是整个工艺的核心流程。空气经除尘后，由高压风机送入换热器与高 温烟气进行热交换，输出高温热风。再进入沸腾床布风室，经布风板进入干燥造 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 粒区，与氯化钙进行热交换，带走其中的水分。高温含尘尾气进入旋风分离器， 经离心分离后的高温尾气再进入吸收塔，与循环母液进行传质换热除尘，再经除 沫后高空排放。 本流程的作用是提供用于氯化钙干燥造粒所需高温热风，并对尾气进行处 理，以达到排放要求。 三、物料流程 原始氯化钙溶液经除杂处理后送入循环槽，再用泵打到吸收塔，对造粒高温 尾气进行洗涤与热交换，使氯化钙溶液浓度和温度得到提高。用泵打到高位槽， 利用高位槽的压差把氯化钙溶液压入雾化喷头，喷入沸腾床，与床内的颗粒物料 进行涂层与附聚造粒，大颗粒物料被排出，以振动输送机进行出料速度控制与冷 却后，由提升机送到振动筛分机进行分级处理，流入成品槽，再经计量包装得到 不同规格的产品。 本流程的作用是对原始母液进行提浓，并经干燥造粒后得到产品。 四、压缩空气流程 该流程是一个辅助流程，由双螺杆压缩机产生压缩空气，经储气罐和分配台，一路送入 雾化喷头，对氯化钙母液进行分散雾化，使之均匀地喷涂到沸腾床内的氯化钙颗粒上，使颗 粒不断长大。另一路送到文丘里返料器，把从旋风分离器分离下来的粉料返送到沸腾床的料 层内，作为造粒晶种。 3 2 3 物料衡算和热量衡算 一、基础数据 l 、物料 氯化钙原始母液含水量：w l 6 5 ( 浓度3 5 ) 氯化钙产品含水量：、砚 2 ( 产品含量9 8 ) 母液原始温度：0l 2 9 8 k ( 2 5 ) 氯化钙产品出床温度：0 ：5 7 3 k ( 3 0 0 c ) 氯化钙产品颗粒直径：d p 0 0 0 1 - - 0 0 0 6 m ( 1 - - 6 r a m ) 固体氯化钙比热容：c p 6 0 0 k 时1 8 8 3 7c a l m 0 1 k 【1 2 1 ( p 6 7 ) ( o 1 7 k c a l k g ) 氯化钙溶解热：c l - - 1 7 9 9 k c a l m o l 1 2 1 ( p 6 7 ) ( - - 1 6 2k c a l k g ) 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 颗粒氯化钙假比重：7 0 0k g m 3 ( 测定值) 颗粒氯化钙真比重：1 2 0 0k g m 3 ( 估计数) 2 、干燥介质( 空气) 进床热风温度：t l6 5 3k ( 3 8 0 ) 沸腾床排气温度tt 2 4 2 3k ( 1 5 0 ) 吸收塔排气温度tt 3 3 5 3k ( 8 0 ) 常温下空气湿含量：x 10 0 1 6k g k g 干空气( 2 5 c ，相对湿度8 0 ) 1 3 】( p 2 5 ) 空气在2 0 时的比重：m 1 1 6 4k g m 3 1 2 1 ( p 9 1 7 ) 空气在8 0 c 时的比重：0 9 6 8k g m 3 1 2 1 ( p 9 1 7 ) 空气在1 5 0 时的比重：7 2 0 8 0 9k g m 3 t 1 2 】( p 9 1 7 ) 空气在3 8 0 时的比重：m0 5 2 4k g m 3 1 2 1 ( p 9 1 7 ) 空气在8 0 c 时的运动粘度：矽32 1 7 0 1 0 。6 m 2 s 【1 2 】( p 9 1 7 ) 空气在1 5 0 。c 时的运动粘度：1 , 22 9 6 0 1 0 2 s t l 2 】( p 9 1 7 ) 空气在3 8 0 。c 时的运动粘度：矽16 0 9 1 0 巧m 2 s 【1 2 1 ( p 9 1 7 ) 3 、无烟粉煤热值5 5 0 0k c a l k g( 生产用煤) 二、物料衡算 1 、生产1 吨9 8 的颗粒氯化钙所需母液量9 8 * 1 3 5 = 2 8 吨 2 、生产1 吨9 8 的颗粒氯化钙所需蒸发的水量2 8 1 = 1 8 吨 水1 8 t 原始母液3 5 2 8 t 图3 - - 3 物料衡算 产品9 8 1 t 三、热量衡算 年产4 0 0 0 吨氯化钙干燥造粒装置，确定计算日产量为1 3 5 吨。 1 、水蒸发量 每小时产量g 2 = 1 3 5 2 4 = 0 5 6 3 t h = 5 6 3k g h 水蒸发量w = 1 8 木0 5 6 3 = 1 0 1 3t h = 1 0 1 5k g h 2 、消耗热量( 本计算参照文献2p 1 3 7 实例进行) 蒸发水消耗的热量 q 1 = w ( 5 9 5 + 0 4 7 * t 3 口1 ) = 1 0 1 5 ( 5 9 5 + 0 4 7 术8 0 - - 2 5 ) - - 6 1 7 1 0 5 k c a l h 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 加热物料消耗的热q 2 = g 2 木c d ( 0 2 - - 0 1 ) - - 5 6 3 宰0 1 7 ( 3 0 0 - - 2 5 ) = o 2 6 1 0 5k c a l h 成品氯化钙溶解热q 3 = 5 6 3 1 6 2 = o 9 1 1 0 5 k c a l h 干燥氯化钙用的有效热量q 4 = q i + q 2 + q 3 = 7 3 4 宰1 0 5 k c a l h 干燥时所损失的热量q 5 - - q 4 * 1 5 = 1 1 0 宰1 0 5 k c a l h 干燥氯化钙用的总热量q = q 4 + q 5 = 8 4 3 奎1 0 5 k c a l h 干燥消耗总热量 8 4 3 1 0 5 k c a l h 蒸发水消耗的热量 1 1 0 1 0 5k e a l h 图3 4 热量衡算 3 、干燥物料所需的气量l 干 ( 1 ) 进床热风温度为3 8 0 。c 时 化钙带出的热量 1 7 1 0 5k c a l h l 千= q c x l ( t r t 3 ) = 8 4 3 1 0 5 0 2 6 ( 3 8 0 - - 8 0 ) = 1 0 8 1 0 4 k g h 其中，空气湿比热c 。1 c x l = o 2 5 2 + 0 4 7 宰x i = 0 2 5 2 + 0 4 7 木0 0 1 6 = 0 2 6k c a l k g 折成标准状态( 2 0 c ) 的空气量l = l 干心= 1 0 8 1 0 4 1 1 6 4 - - - 9 2 7 8m 3 h 风机手册标准状态的空气密度为1 2 则l = 1 0 8 1 0 4 1 2 = 9 0 0 0m 3 h 在1 5 0 。c 时的空气量l = l 干他= 1 0 8 1 0 4 0 8 0 9 = - 1 3 3 5 0m 3 h 在3 8 0 * c 时的空气量l = l 咖= 1 0 8 1 0 4 0 5 2 4 = 2 0 6 1