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节能型热风炉式喷雾干燥塔在制药行业中的应用分析

  冷胡峰  周友华  

熊  静  刘金萍

江中制药集团有限责任公司

江西 南昌 330096

 

 要:从高效间接热风炉的技术原理入手,阐述了其在喷雾干燥塔中应用的技术特点,对采用不同加热方式(热风炉加热与蒸汽+电加热)的喷雾干燥塔进行了效益分析,最后探讨了换热器与燃烧炉膛的材质选择问题。

关键词高效间接热风炉;喷雾干燥塔;原理;特点;效益;材质

 

0  引言

喷雾干燥是中药生产企业常用的干燥方法之一,传统的喷雾干燥设备采用蒸汽作为进风热源,蒸汽温度达140 ℃左右,再配备电辅助加热,将进风温度控制在180 ℃左右,此种方式对蒸汽和电的消耗比较大。而热风炉式喷雾干燥塔则通过燃烧器燃烧天然气产生热风,通过热交换对喷雾过程中所需要的进风进行加热,减少了产蒸汽的环节,且不需要电热补偿,大大降低了能耗。

本文立足企业现状,以解决实际问题为导向,率先选用节能型热风炉式喷雾干燥塔应用于制药行业中,对其技术应用进行论证分析。


1  技术原理

热风炉式喷雾干燥塔如图1所示。其利用深度换热技术,选用一体式高效间接热风炉。天然气经热风炉燃烧产生的热量,经高效换热器与过滤的洁净空气进行热交换,所得的洁净热风对物料进行喷雾干燥。热风炉排出的烟气热量又与洁净空气新风的进风进行换热,既可提高新风的进风温度,又可降低排烟温度。

传统的热风炉式喷雾干燥塔的热风装置结构多为直通式机构,即前端采用辐射套管,末端采用管式换热组件。燃料在燃烧筒内燃烧,燃烧后的烟气首先要经过一个辐射段(或混风室即直接兑入部分冷空气)把烟气温度降到400~500 ℃,再进入后一段的热交换器(可为列管式、热管式、板式等热交换器)。此种热风炉式喷雾干燥塔有如下缺点:大量的高位热能被浪费,被加热的洁净空气的温度上限同样受限;设备笨重,占地面积大,自身消耗钢材量大,且传热效率低下;在高温工况下,设备局部易超温,孔板处不可避免地受到应力作用,很难适用于高于350 ℃的工况。

高效间接热风炉是由燃烧炉膛与高效板式换热组件组合而成。燃烧炉体与辐射段传热一体化设计,采用波节筒设计的炉膛直接作为辐射传热的本体,不仅扩展了传热面积,强化了辐射段换热强度,还能有效解决高温工况下金属的热应力所致的焊缝拉裂问题。低温段则采用板式换热组件,介质过流部分全部采用不锈钢材质,具备良好的耐温性和耐腐蚀性,高温段采用S31008耐热不锈钢,最高可以耐温1 000 ℃以上,低温段采用S30408不锈钢,可以有效抵抗天然气烟气的碳酸低温露点腐蚀,整个装置结构紧凑,耗材量少,占地空间小,传热效率高。图2为高效间接热风炉原理图及示意图。


2  技术特点

节能型喷雾干燥塔采用的是一体式高效热风炉,其具有以下特点:

2.1  换热效率高

高效间接热风炉与耐高温板式换热器进行组合,最高可提供600 ℃以上高温、洁净热风,总体换热效率可高达94%以上。

2.2  排烟温度低

根据换热原理的不同,采用辐射换热与对流换热相结合的热能置换方式,在提供高温洁净空气的同时,最大限度地回收余热,降低排烟温度,排烟温度控制在105 ℃。

2.3  热风品质高

间接换热式热风炉,烟气与被加热气体(一般为空气)不直接接触,不会造成污染,可以满足很多行业对洁净热风的需求。

2.4  设备简单

热风炉是套筒和板式换热器的一体式组合,重量轻,结构轻巧,安装便利。


3  效益分析

3.1  经济效益

采用热风炉加热方式的喷雾干燥塔取代了蒸汽+电加热方式,在同等型号基础上,对两者节能效益进行比较,结果如表1所示,可见热风炉加热方式具有可观的经济效益。

3.2  品质效益

采用蒸汽+电加热方式时,蒸汽压力0.6 MPa左右,对蒸汽供压的稳定性要求较高。设备运行的启停、蒸汽管路泄漏等因素,易造成蒸汽供压不稳,即达不到所需的工艺温度,导致物料无法充分干燥,产生粘壁现象,造成物料损失。此外,收集的成品物料存在水分偏高现象,无法保障产品品质。

采用热风炉加热方式时,天然气燃烧产生的热量和空气进行热交换,空气供气稳定,工艺温度恒定,减少了物料粘壁、物料损失等现象,保证了产品品质。

3.3  社会效益

天然气燃烧通过充分的热交换利用之后,烟气排烟温度可控制在105 ℃,可完全解决天然气烟气带来的碳酸露点腐蚀问题,也无需再进行二次烟气热能回收,节约了投资热能回收所需投入的成本,从而减少了由于通过热能回收而不能消化利用所产生的一系列问题,具有节能环保的重要意义。


4  材质选择

4.1  换热器材质的选择

洁净新风通过和高效热风炉进行热交换,产生工艺所需求的热风,这对于换热器材质选择至关重要。目前市场上最常用的材质有碳钢(45)、不锈钢(304、316、310s)。

(1)45钢:冷塑性一般,退火、正火比调质时要稍好,具有较高的强度和较好的切削加工性,经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。同时,经调质处理后,其综合力学性能要优于其他中碳结构钢。

(2)304,国标06Cr19Ni10:在美国不锈钢标准(UNS标准)中牌号为S30400,是18-8型Cr-Ni奥式体不锈钢的典型牌号,304不锈钢作为一种用途广泛的钢,具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性、冲压弯曲等;热加工性好,无热处理硬化现象,无磁性,使用温度范围在-196~800 ℃。一般使用温度极限小于650 ℃。

(3)316,国标06Cr17Ni12Mo2:相对304而言,因添加了Mo,使其耐蚀性和高温强度有较大的提高,耐高温可达到1 200~1 300 ℃,可在严苛的条件下使用,在871 ℃以下的间断使用和在927 ℃以上的连续使用中,其具有良好的耐氧化性能。

(4)310s,国标06Cr25Ni20:是奥氏体铬镍不锈钢,具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性,因为较高百分比的铬和镍,使其拥有很好的蠕变强度,在450~900 ℃高温下能持续作业,具有良好的耐高温性能。

4.2  换热器可能存在的风险

4.2.1  挥发性

挥发性是指固体或液体变为气体或蒸汽的过程。Cr、Ni在不锈钢中作为合金元素加入,形成碳化物、氧化物等,形成的化合物沸点很高(1 000 ℃以上),表2为几种金属元素化合物沸点。由于换热器在400~425 ℃范围内工作,所以在正常使用情况下,Cr、Ni不具有挥发性。

4.2.2  溶解性

金属溶解通常是以阳离子的形式存在于溶液中。换热器在干燥高温的环境中工作,且不与药液直接接触,没有形成阳离子的条件,故不会溶解于药液中。

4.2.3  腐蚀性

不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于12%,而热风炉换热器的工作温度区间为400~425 ℃。45钢在此温度区间内,钢材内部趋向于回火屈氏体组织,硬度下降,抗冲击能力也随之下降。在停产或检修期间,由于45钢成分中Cr含量≤0.25%,Ni含量≤0.30%,因此不具有防锈蚀的能力。在南方潮湿的气候条件下,钢材形成Fe-C原电池反应,产生锈蚀,且表面容易被氧化形成氧化铁,氧化铁疏松吸水,加速锈蚀,在后期使用中,疏松的氧化铁容易脱落,可能会随着热风进入喷雾干燥塔中,从而对药品产生污染。因此,45钢不可用。而根据材质的特性,在此温度区间内,304、316、310s均能满足工作要求。

4.3  燃烧炉膛可能存在的风险分析

从前文所述可知,45钢不适合用来制作天然气燃烧室。304不锈钢在450~800 ℃条件下加热1 h以上就会产生渗碳(敏化),造成抗腐蚀性能下降。

图3为304不锈钢800 ℃断裂金相。304不锈钢棒在从常温加热至800 ℃中处理1 h,进行拉断破坏试验,由断裂口表面的金相图可知,晶间腐蚀区强度明显降低,断裂后形成缺口。    

相对于304而言,316则因为添加了Mo,在耐腐蚀性和耐高温性能上有了提高,但是由于Cr、Ni含量不高,在敏化温度(427~857 ℃)区间内,由于渗碳作用形成晶间腐蚀。奥氏体不锈钢通常从450 ℃开始蠕变,温度越高,强度越低,氧化腐蚀越严重。在强度降低的前提下,耐冲刷腐蚀的能力也下降得很快。

    310s不锈钢相对以上两者,成分中含有较高百分比的Cr和Ni。在达到奥氏体不锈钢的敏化温度后,材质中部分的Cr与C形成碳化铬,即便如此,材质固溶体中Cr的含量仍然高于12%,所以蠕变强度比304、316而言大得多,在450~900 ℃高温下能持续作业,具有良好的耐高温性能。

在间接燃烧加热器中,设备燃烧炉膛正常工作温度处于450~480 ℃范围内,由于设备一旦运转,将长期处于工作状态,304、316材质不能在此温度范围内工作,否则容易造成腐蚀,对设备产生危害。

4.4  材质的确认

通过上述分析,在热风炉的材质选择上,换热器采用304、316、310s材质均可,考虑到经济成本因素,推荐使用304材质。燃烧炉膛则采用310s材质为宜。


5  结语

在节能降耗、能源回收利用的大背景下,国家强制淘汰煤炭锅炉,改用天然气锅炉,蒸汽成本大幅提升。而热风炉式喷雾干燥塔取代蒸汽+电加热式喷雾干燥塔,是一个技术性突破,具有显著的节能效果。


作者简介:

冷胡峰(1986—),男,江西九江人,助理工程师

研究方向:

制药设备技术

 


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