催化劑霧化器故障及改進

王玉平 尹財貴 蘆周紅

(中國石油蘭州石化設備維修公司)

中國石油蘭州石化公司催化劑廠一套微球、兩套微球、全白土這3套裝置都是直接出產品的生產裝置，生產中的關鍵工藝設備是噴霧干燥器。噴霧干燥器的主要部件為干燥室、壓力霧化器和附屬設備。催化劑物料通過壓力霧化器形成液霧，在干燥室的熱風下均勻烘烤干燥，液霧形成形體基本相同、有規則分布的微小顆粒，干燥后的物料經過新鮮冷水的冷卻，去除雜質，再輸送到水平帶式過濾機壓濾，成為最終合格的產品。壓力霧化器在3套成品生產裝置上的使用數量共達18個，長期以來由機修五車間負責購置加工。

1 壓力霧化器結構及工作原理

壓力式霧化器也稱壓力式噴嘴或機械式噴嘴，由液體切向入口、液體旋轉室和噴嘴孔組成，其結構和工作原理如圖1所示。它利用高壓泵將液體壓力提高到1.96～19.60MPa，高壓液體沿切向入口進入旋轉室中，液體在旋轉室內做旋轉運動，旋轉半徑與旋轉速度成反比，愈靠近軸心，旋轉速度愈快，其靜壓則愈小，在噴嘴軸心形成一個低壓旋流，使噴出液體成為一個繞軸線旋轉的環形液膜，液膜向前運動時，逐漸伸長變薄，最后分裂成小霧滴，形成空心圓錐形液霧[1]。

圖1 壓力式霧化器結構和工作原理示意圖

2 霧化器使用現狀

霧化器是噴霧干燥裝置中的關鍵部件，它決定產品質量的優劣。中國石油蘭州石化公司催化劑廠使用的壓力式霧化器主要由噴嘴、旋轉體、密封墊組成，噴嘴和旋轉體都是芯體和套的組合結構。外購旋轉體芯體和噴嘴芯體毛坯件，通過電火花機床穿孔，加工出孔徑φ2.1～3.0mm的噴嘴和孔徑為φ2.6、φ2.8mm的六孔或八孔旋轉體，噴嘴孔大小與高壓泵出口壓力、粒度和固含量有關，直徑一般為φ2.4、φ2.5mm。旋轉體小孔數量和傾斜角度也由生產工藝要求確定，小孔數一般為六孔，傾斜角度為30～40°，電火花穿孔具有孔壁光潔度高、孔不易堵塞及精度良好等優點[2]。不銹鋼噴嘴套和旋轉體套由車工加工，按照硬質合金噴嘴和旋轉體芯體的外徑尺寸，對不銹鋼套的內孔尺寸進行精加工，與打好孔的噴嘴和旋轉體芯體配對，然后加熱組裝，形成組合件，最終交付生產裝置使用。

這種組合結構的噴嘴和旋轉體加工程序繁瑣，加工難度大。在生產現場10MPa以上的壓力下，噴嘴套和旋轉體套邊緣沖擊磨損嚴重，導致催化劑產品不合格，需整套更新備件后方可繼續生產。噴嘴和旋轉體更換頻繁、消耗量大，在使用過程中發現噴嘴套和旋轉體套損壞嚴重，芯體卻完好無損，又造成了芯體的嚴重浪費。

3 原因分析

霧化器組件必須是耐磨損材料，現用噴嘴損壞頻繁主要有以下幾個方面的原因:

a. 霧化器承受壓力高。進入霧化器的物料壓力約為高壓泵出口壓力，達到11～13MPa，這一高壓必須由腔體直徑僅為18mm的霧化器承受。霧化器是連續作業部件，不間斷使用造成其組件噴嘴和旋轉體磨損嚴重。另外，霧化器小孔在物料不均勻時易被堵塞，使噴霧系統的壓力急劇升高，縮短噴嘴和旋轉體的使用壽命。

b. 介質固含量高、腐蝕性強。催化劑物料中的固含量高，達到28%～35%，而且物料中含有多種酸堿成分，這一工況條件對霧化器造成沖刷和腐蝕，加速其損壞。

c. 噴嘴和旋轉體的兩體組件材料不同。噴嘴和旋轉體的芯體為硬質合金，常用型號YG6，硬度高，熱硬性好，耐磨性優良，有較好的耐蝕性和抗氧化性，熱膨脹系數小，其機械性能見表1[3]。金屬材料的硬度越高，耐磨性越好。YG6硬質合金芯體洛氏硬度不低于89.5HRA，而不銹鋼套硬度為布氏硬度小于200HB,兩者硬度相差5倍以上，受到高壓時，由于材料不同，壓力更易沖擊承受高壓能力較差的不銹鋼噴嘴套和旋轉體套，導致其在數小時內嚴重損壞。噴嘴套和旋轉體套材料為常用的1Cr13不銹鋼，具有較高韌性、塑性、良好的耐蝕性，但硬度較低，耐磨性較差，其力學性能見表2。

d. 組合件存在缺陷。噴嘴和旋轉體為芯體和套的組合件，芯體和套之間存在一定間隙，成為高壓沖擊的薄弱點。

表1 我國模具硬質合金牌號化學成分與力學性能

表2 1Cr13不銹鋼的力學性能

4 技術改進

噴嘴承受高壓、介質固含量高、腐蝕性強是工藝條件要求，不能改變，需從霧化器材料和結構方面著手進行技術改進。噴嘴和旋轉體芯體材料為硬質合金，硬質合金具有良好的耐磨、耐腐蝕性能，在催化劑霧化器上有良好的應用效果。因此，將不銹鋼噴嘴套和旋轉體套材料也改進為硬質合金完全可行，同時，將噴嘴和旋轉體的組合結構改為一體結構，車間購置的毛坯件只需電火花機床打孔一道工序便可完成霧化器的加工生產，簡化了生產工藝。改進后的霧化器噴嘴和旋轉體如圖2所示。

a. 噴嘴 b. 旋轉體

改進后的噴嘴和旋轉體，先在催化劑廠一套微球裝置噴霧干燥器上進行了試驗，取得了良好的使用效果，進而推廣到催化劑廠兩套微球和全白土裝置，獲得了預期效果。此后，生產裝置開始全部使用硬質合金一體結構噴嘴和旋轉體。

5 改進效果

原來的噴嘴和旋轉體僅可使用一個班次，改進后可延長到3～4個班次，噴嘴和旋轉體結構材料的改變，使噴霧干燥器噴霧效率發生了質的改變，全年消耗噴嘴和旋轉體數量大幅下降，同時減少了車工加工不銹鋼套及熱組裝等中間環節，極大地節約了人工成本。

據車間材料員統計數據，2011年全年催化劑廠共領用噴嘴和旋轉體約7 000套，一件霧化器的價格為82.00元，總費用達574 000元。改進后，噴嘴和旋轉體壽命延長，2012年1～10月份，車間共購置噴嘴毛坯件2 000件，旋轉體消耗量較噴嘴稍少，共購置旋轉體毛坯件1 500件，噴嘴價格72.21元，旋轉體價格為69.74元，每月消耗量穩定，預計2012年購置噴嘴和旋轉體毛坯件費用為298 836元，產生了可觀的經濟效益。

6 結束語

通過對霧化器材料和結構技術改進，提高了催化劑廠3套裝置的噴霧干燥器噴霧效率，噴嘴和旋轉體消耗量大幅降低，獲得了可觀的經濟效益，節省了勞動力，攻關取得了相應的成功。

[1] 胡憶溈，于波，胡艷菊.化工設備與機器[M].北京：化學工業出版社，2010：2～293.

[2] 北京市《金屬切削理論與實踐》編委會.金屬切削理論與實踐[M].北京：北京出版社，1979：1～261.

[3] 黃祥成，邱言龍，尹述軍.鉗工技師手冊[M].北京：機械工業出版社，2003：1～342.