節(jié)能型熱風(fēng)爐式噴霧干燥塔在制藥行業(yè)中的應(yīng)用分析

冷胡峰 周友華 熊 靜 劉金萍

（江中制藥集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西南昌330096）

0 引言

噴霧干燥是中藥生產(chǎn)企業(yè)常用的干燥方法之一，傳統(tǒng)的噴霧干燥設(shè)備采用蒸汽作為進(jìn)風(fēng)熱源，蒸汽溫度達(dá)140℃左右，再配備電輔助加熱，將進(jìn)風(fēng)溫度控制在180℃左右，此種方式對(duì)蒸汽和電的消耗比較大。而熱風(fēng)爐式噴霧干燥塔則通過燃燒器燃燒天然氣產(chǎn)生熱風(fēng)，通過熱交換對(duì)噴霧過程中所需要的進(jìn)風(fēng)進(jìn)行加熱，減少了產(chǎn)蒸汽的環(huán)節(jié)，且不需要電熱補(bǔ)償，大大降低了能耗。

本文立足企業(yè)現(xiàn)狀，以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向，率先選用節(jié)能型熱風(fēng)爐式噴霧干燥塔應(yīng)用于制藥行業(yè)中，對(duì)其技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行論證分析。

1 技術(shù)原理

熱風(fēng)爐式噴霧干燥塔如圖1所示。其利用深度換熱技術(shù)，選用一體式高效間接熱風(fēng)爐。天然氣經(jīng)熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生的熱量，經(jīng)高效換熱器與過濾的潔凈空氣進(jìn)行熱交換，所得的潔凈熱風(fēng)對(duì)物料進(jìn)行噴霧干燥。熱風(fēng)爐排出的煙氣熱量又與潔凈空氣新風(fēng)的進(jìn)風(fēng)進(jìn)行換熱，既可提高新風(fēng)的進(jìn)風(fēng)溫度，又可降低排煙溫度。

傳統(tǒng)的熱風(fēng)爐式噴霧干燥塔的熱風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)多為直通式機(jī)構(gòu)，即前端采用輻射套管，末端采用管式換熱組件。燃料在燃燒筒內(nèi)燃燒，燃燒后的煙氣首先要經(jīng)過一個(gè)輻射段（或混風(fēng)室即直接兌入部分冷空氣）把煙氣溫度降到400～500℃，再進(jìn)入后一段的熱交換器（可為列管式、熱管式、板式等熱交換器）。此種熱風(fēng)爐式噴霧干燥塔有如下缺點(diǎn)：大量的高位熱能被浪費(fèi)，被加熱的潔凈空氣的溫度上限同樣受限；設(shè)備笨重，占地面積大，自身消耗鋼材量大，且傳熱效率低下；在高溫工況下，設(shè)備局部易超溫，孔板處不可避免地受到應(yīng)力作用，很難適用于高于350℃的工況。

圖1 熱風(fēng)爐式噴霧干燥塔

高效間接熱風(fēng)爐是由燃燒爐膛與高效板式換熱組件組合而成。燃燒爐體與輻射段傳熱一體化設(shè)計(jì)，采用波節(jié)筒設(shè)計(jì)的爐膛直接作為輻射傳熱的本體，不僅擴(kuò)展了傳熱面積，強(qiáng)化了輻射段換熱強(qiáng)度，還能有效解決高溫工況下金屬的熱應(yīng)力所致的焊縫拉裂問題。低溫段則采用板式換熱組件，介質(zhì)過流部分全部采用不銹鋼材質(zhì)，具備良好的耐溫性和耐腐蝕性，高溫段采用S31008耐熱不銹鋼，最高可以耐溫1 000℃以上，低溫段采用S30408不銹鋼，可以有效抵抗天然氣煙氣的碳酸低溫露點(diǎn)腐蝕，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，耗材量少，占地空間小，傳熱效率高。圖2為高效間接熱風(fēng)爐原理圖及示意圖。

2 技術(shù)特點(diǎn)

節(jié)能型噴霧干燥塔采用的是一體式高效熱風(fēng)爐，其具有以下特點(diǎn)：

2.1 換熱效率高

高效間接熱風(fēng)爐與耐高溫板式換熱器進(jìn)行組合，最高可提供600℃以上高溫、潔凈熱風(fēng)，總體換熱效率可高達(dá)94%以上。

2.2 排煙溫度低

根據(jù)換熱原理的不同，采用輻射換熱與對(duì)流換熱相結(jié)合的熱能置換方式，在提供高溫潔凈空氣的同時(shí)，最大限度地回收余熱，降低排煙溫度，排煙溫度控制在105℃。

2.3 熱風(fēng)品質(zhì)高

間接換熱式熱風(fēng)爐，煙氣與被加熱氣體（一般為空氣）不直接接觸，不會(huì)造成污染，可以滿足很多行業(yè)對(duì)潔凈熱風(fēng)的需求。

2.4 設(shè)備簡(jiǎn)單

熱風(fēng)爐是套筒和板式換熱器的一體式組合，重量輕，結(jié)構(gòu)輕巧，安裝便利。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

采用熱風(fēng)爐加熱方式的噴霧干燥塔取代了蒸汽+電加熱方式，在同等型號(hào)基礎(chǔ)上，對(duì)兩者節(jié)能效益進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示，可見熱風(fēng)爐加熱方式具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 高效間接熱風(fēng)爐原理圖及示意圖

3.2 品質(zhì)效益

采用蒸汽+電加熱方式時(shí)，蒸汽壓力0.6 MPa左右，對(duì)蒸汽供壓的穩(wěn)定性要求較高。設(shè)備運(yùn)行的啟停、蒸汽管路泄漏等因素，易造成蒸汽供壓不穩(wěn)，即達(dá)不到所需的工藝溫度，導(dǎo)致物料無法充分干燥，產(chǎn)生粘壁現(xiàn)象，造成物料損失。此外，收集的成品物料存在水分偏高現(xiàn)象，無法保障產(chǎn)品品質(zhì)。

采用熱風(fēng)爐加熱方式時(shí)，天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量和空氣進(jìn)行熱交換，空氣供氣穩(wěn)定，工藝溫度恒定，減少了物料粘壁、物料損失等現(xiàn)象，保證了產(chǎn)品品質(zhì)。

3.3 社會(huì)效益

天然氣燃燒通過充分的熱交換利用之后，煙氣排煙溫度可控制在105℃，可完全解決天然氣煙氣帶來的碳酸露點(diǎn)腐蝕問題，也無需再進(jìn)行二次煙氣熱能回收，節(jié)約了投資熱能回收所需投入的成本，從而減少了由于通過熱能回收而不能消化利用所產(chǎn)生的一系列問題，具有節(jié)能環(huán)保的重要意義。

4 材質(zhì)選擇

4.1 換熱器材質(zhì)的選擇

潔凈新風(fēng)通過和高效熱風(fēng)爐進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生工藝所需求的熱風(fēng)，這對(duì)于換熱器材質(zhì)選擇至關(guān)重要。目前市場(chǎng)上最常用的材質(zhì)有碳鋼（45）、不銹鋼（304、316、310s）。

（1）45鋼：冷塑性一般，退火、正火比調(diào)質(zhì)時(shí)要稍好，具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性。同時(shí)，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其綜合力學(xué)性能要優(yōu)于其他中碳結(jié)構(gòu)鋼。

（2）304，國標(biāo)06Cr19Ni10：在美國不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)（UNS標(biāo)準(zhǔn)）中牌號(hào)為S30400，是18-8型Cr-Ni奧式體不銹鋼的典型牌號(hào)，304不銹鋼作為一種用途廣泛的鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性、沖壓彎曲等；熱加工性好，無熱處理硬化現(xiàn)象，無磁性，使用溫度范圍在-196～800℃。一般使用溫度極限小于650℃。

（3）316，國標(biāo)06Cr17Ni12Mo2：相對(duì)304而言，因添加了Mo，使其耐蝕性和高溫強(qiáng)度有較大的提高，耐高溫可達(dá)到1 200～1 300℃，可在嚴(yán)苛的條件下使用，在871℃以下的間斷使用和在927℃以上的連續(xù)使用中，其具有良好的耐氧化性能。

（4）310s，國標(biāo)06Cr25Ni20：是奧氏體鉻鎳不銹鋼，具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性，因?yàn)檩^高百分比的鉻和鎳，使其擁有很好的蠕變強(qiáng)度，在450～900℃高溫下能持續(xù)作業(yè)，具有良好的耐高溫性能。

4.2 換熱器可能存在的風(fēng)險(xiǎn)

4.2.1 揮發(fā)性

揮發(fā)性是指固體或液體變?yōu)闅怏w或蒸汽的過程。Cr、Ni在不銹鋼中作為合金元素加入，形成碳化物、氧化物等，形成的化合物沸點(diǎn)很高（1 000℃以上），表2為幾種金屬元素化合物沸點(diǎn)。由于換熱器在400～425℃范圍內(nèi)工作，所以在正常使用情況下，Cr、Ni不具有揮發(fā)性。棒在從常溫加熱至800℃中處理1 h，進(jìn)行拉斷破壞試驗(yàn)，由斷裂口表面的金相圖可知，晶間腐蝕區(qū)強(qiáng)

表1 熱風(fēng)爐加熱方式與蒸汽+電加熱方式的噴霧干燥塔效益比較

表2 幾種金屬元素化合物沸點(diǎn) 單位：℃

4.2.2 溶解性

金屬溶解通常是以陽離子的形式存在于溶液中。換熱器在干燥高溫的環(huán)境中工作，且不與藥液直接接觸，沒有形成陽離子的條件，故不會(huì)溶解于藥液中。

4.2.3 腐蝕性

不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于12%，而熱風(fēng)爐換熱器的工作溫度區(qū)間為400～425℃。45鋼在此溫度區(qū)間內(nèi)，鋼材內(nèi)部趨向于回火屈氏體組織，硬度下降，抗沖擊能力也隨之下降。在停產(chǎn)或檢修期間，由于45鋼成分中Cr含量≤0.25%，Ni含量≤0.30%，因此不具有防銹蝕的能力。在南方潮濕的氣候條件下，鋼材形成Fe-C原電池反應(yīng)，產(chǎn)生銹蝕，且表面容易被氧化形成氧化鐵，氧化鐵疏松吸水，加速銹蝕，在后期使用中，疏松的氧化鐵容易脫落，可能會(huì)隨著熱風(fēng)進(jìn)入噴霧干燥塔中，從而對(duì)藥品產(chǎn)生污染。因此，45鋼不可用。而根據(jù)材質(zhì)的特性，在此溫度區(qū)間內(nèi)，304、316、310s均能滿足工作要求。

4.3 燃燒爐膛可能存在的風(fēng)險(xiǎn)分析

從前文所述可知，45鋼不適合用來制作天然氣燃燒室。304不銹鋼在450～800℃條件下加熱1 h以上就會(huì)產(chǎn)生滲碳（敏化），造成抗腐蝕性能下降。

圖3為304不銹鋼800℃斷裂金相。304不銹鋼度明顯降低，斷裂后形成缺口。

圖3 304不銹鋼800℃斷裂金相

相對(duì)于304而言，316則因?yàn)樘砑恿薓o，在耐腐蝕性和耐高溫性能上有了提高，但是由于Cr、Ni含量不高，在敏化溫度（427～857℃）區(qū)間內(nèi)，由于滲碳作用形成晶間腐蝕。奧氏體不銹鋼通常從450℃開始蠕變，溫度越高，強(qiáng)度越低，氧化腐蝕越嚴(yán)重。在強(qiáng)度降低的前提下，耐沖刷腐蝕的能力也下降得很快。

310s不銹鋼相對(duì)以上兩者，成分中含有較高百分比的Cr和Ni。在達(dá)到奧氏體不銹鋼的敏化溫度后，材質(zhì)中部分的Cr與C形成碳化鉻，即便如此，材質(zhì)固溶體中Cr的含量仍然高于12%，所以蠕變強(qiáng)度比304、316而言大得多，在450～900℃高溫下能持續(xù)作業(yè)，具有良好的耐高溫性能。

在間接燃燒加熱器中，設(shè)備燃燒爐膛正常工作溫度處于450～480℃范圍內(nèi)，由于設(shè)備一旦運(yùn)轉(zhuǎn)，將長期處于工作狀態(tài)，304、316材質(zhì)不能在此溫度范圍內(nèi)工作，否則容易造成腐蝕，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生危害。

4.4 材質(zhì)的確認(rèn)

通過上述分析，在熱風(fēng)爐的材質(zhì)選擇上，換熱器采用304、316、310s材質(zhì)均可，考慮到經(jīng)濟(jì)成本因素，推薦使用304材質(zhì)。燃燒爐膛則采用310s材質(zhì)為宜。

5 結(jié)語

在節(jié)能降耗、能源回收利用的大背景下，國家強(qiáng)制淘汰煤炭鍋爐，改用天然氣鍋爐，蒸汽成本大幅提升。而熱風(fēng)爐式噴霧干燥塔取代蒸汽+電加熱式噴霧干燥塔，是一個(gè)技術(shù)性突破，具有顯著的節(jié)能效果。