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 Technol ogy”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）/m3·h, 使用高温烟气时，也只能达到15～25kg（水）/m3·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3.4×106t（折合重油26.28×105 t，根据报道，墙地砖2000年生产20亿m2 ，每m2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

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%)