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
摘 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