洗衣粉喷雾干燥系统的节能减排

王利民

（山东丽波日化股份有限公司，潍坊 261031）

1. 概述

自1965年喷雾干燥用于蛋品处理以来，这种将处理对象由液态经雾化和干燥在短时间直接变成固体粉末的技术，在上个世纪后叶取得了长足的进步。我国最早将喷雾干燥技术用于工业化生产的是乳品行业，之后是洗涤剂和染料等工业[1]。喷雾干燥技术现已广泛应用于无机化工、有机化工、日用化工、化肥、食品、医药、陶瓷、木材、粮食、渔业等领域[2]。目前，在全球洗涤剂市场上，喷雾干燥生产的洗衣粉仍占主导地位。

洗衣粉喷雾干燥工艺又称高塔喷雾工艺。它是将有关的固体原料和液体原料按照设定的配方先配制成料浆，再经过滤、老化、均质后，用高压泵把料浆输送到塔顶部，通过喷枪喷嘴经压力雾化成雾滴，在塔内与热空气相遇进行传热和传质得以干燥，洗衣粉从塔底流出，尾气经塔顶引风机抽出，经除尘后排入大气。

按照料浆雾滴与热风在干燥塔内流向的不同，喷雾干燥的操作方式分为顺流、逆流和混流三种。洗衣粉生产一般采用顺流和逆流两种方式，顺流干燥得到的产品视比重偏轻，逆流干燥得到的产品视比重偏重。由于逆流干燥中热气体在与仍然潮湿的液滴接触后才离开塔顶，排出的尾气温度较低，气液两相的温差较大，因此逆流干燥的热效率较顺流干燥为高。到目前为止，大多数洗衣粉的喷雾干燥都是采用逆流方式[3]。本文也只对逆流操作的洗衣粉喷雾干燥系统的节能减排作论述。该系统由热风产生、高压泵输送、喷雾与干燥、尾气处理等四部分构成，因此节能减排的措施也只对这四个工序相关的工艺设备而言之。

国务院节能减排“十二五”规划已于2012年8月发布实施，其中对工业节能减排提出了明确的要求和目标。洗衣粉生产过程中，喷雾干燥系统的能耗占总能耗的比例达85%以上，而喷雾干燥系统的热效率只有50%左右。因此，洗衣粉行业节能工作的重点应是首先关注喷雾干燥系统的节能。

2. 节能

从大的方面讲，节能措施分为技术措施和管理措施。技术措施包括工艺的、设备的、配电和自动控制的措施，而管理措施则包括制度的和生产操作的措施。

2.1 技术方面

2.1.1 优化系统设计

合理设计洗衣粉喷雾干燥系统的生产规模，做到工艺设备的互相匹配。据文献报道，喷粉塔的直径不能小于3.6m[4]，否则是很不经济的。塔径是否越大越好，尽管目前尚无定论，但从理论上讲，不是越大越好，一般认为取值6～8m是合适的。

目前国内洗衣粉生产厂的喷粉塔直径从3m到9m不等，仅对喷雾干燥系统而言，有的厂存在“大马拉小车”的现象，如热风炉很大而喷粉塔较小；也有的厂存在“小马拉大车”的现象，如热风炉很小而喷粉塔很大。这两种情况下，系统的能效都很低。因此，生产装置设计合理的产能规模和设备匹配是节能的前提。

按照生产每吨洗衣粉平均耗热量2.0GJ计算，年产10万吨的喷粉塔配用热负荷7.5～8.0MW的热风炉是最经济的。

2.1.2 工艺改进

1）在一定限度内，合理提高料浆的总固体含量。按照理论计算，料浆的总固体含量每提高1%，喷粉塔减少挥发水分5%左右。假如料浆总固体浓度由65%提高到70%，同样条件下，则可比能耗降低20%以上。

2）合理提高料浆温度。料浆温度在一定范围内适当提高，可降低料液的粘度，改善雾化性能，促进物料的传热与传质，缩短雾滴在喷粉塔内被加热的时间。经测算，一般操作条件下，料液温度每提高1℃，喷粉塔蒸发1kg水分所需的热量减少4.2～5.2kJ。料浆温度的提高可通过回收其他生产工序的余热来实现。

3）提高热空气进塔温度，降低尾气出塔温度。在热空气量和产量不变的情况下，环境温度20℃、尾气温度100℃时，热空气进塔温度由350℃提高到400℃，热效率则能提高3.3%。通过降低尾气温度，增大温度差，充分利用热空气所带热量，也能提高热效率。在热风进塔温度350℃、环境温度20℃时，尾气出塔温度由100℃降到90℃时，热效率则提高3.2%[2]。

4）在配方一定、不影响产品质量前提下，适当减少前配喷粉量、增加后配原料量。这样，后配加入的原料不需要消耗干燥能量即成为产品。因此，增加后配量会显著降低洗衣粉的单位产品能耗。目前，国内上规模的洗衣粉生产厂大都采用了“前配＋后配”的工艺路线。就整个洗涤用品行业来说，总的单位产品能耗量已较以前有显著的降低。

5）部分尾气循环利用。由于利用了再循环尾气所带的余热，使喷粉塔的热效率提高。但随着尾气循环量的增加，使得热空气的湿含量也增加，干燥速率将随之降低，干燥时间加长。因此，理论上存在一个最佳尾气循环量，一般的尾气循环量为20%～30%[5]。实际上，尾气循环在现有的喷雾干燥装置上已被采用多年，循环比以质量计可达出塔尾气的50%。根据不同的配方，节能5%～10%是可行的[3]。

6）余热的利用。洗衣粉生产过程中可用的余热一般有三部分：喷粉塔尾气余热、蒸汽冷凝水余热和磺化装置的热空气（没有磺化装置的除外）。喷粉塔尾气余热回收的方式是，在塔顶引风机出口经除尘器后的尾气管道上，设置间壁式换热器从排空的尾气中回收余热，可用来预热热风炉系统的助燃空气。常用的换热设备有热轮式换热器、板式换热器、热管式换热器、双换热式和洗涤式换热器等[5]。为防止换热器传热面结垢或积粉，影响传热效果，须对换热器进行定期的清理。此外，采用无烟煤块的热煤气发生炉系统，在主产水煤气的同时会副产压力为0.3～0.4Mpa的饱和蒸汽，此蒸汽可用于加热液体物料而回收其余热。

2.1.3 设备改进

1）设备的合理选型。热风炉应根据各地的情况，分别选择合适的燃烧方式，最常用的热风炉有燃油（柴油、重油）式、燃气（管道煤气、天然气）式、燃煤（有烟煤、无烟煤块）式和燃植物秸秆式等几种。这些热风炉在洗衣粉行业先后得到应用，都是非常成功的。但从运行成本看，煤直燃式热风炉是最低的，其次是用无烟煤块的热煤气发生炉[6]。在选用热风炉时一定要注意，炉子的热负荷与喷粉塔的产能相匹配，否则会造成能源的浪费。电机和风机的选用应分别根据GB18613-2006和GB19761-2009的规定要求，选用能效值（效率）高的产品。须特别指出的是，根据国家工信部公告2012年第14号《高耗能落后机电（产品）淘汰目录（第二批）》，目前普遍在用的Y系列电动机，除Y355～1120型号外，其他的型号大都被列入了淘汰目录（第二批）中，自2012年10月1日起进行淘汰。对此，现有企业和新上企业都应引起重视，在技术改造和新上项目时应选用国家工信部《节能机电设备（产品）推荐目录》中所列的节能型电动机。从节能的角度讲，塔顶尾气分离器选用单级旋风分离器阻力最小、能耗最低，旋风分离器组次之，布袋式分离器阻力最大、能耗最高。

2）合理确定塔内喷枪层数与布置。为提高单塔的产量，降低投资和能耗，在设计或设备改造时，直径6m以上的塔应考虑喷枪双层布置，一般单层喷枪布置的6m塔产能在6～8万吨/年，采用双层喷枪布置，产能可增至10～12万吨/年[4]。双层喷枪使单位时间内产量提高，从而使单位产品的能耗显著下降。喷枪合理布置应注意长短枪间隔并在塔周布置均匀,这样使雾化面能在塔内做到全覆盖，从而降低尾气出塔温度，提高热能利用率。

3）选用雾化角合适的喷嘴。洗衣粉料浆雾化多数厂家都采用旋涡式压力喷嘴，雾化角在60o～120o，雾化后的液滴与干燥用热空气接触充分，水分蒸发迅速，干燥效果好[4]。

4）合理设计和布置热空气进塔分布口。对一定产量的喷粉塔，塔圆柱部分的截面积是由干燥所需热风的体积和热风在塔内的流速所决定的，经典的速度应该在0.6～0.8m/s[3]。从湍流和温度方面来考虑，使热空气在整个塔空间均匀分布，对于塔的高效操作是十分重要的。因此，热风应以多股气流送入塔中，且各股气流的体积和速度尽可能相近。如果热空气进塔分布严重不均，最直接的后果是尾气温度偏高，塔底有湿粉产出，这样会影响塔的干燥效率，并造成能耗偏高。

5）选用合适的保温材料和保温层厚度。热风炉系统、喷粉塔系统、热空气管道、料浆管道、分离器和尾气管道等均应做好保温。应根据GB/T8175-2008《设备及管道绝热设计导则》选用合适的保温材料，并通过经济技术比较来确定保温材料的厚度。从经济观点看，绝热层厚度应在装置绝热层所需投资和相应热损失耗费之间作出选择，最小保温层厚度应该达到：塔体100mm石棉类保温层，热风管路200mm石棉类保温层[3]。但从同样厚度材料的保温效果看，复合硅酸铝材料优于石棉（岩棉）材料。如果喷粉塔、热空气管道、分离器和尾气管道安装在室外，保温层外部应做好防水处理。由于南方与北方的气温差别很大，因此保温工作应有所区别对待。

2.1.4 配电与控制系统的改进

1）缩短供电距离。变配电室尽量靠近负荷中心，缩短低压供电半径，并按经济电流密度选择导线截面，从而减少输电线路的损耗。

2）做好三相电压的平衡。用电设备应合理接线，降低三相电压的不平衡度，做到用电均衡化，提高负荷率。

3）提高功率因数。采取对装置进行集中与就地补偿相结合的办法，提高功率因数，大负荷时的功率因数不应低于0.90，低负荷时不得过补偿。

4）采用高压驱动电机。功率在200kW及以上的宜采用高压电动机。功率在50kW及以上的电动机，应单独配置电压、电流、有功电能等计量仪表，以便监测其运行中的有关参数。

5）变频节电。对高压泵、鼓风机和引风机等这些变负荷设备的电动机，应采用变频节电技术。

6）使用高效照明灯具。生产装置区域的照明应优先选用光效高、显色性好的光源以及配光合理、安全高效的灯具。有条件的企业可采用太阳能照明灯具。

7）采用自动控制系统。对热风炉、高压泵、塔顶尾气引风机等均可采用自动控制技术，稳定喷粉塔系统的操作。如高压泵可与喷枪压力联锁控制、尾气引风机可与塔顶负压连锁控制等等。

2.2 管理方面

2.2.1 精化生产操作

1）合理安排不同品种的生产，减少开停车次数，尽量做到不停车换品种，确保生产的连续性。

2）合理控制塔内顶部负压在30～98 MPa，减少系统冷空气的漏入。

3）分离器下来的细粉可用作工业擦洗剂或其他相关产品，也可直接回塔，减少回溶再喷消耗的能量。

4）粗粉可经粉碎后直接掺入基粉中，避免回溶再喷耗能。

2.2.2 健全制度与考核

1）根据GB/T15587-2008《工业企业能源管理导则》要求，建立健全能源管理的机构、人员和规章制度，明确职责，落实责任。

2）制定节能目标并分解到班组贯彻执行，认真考核，严格奖惩（节奖超罚）。

3）登记好能源台账，并对能源利用情况做定期分析，发现问题及时整改。

2.2.3 搞好能源计量

1）根据GB17167-2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》要求，建立健全能源计量管理的机构、人员和规章制度，配齐必要的能源计量器具，建立计量器具台账。

2）用能设备的设计、安装和使用应满足GB/T6442、GB/T15316中关于用能设备的能源监测要求。

3）能源计量器具的配备位置、数量和计量精度等必须符合标准规定。

4）对能源计量数据应准确汇总、及时分析处理或上报。

3. 减排

3.1 废水

喷雾干燥系统的废水主要是来自高压泵的冷却水和热风炉系统的冷却水，经集中收集后可用于配制料浆。燃煤热风炉和热煤气发生炉除渣机处排除的废水，可经生产厂自己的污水处理站处理后回用。用湿式除尘器的喷淋洗涤水也可经收集后用于配制料浆。

3.2 废气

3.2.1 塔顶尾气

尾气主要通过分离器进行除尘后排放入大气，因此分离器效率的高低将决定着粉尘排放量的大小。目前，洗衣粉行业应用的分离器有以下几种：单级旋风分离器、旋风分离器组、布袋式除尘器和湿式除尘器等。一般情况下，用布袋式除尘器一级分离后的尾气就能达到国家规定的排放标准；用旋风分离器（或组）的最好后面加湿式除尘器做二级分离，否则一旦操作控制异常就容易出现跑粉现象。为保证较高的分离效率，旋风分离器（或组）需定期进行人工清理，布袋除尘器则需定期检查更换布袋。此外，控制好塔内微负压操作也十分关键，如果塔内负压太大，就会使尾气中夹带过多的细粉，从而影响分离器的效率。

3.2.2 二氧化硫

热风炉系统用柴油、天然气、管道煤气或植物秸秆做燃料的，烟道气中的SO2含量极低，不存在尾气中SO2超标排放的问题；用重油、煤和发生炉热煤气做燃料的，烟道气中SO2含量则相对较高，但因其在喷粉塔中与碱性料浆直接接触后，SO2与碱发生反应被去除了绝大部分，因此尾气排放时SO2的浓度不会超过国家排放标准[7]。尽管如此，还是建议用煤做热风炉燃料的企业应尽可能使用低硫煤。

3.3 废渣

3.3.1 细粉

塔顶除尘器分离下来的细粉一般做回溶或回塔处理，采用直接回塔处理会更经济。

3.3.2 粗粉

扫塔、基粉气提和过筛中产生的粗粉，一般都做回溶处理，若直接粉碎回掺则更为经济。

3.3.3 炉渣

热风炉用煤做燃料的，产生的煤渣可用于制砖；用植物秸秆做燃料的，产生的草木灰渣可做无机肥料使用。

3.4 噪声

喷雾干燥系统的噪声源主要是热风炉鼓风机和塔顶尾气引风机，一般采取机座加减震垫的方式消噪。因各生产厂设备所处位置的不同，噪声对环境的影响也不同，如果噪声超标，可以采用在风机周围建消音房或是在排气出口管道上加消音器的方式解决。

4. 未来发展趋势展望

根据国家发改委令2011年第9号《产业结构调整指导目录（2011年本）》，“单层喷枪洗衣粉生产工艺及设备，1.6t/h以下规模磺化装置”被列入限制类，而“多效、节能、节水、环保型表面活性剂和浓缩型合成洗涤剂的开发与生产”则被列入了鼓励类，这就为合成洗涤剂行业今后的产业结构调整指明了方向。

浓缩洗涤剂以其节水经济、去污高效、环保等特点而成为全球尤其是发达国家洗涤剂市场的主流，也正逐步成为我国国内洗涤剂市场的新宠。随着我国经济的不断发展和人民生活水平的进一步提高，人们对洗衣粉的消费理念也会产生深刻的变化。如今在洗涤剂市场上，浓缩洗衣粉和液体洗涤剂的份额在不断扩大、而普通洗衣粉的份额在不断减少就是最好的例证。近几年来，中国洗涤用品工业协会为推广浓缩洗衣粉做了大量卓有成效的工作，并会同中国轻工业联合会于2009年7月16日在北京联合召开了浓缩洗衣粉市场推广新闻发布会，同时举行了“浓缩洗衣粉标志”揭牌仪式，此举标志着我国洗衣粉浓缩化进程已经开始推进。此后，中国洗协先后组织召开了几次浓缩洗涤剂推广座谈会，业内很多企业和有识之士也正在积极推进这项工作。

与高塔喷雾相比，浓缩洗衣粉具有节约原料和节省能源的优势，生产和使用过程又可减少废水、废气和废弃包装物的排放，也可减少包装物的过度使用，降低运输车辆的能耗和排放，有利于整个社会的节能减排。因此，逐步推广浓缩洗衣粉符合我国的产业政策。从全社会节能减排的角度讲，浓缩洗衣粉和液体洗涤剂将是未来的发展趋势。今年9月29日，协会又与家乐福（中国）携手在全国范围内大力推广使用浓缩洗涤剂，工信部等相关领导专门表示支持。相信在国家的大力支持下，我国的洗涤剂浓缩化进程将会加快步伐。

[1]唐金鑫, 等. 喷雾干燥工程的研究进展及其开发应用[J]. 南京林业大学学报, 1997(21): 10-14.

[2]王喜忠, 等. 喷雾干燥[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.

[3]方云, 等译. 现代洗衣粉成型技术[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 1996.

[4]中国洗协科技委员会, 中国日化工业信息中心.常用洗涤剂配制技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.

[5]于才渊, 等. 干燥装置设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[6]王利民. 煤直燃式热风炉在洗衣粉生产中的应用[J]. 中国洗涤用品工业, 2008(4): 66-68.

[7]范伟莉, 张彪. 洗衣粉热风系统技术进展[J]. 中国洗涤用品工业, 2008(3): 61-64.