回转炉在催化剂制备中的应用

秦春华

（上海华谊集团 丙烯酸有限公司，上海 200137）

回转式燃烧炉由稍作倾斜面转动的长筒所构成，倾角一般为1～3℃，此种煅烧炉按其热供应不同分为：煤气间接加热煅烧炉:物料所需的热量由煤气燃烧经转筒外壁间接传给，一般在筒体的正下面装有一排煤气喷嘴，其温度由调节煤气大小的阀门控制。其加热位置在煅烧炉正下方，其余方位用保温材料包裹好，以免热量损失太大。电加热回转煅烧炉：物料所需的热量通过筒外的电加热获得，电加热温度的控制较煤气加热控制方便、稳定。由于电加热丝一般是缠绕在外壳四周，筒体外壁接受的热比较均匀，因而其径向温度也比较均匀。与煤气作热源相比，电加热因其自身特点，而且加热丝为缠绕式，供热比较均匀，其径向温差更小，控制更简单、方便、稳定。回转炉主要运用于水泥工业中煅烧水泥熟料，耐火材料、矿石及陶瓷工业煅烧粒状及粉状物料和在上述工业中干燥各种原料；也广泛应用于复合吹炼技术精炼不锈钢。在化学工业中则广泛运用于干燥、脱水以及焙烧物料。

1 回转炉在催化剂工业生产中的应用

焙烧过程是催化剂制备中的重要步骤，马弗炉是催化剂在实验室中普遍采用的的焙烧设备。某焙烧催化剂的结束通常被用于评价焙烧过程优劣、标准。但是在工业化催化剂的制备过程中，大多采用厢式焙烧炉。网带式焙烧炉和（推板窑）隧道窑等。由于厢式炉不适合连续生产，网带式炉不适合高温焙烧，所以对于大批量工业化连续生产催化剂往往采用隧道窑（推板窑）和连续式回转炉。但这两类设备存在较大差异。过去在催化剂制备领域中经常使用推板窑、辊道窑、箱式炉等静态方式进行高温处理催化剂，隧道泵用的是静态焙烧的方式。容易出现窑车下部漏风，窑车自身蓄热等问题。从而引起炉膛的上下、左右空间上的温度差异。这样的处理方式容易在催化剂比表面积、孔容、孔径产生差异，从而导致催化剂的反应活性产生差异。

而回转炉泵用的是动态旋转的方式，炉体自身的旋转能促使物料颗粒之间的相互混合。它的动态旋转特性使得其能够逐步取代以上设备成为工业制造的主要焙烧装置[1]。随着催化剂在化工生产中的应用越来越多，对制作催化剂的工艺要求也不断提高，特别是对催化剂的生产过程尤其是催化剂预处理、催化剂焙烧、催化剂再生中的均匀性要求也更严格，这使得回转炉得以广泛应用。因此，从实验的马弗炉，放大到工业化连续生产催化剂需要详细分析回转炉的主要技术参数，从而再进一步研究其对催化剂活性、强度、微观结构及组成的影响。

2 回转炉在催化剂工业生产中的主要技术参数

回转炉在催化剂工业生产中主要的技术包括：内部温度控制、物料走向控制、内部气体分布、进出料方式的控制，以及尾气除尘系统等。

2.1 内部温度控制

内部温度控制是回转炉煅烧的最主要技术参数之一。不同的焙烧温度导致催化剂的结构性质、晶相产物、颗粒大小，组成份甚至物理强度都会产生差异，从而影响催化剂的整体性能，炉温的均匀性是热处理炉的主要性能指标之一，对焙烧质量有直接重要的影响，测量回转炉炉膛内部温度是很困难的，特别是在高温、物料的粘结、腐蚀性强的场合，问题更为突出。由于温度仪表只能显示及控制某一点的性质，对于除此之外的炉膛其他空间则无法显示、并控制，为了确定炉内空间有效工作区的大小和位置，有必要对热处理炉整个炉膛的温度进行检测分析，明确炉膛内部空间温度的三维温度场。

一般回转炉炉膛内温度较高，可沿长度方向分为三带，即加热带、还原带和冷却带。通常对于炉膛内部温度控制采用在炉壁外侧设置测温点。通过炉膛外侧周围包裹的电加热设备进行升温控制。但是催化剂制备过程中存在催化剂本身的吸热或放热过程，要使得催化剂在严格精细的温度控制过程中焙烧，光靠炉膛外侧的测温点显然是不够的。而能观察到炉膛内部变化的测温装置是非常重要的，而这样的测温点不仅要考虑纵向、轴向的温度梯度，更重要的是在机械上保持与转炉转动的一致性。

2.2 进出料系统

回转炉的进出料按照焙烧工艺可以分为间歇式进出料和连续式进出料。间歇式回转煅烧炉在工作时，筒体成水平状态，装料时呈倾斜状态。物料装人转筒后，盖上上盖，放置水平后即可转动筒体，点煤气煅烧，加热到一定温度和经一定时间后停止转动，打开出料端，将烧好的物料卸出，而后再装人待煅烧料。这种结构的炉子在装料及卸料时必须转动筒体的倾斜度，以便将料装卸，因此，不宜用电加热形式。卸料时，物料温度较高，热粉尘飞扬严重，操作环境和劳动条件较差。间歇式回转煅烧炉的操作过程为间歇式，一般有升温期、恒温期、降温期，因而其操作时间较长，1天仅1～2炉，产量较小。由于装入的物料较多，物料厚，温差较大。

连续式回转煅烧炉进料、出料都连续进行，筒体一般较长，为6～12m。物料在转筒内的停留时间由转筒的倾斜角度及转动的速度决定。倾斜角度在设计安装时已定，转动速度可在操作中变动。连续式回转煅烧炉具有操作稳定，进出料皆由机械输送等特点，因而劳动条件及劳动强度较前者优越，特别当配上电加热后，操作更为稳妥、可靠、方便。连续式回转煅烧炉筒体的前部为物料预热干燥段，温度缓慢上升，中部为煅烧段，温度基本恒定，后部为冷却段，温度逐渐下降。经干燥的物料由加料器连续均衡地加入转筒内，经预热干燥段后，进入缎烧段，最后经冷却段，从尾部出料至下一工序。经煅烧释放出的湿气和分解产生的气体由头部烟囱自然拔风排出。

间歇式进出料系统一般通过螺旋挡板正旋进料、反旋出料的方式进行进出料，也有采用焙烧时水平旋转，进出料时调整筒体倾斜角度的方式进出料。这样的方式可以有利于精确控制物料在炉膛内焙烧时间，但是这样的进出料生产量受限于炉膛内的有效焙烧体积，而连续式进料是通过转管的转动速度调节以及转管与地面的倾角来调节，一般为1～3℃，这种方式对于工业化连续生产较有利。但是这种方式的温度控制由于炉管内存在轴向的温度梯度而不宜精确控制，且卸料时高温物料的扬尘也非常严重。还有一个影响进料的因素是进料初期存在物料易破碎的问题，尤其是颗粒状物料的进料，因此，一般会在转炉和炉头处设置进料装置，使物料能够被平稳送入炉膛。

2.3 炉膛内部的物料走向控制

被烧物料均匀性的是窑炉关键工艺技术之一，物料在通过进料系统后，进入炉膛内部以旋转向前的方式在炉膛内运行，不同的物料，由于其物料大小，颗粒分布，流动性的不同在炉膛内会置关不同的物料走向。这些不同的特性使得物料在纵向旋转的速度不一，使得其热量的炉壁接触时间不一，即而导致物料的受热均匀不一致，流动性好的物料在设定区域停留时间不够，而流动性差的物料则停留时间过长，这都会对催化剂的活性产生影响。

而就回转炉本身而言堆积面积和转动速度对物料走向影响更大，物料的堆积面积，即在轴向上物料所占炉管截面积的比例，这个比例的大小直接影响到物料翻滚的均匀性，如果比例过大则虽然炉管在转动，但物料中必定有部分没有得到翻转，而导致受热不均匀。而转动速度的快慢会直接影响物料走出炉膛的速度，同时转动速度也影响着物料的翻滚程度即直接接触热源的时间，不同的接触时间对催化剂的性能影响也是巨大的，为此，在回转炉的炉膛内一般会放置挡板。物料在炉膛内的走向以旋转向前为主，炉膛内设置抄板可以提高催化剂在炉膛内的混合程度，它主要解决了焙烧物料不均匀的问题。物料由于本身的流动性造成炉管转动时物料的转动存在差异，设置抄板可以使物料通过间歇性停顿而使整体停留时间保持均匀。而抄板的高度及数量则要根据被烧物料的焙烧时间工艺而决定。当然有些特殊的催化剂为了使停留时间加长而专门在炉膛内设置多组翅片等。

控制好物料在炉膛内的走向是保证催化剂走到焙烧结果的关键。因此，不同的物料尤其是对制备要求较高的催化剂，有焙烧之前做好物料停留时间的实验，对保证焙烧质量是必不可少的过程，甚至一些更重要的催化剂，建议提前能做冷模实验。

2.4 炉膛内部气体分布

催化剂在焙烧过程中由于工艺条件不同，所需的被烧环境也不同，尤其是一些催化剂需要控制焙烧过程中氧含量或者需要加入特殊气体的要求，还有一些催化剂需要在微负压的环境下进行焙烧，则回转炉在设计时，尤其是进出料部份存在气体流动的地方，需要特殊设计。尤其对于需要气氛控制的催化剂焙烧非常重要，一段催化剂的制作过程就是一个小型的化学反应过程，因此内部气氛控制的本质就是控制这个小型反应发生的条件。

炉膛内气体分布的关键是回转炉的密封系统，保证产品质量需要好的密封性能，同时又能适应筒体的形状误差（圆度、偏心等）及运转中轴向的反复窜动，磨损轻，维护检修方便，且结构尽量简单。其中的关键点主要为炉管进出料部分的密封，因为进出料是唯一可以与外界空气直接接触进行交换的地方，因此，保证这两个部分的密封是保持炉膛内气氛的基本条件。特别是出料端密封的好坏是回转炉能否正常运行的关键。为此,设计可靠、合理的密封结构至关重要。回转炉直径一般较大,长度大约15～90m,其制造精度就很难保证。若回转精度差,进出料箱体与炉体回转部位的跳动比较大,造成回转部位与静止部件的间隙不均匀,泄漏严重,通常的密封方式有：填料密封、迷宫密封及鱼鳞片密封。其次则是进出气的通气方式，一般采用在出料口进气，进料口出气的方式，这样可以充分利用高温段的温度。还有就是进气量，气体量的控制即要不使炉膛的物料呈流态化，如在炉膛内增加气体分布器或整流板等，又要充分的与物料接触[2]。

2.5 尾气除尘系统

回转炉焙烧时产生的废气和粉尘，温度较高，是造成环境污染和能源浪费的主要因素之一。转炉尾气除尘方法目前对转炉实现除尘主要是借助于除尘器实现除尘，具体来说有以下几种方式：重力除尘：就是利用重力作用将尘粒沉淀并分离捕捉的一种除尘器。重力除尘具有设备投资小，操作简单，不会产生二次污染等优点，但是除尘效果一般，无法适用于除尘要求较高的场合；电除尘：是利用电极放电原理，将灰尘颗粒电离带电，从而在电场的作用下吸附于集尘电极上，再依靠振打装置将吸附在集尘电极上的灰尘抖落至集尘器中。这种除尘方式效率高，且除尘效果好，但是设备投资大，且后期维护管理成本高；湿式除尘：是依靠尘粒与水或者水滴碰撞凝聚，从而将尘粒从气流中分离出来，也是一种操作简单的除尘方法，但是由于水进入了除尘循环中，会产生二次污染，因而应用有一定限制；袋式除尘：是依靠有机纤维或无机纤维过滤布将气体中的尘粒过滤而实现除尘的，这种除尘方式适应性强，应用前景广阔，后期维护中需要定期对除尘袋进行清洗或者更换。

催化剂在回转炉焙烧时，由于转炉工作的间歇性、周期性，产生的尾气也是间歇性的，且在一个周期内温度变化较大。若不进行喷水冷却，则温度变化范围非常大，若进行喷水冷却，则含湿量却非常大，低温下极易结露，且考虑到不同催化剂自身的物理特性，因此，采用布袋、塑烧板均极易出现糊袋、堵塞现象。能用于400℃及以上除尘的高温滤料的市场品种主要有：多孔金属材料如不锈钢或FeCrAl金属纤维毡或金属粉末、多孔陶瓷材料、玄武纤维等，其主要要求：耐高温、抗腐蚀、化学稳定性好，强韧、抗热震、过滤效果好，阻力低、气体渗透好，寿命长等[3]。

3 回转炉技术在催化剂制备工业运用的发展

回转炉技术，目前在我国的发展主要以实验室以及中试放大为主，在催化剂的工业化运用也较少，但由于其动态焙烧的优越性，有利于催化剂这类焙烧要求较高的制备过程，因此，回转炉势必成为以后在催化剂制备领域的主流设备，前景非常广泛。但是目前国内催化剂回转炉焙烧发展较慢的主要原因在于，其在精确的温度控制、物料的撤热方式、物料的加料方式、气氛条件的控制等方面还需要进一步研究。而对于我们催化剂研发人员而言，要使小试成果能够成功在工业化运用需要全面掌握设备的工艺特性，并以此为基础设计制备工艺，合理利用其优点，并根据自身工艺的需要适当改变设备的零部件，来达到最佳效果使得催化剂在工业化生产过程中能够保证连续、稳定的质量和产能。

[1]杨倩，曾令可.我国回转炉技术现状及特点[J].陶瓷，2010,（2）:44-48.

[2] 王海船,罗晓燕.新型氮气保护回转电炉的设计与应用[J].工业加热，2010,39（6）:61-64.

[3] 申国强.转炉烟气除尘污水处理工艺探索[J].中国新技术新产品，2012,（4）:143-144.