王玉平 尹財(cái)貴 蘆周紅

(中國(guó)石油蘭州石化設(shè)備維修公司)

中國(guó)石油蘭州石化公司催化劑廠一套微球、兩套微球、全白土這3套裝置都是直接出產(chǎn)品的生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝設(shè)備是噴霧干燥器。噴霧干燥器的主要部件為干燥室、壓力霧化器和附屬設(shè)備。催化劑物料通過壓力霧化器形成液霧，在干燥室的熱風(fēng)下均勻烘烤干燥，液霧形成形體基本相同、有規(guī)則分布的微小顆粒，干燥后的物料經(jīng)過新鮮冷水的冷卻，去除雜質(zhì)，再輸送到水平帶式過濾機(jī)壓濾，成為最終合格的產(chǎn)品。壓力霧化器在3套成品生產(chǎn)裝置上的使用數(shù)量共達(dá)18個(gè)，長(zhǎng)期以來由機(jī)修五車間負(fù)責(zé)購(gòu)置加工。

1 壓力霧化器結(jié)構(gòu)及工作原理

壓力式霧化器也稱壓力式噴嘴或機(jī)械式噴嘴，由液體切向入口、液體旋轉(zhuǎn)室和噴嘴孔組成，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。它利用高壓泵將液體壓力提高到1.96～19.60MPa，高壓液體沿切向入口進(jìn)入旋轉(zhuǎn)室中，液體在旋轉(zhuǎn)室內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)半徑與旋轉(zhuǎn)速度成反比，愈靠近軸心，旋轉(zhuǎn)速度愈快，其靜壓則愈小，在噴嘴軸心形成一個(gè)低壓旋流，使噴出液體成為一個(gè)繞軸線旋轉(zhuǎn)的環(huán)形液膜，液膜向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，逐漸伸長(zhǎng)變薄，最后分裂成小霧滴，形成空心圓錐形液霧[1]。

圖1 壓力式霧化器結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

2 霧化器使用現(xiàn)狀

霧化器是噴霧干燥裝置中的關(guān)鍵部件，它決定產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。中國(guó)石油蘭州石化公司催化劑廠使用的壓力式霧化器主要由噴嘴、旋轉(zhuǎn)體、密封墊組成，噴嘴和旋轉(zhuǎn)體都是芯體和套的組合結(jié)構(gòu)。外購(gòu)旋轉(zhuǎn)體芯體和噴嘴芯體毛坯件，通過電火花機(jī)床穿孔，加工出孔徑φ2.1～3.0mm的噴嘴和孔徑為φ2.6、φ2.8mm的六孔或八孔旋轉(zhuǎn)體，噴嘴孔大小與高壓泵出口壓力、粒度和固含量有關(guān)，直徑一般為φ2.4、φ2.5mm。旋轉(zhuǎn)體小孔數(shù)量和傾斜角度也由生產(chǎn)工藝要求確定，小孔數(shù)一般為六孔，傾斜角度為30～40°，電火花穿孔具有孔壁光潔度高、孔不易堵塞及精度良好等優(yōu)點(diǎn)[2]。不銹鋼噴嘴套和旋轉(zhuǎn)體套由車工加工，按照硬質(zhì)合金噴嘴和旋轉(zhuǎn)體芯體的外徑尺寸，對(duì)不銹鋼套的內(nèi)孔尺寸進(jìn)行精加工，與打好孔的噴嘴和旋轉(zhuǎn)體芯體配對(duì)，然后加熱組裝，形成組合件，最終交付生產(chǎn)裝置使用。

這種組合結(jié)構(gòu)的噴嘴和旋轉(zhuǎn)體加工程序繁瑣，加工難度大。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)10MPa以上的壓力下，噴嘴套和旋轉(zhuǎn)體套邊緣沖擊磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致催化劑產(chǎn)品不合格，需整套更新備件后方可繼續(xù)生產(chǎn)。噴嘴和旋轉(zhuǎn)體更換頻繁、消耗量大，在使用過程中發(fā)現(xiàn)噴嘴套和旋轉(zhuǎn)體套損壞嚴(yán)重，芯體卻完好無損，又造成了芯體的嚴(yán)重浪費(fèi)。

3 原因分析

霧化器組件必須是耐磨損材料，現(xiàn)用噴嘴損壞頻繁主要有以下幾個(gè)方面的原因:

a. 霧化器承受壓力高。進(jìn)入霧化器的物料壓力約為高壓泵出口壓力，達(dá)到11～13MPa，這一高壓必須由腔體直徑僅為18mm的霧化器承受。霧化器是連續(xù)作業(yè)部件，不間斷使用造成其組件噴嘴和旋轉(zhuǎn)體磨損嚴(yán)重。另外，霧化器小孔在物料不均勻時(shí)易被堵塞，使噴霧系統(tǒng)的壓力急劇升高，縮短噴嘴和旋轉(zhuǎn)體的使用壽命。

b. 介質(zhì)固含量高、腐蝕性強(qiáng)。催化劑物料中的固含量高，達(dá)到28%～35%，而且物料中含有多種酸堿成分，這一工況條件對(duì)霧化器造成沖刷和腐蝕，加速其損壞。

c. 噴嘴和旋轉(zhuǎn)體的兩體組件材料不同。噴嘴和旋轉(zhuǎn)體的芯體為硬質(zhì)合金，常用型號(hào)YG6，硬度高，熱硬性好，耐磨性優(yōu)良，有較好的耐蝕性和抗氧化性，熱膨脹系數(shù)小，其機(jī)械性能見表1[3]。金屬材料的硬度越高，耐磨性越好。YG6硬質(zhì)合金芯體洛氏硬度不低于89.5HRA，而不銹鋼套硬度為布氏硬度小于200HB,兩者硬度相差5倍以上，受到高壓時(shí)，由于材料不同，壓力更易沖擊承受高壓能力較差的不銹鋼噴嘴套和旋轉(zhuǎn)體套，導(dǎo)致其在數(shù)小時(shí)內(nèi)嚴(yán)重?fù)p壞。噴嘴套和旋轉(zhuǎn)體套材料為常用的1Cr13不銹鋼，具有較高韌性、塑性、良好的耐蝕性，但硬度較低，耐磨性較差，其力學(xué)性能見表2。

d. 組合件存在缺陷。噴嘴和旋轉(zhuǎn)體為芯體和套的組合件，芯體和套之間存在一定間隙，成為高壓沖擊的薄弱點(diǎn)。

表1 我國(guó)模具硬質(zhì)合金牌號(hào)化學(xué)成分與力學(xué)性能

表2 1Cr13不銹鋼的力學(xué)性能

4 技術(shù)改進(jìn)

噴嘴承受高壓、介質(zhì)固含量高、腐蝕性強(qiáng)是工藝條件要求，不能改變，需從霧化器材料和結(jié)構(gòu)方面著手進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。噴嘴和旋轉(zhuǎn)體芯體材料為硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金具有良好的耐磨、耐腐蝕性能，在催化劑霧化器上有良好的應(yīng)用效果。因此，將不銹鋼噴嘴套和旋轉(zhuǎn)體套材料也改進(jìn)為硬質(zhì)合金完全可行，同時(shí)，將噴嘴和旋轉(zhuǎn)體的組合結(jié)構(gòu)改為一體結(jié)構(gòu)，車間購(gòu)置的毛坯件只需電火花機(jī)床打孔一道工序便可完成霧化器的加工生產(chǎn)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。改進(jìn)后的霧化器噴嘴和旋轉(zhuǎn)體如圖2所示。

a. 噴嘴 b. 旋轉(zhuǎn)體

改進(jìn)后的噴嘴和旋轉(zhuǎn)體，先在催化劑廠一套微球裝置噴霧干燥器上進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了良好的使用效果，進(jìn)而推廣到催化劑廠兩套微球和全白土裝置，獲得了預(yù)期效果。此后，生產(chǎn)裝置開始全部使用硬質(zhì)合金一體結(jié)構(gòu)噴嘴和旋轉(zhuǎn)體。

5 改進(jìn)效果

原來的噴嘴和旋轉(zhuǎn)體僅可使用一個(gè)班次，改進(jìn)后可延長(zhǎng)到3～4個(gè)班次，噴嘴和旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)材料的改變，使噴霧干燥器噴霧效率發(fā)生了質(zhì)的改變，全年消耗噴嘴和旋轉(zhuǎn)體數(shù)量大幅下降，同時(shí)減少了車工加工不銹鋼套及熱組裝等中間環(huán)節(jié)，極大地節(jié)約了人工成本。

據(jù)車間材料員統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2011年全年催化劑廠共領(lǐng)用噴嘴和旋轉(zhuǎn)體約7 000套，一件霧化器的價(jià)格為82.00元，總費(fèi)用達(dá)574 000元。改進(jìn)后，噴嘴和旋轉(zhuǎn)體壽命延長(zhǎng)，2012年1～10月份，車間共購(gòu)置噴嘴毛坯件2 000件，旋轉(zhuǎn)體消耗量較噴嘴稍少，共購(gòu)置旋轉(zhuǎn)體毛坯件1 500件，噴嘴價(jià)格72.21元，旋轉(zhuǎn)體價(jià)格為69.74元，每月消耗量穩(wěn)定，預(yù)計(jì)2012年購(gòu)置噴嘴和旋轉(zhuǎn)體毛坯件費(fèi)用為298 836元，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

通過對(duì)霧化器材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)改進(jìn)，提高了催化劑廠3套裝置的噴霧干燥器噴霧效率，噴嘴和旋轉(zhuǎn)體消耗量大幅降低，獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省了勞動(dòng)力，攻關(guān)取得了相應(yīng)的成功。

[1] 胡憶溈，于波，胡艷菊.化工設(shè)備與機(jī)器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：2～293.

[2] 北京市《金屬切削理論與實(shí)踐》編委會(huì).金屬切削理論與實(shí)踐[M].北京：北京出版社，1979：1～261.

[3] 黃祥成，邱言龍，尹述軍.鉗工技師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：1～342.