硼掺杂微米金刚石复合薄膜涂层喷嘴应用实验

BD-UCD薄膜涂层喷嘴的应用试验在乙烯催化裂解催化剂生产线中的喷雾干燥设备中进行，应用试验中同时采用了未涂层喷嘴作为对照。用于乙烯催化裂解催化剂生产的喷雾干燥设备原理如图7-6所示，反应原料通过测量设备和混合装置后定量混合，然后在压力泵的作用下加压进入喷枪，通过旋转体和喷嘴后从喷嘴出口呈雾状喷出，在采用加热炉加温的干燥室内干燥后形成粉末状产品，通过分离器分离后形成可供下一阶段工艺加工的催化剂产品。涂层喷嘴样品及试验现场图如图7-7所示，反应原料为高岭土、拟薄水铝石与水溶解后的固液两相混合物，其中主要的固体硬质颗粒成分为二氧化硅（质量分数为78%）和三氧化二铝（质量分数为22%），颗粒的平均直径约为10～12μm，正常生产的喷雾压力大约为11～12.5 MPa，干燥温度在450℃以上，总流量控制在9.5 m3/h左右，最大冲击速度约为100 m/s。

图7-6　用于乙烯催化裂解催化剂生产的喷雾干燥设备原理

图7-7　BD-UCD薄膜涂层喷嘴样品及应用试验现场

（a）涂层喷嘴样品；（b）喷嘴装于喷枪中；（c）喷枪装于喷雾干燥设备中

如图7-6右上角所示，在喷雾喷嘴前会搭配使用旋转体部件，通过旋转体之后的固液两相流及其中的硬质颗粒对喷嘴锥孔表面的冲蚀角度大约为60°～90°，而进入喷嘴内孔区域的流体在对内孔表面的冲蚀角度大约为0～15°。实际应用中锥孔表面的适度磨损不会对喷嘴的应用状况造成太大的影响，而喷嘴孔径的变化则会直接影响到催化剂产品的粒径分布、分散度和球形度等质量要素。本应用试验中生产的催化剂产品最大颗粒直径约为149μm，平均颗粒直径要尽量保持在70～72μm范围内，同时尽量减少直径较大和直径较小的颗粒数量。如果颗粒直径过小，催化剂产品在使用过程中容易随油流走；如果颗粒直径过大，催化剂产品在后续加工和使用过程中不容易被鼓风机吹起。催化剂产品的分散度会间接影响产品颗粒的直径，而球形度则是催化剂产品催化性能评定的一个重要标准。该应用试验分别从喷嘴冲蚀磨损性能和催化剂产品质量两个角度评价了BD-UCD薄膜涂层喷嘴的应用效果。

1）喷嘴冲蚀磨损性能评价

喷嘴应用试验过程中固体硬质颗粒的冲击或冲刷作用会造成喷嘴工作表面的材料剥落，喷嘴失重ML可直接用于表征喷嘴整体的冲蚀磨损性能，BD-UCD薄膜涂层喷嘴和未涂层喷嘴的失重ML随时间变化的曲线图如图7-8（a）所示。从图中可以看出，当使用时间达到80 h时，未涂层喷嘴的失重已经高达926 mg，而同一时间涂层喷嘴的失重仅有28 mg，当使用时间达到200 h时涂层喷嘴失重也仅有104 mg，涂层喷嘴失重要远小于未涂层喷嘴，说明BD-UCD薄膜涂层喷嘴整体的冲蚀磨损性能显著优于未涂层喷嘴。

图7-8　BD-UCD薄膜涂层喷嘴和未涂层喷嘴的失重及喷嘴孔径随时间变化曲线

（a）喷嘴失重；（b）喷嘴孔径

由于冲蚀角度和冲蚀速度的差异，喷嘴锥孔和内孔表面的冲蚀磨损情况会存在区别，其中锥孔表面的剧烈磨损或者破坏会影响喷嘴的使用效果。应用试验中工作40 h后的BD-UCD薄膜涂层喷嘴以及未涂层喷嘴锥孔表面的冲蚀形貌如图7-9所示，未涂层喷嘴锥孔表面材料剥落现象很明显，甚至出现了非常严重的断裂裂纹，该断裂裂纹的形成可能与陶瓷材料的内部缺陷有关，即使是在材料剥落不是非常明显的位置，喷嘴表面的陶瓷材料在固液两相流长时间冲击下也已经变得非常疏松、易于脱落。而在BD-UCD薄膜涂层喷嘴的锥孔表面观察不到明显的材料剥落现象，从微观形貌中可以看出，经过40 h的连续工作后，复合金刚石薄膜的冲蚀磨损仍然处于初始状态，仅有表面的一部分比较突出的金刚石晶粒在连续冲击作用下发生破裂，还没有进入实质性的裂纹生成、裂纹扩展及材料脱落的冲蚀磨损阶段。(www.xing528.com)

喷嘴孔径对催化剂产品的粒径分布、分散度和球形度等质量要素影响很大，因此在应用试验中将喷嘴孔径的扩大定义为喷嘴主要的失效形式。该喷嘴原始孔径为3.2 mm，根据实际应用经验，如果喷嘴孔径超过3.25 mm，喷雾干燥工艺中的压强、流量等参数均会受到明显影响，生产出来的催化剂质量也会严重下降，无法达标，因此定义3.25 mm作为喷嘴的失效标准。如图7-8（b）所示为BD-UCD薄膜涂层喷嘴及未涂层喷嘴孔径随时间的变化曲线，当使用时间达到40 h时，未涂层喷嘴的孔径已经明显超过了3.25 mm，而复合涂层喷嘴在使用了220 h后孔径才刚刚达到3.251 mm，BD-UCD薄膜的使用将该喷雾干燥喷嘴的使用寿命提高了5倍以上。

图7-9　BD-UCD薄膜涂层喷嘴和未涂层喷嘴的锥孔表面冲蚀形貌（工作时间40 h）

（a）BD-UCD薄膜涂层喷嘴；（b）未涂层喷嘴

2）催化剂产品质量评价

乙烯催化裂解催化剂产品的质量要素主要包括催化剂的分散度、球形度和粒径分布。采用已工作20 h的BD-UCD薄膜涂层喷嘴和已工作20 h的未涂层喷嘴分别进行催化剂产品的生产，如图7-10所示为对生产的催化剂产品抽样检测得到的扫描电子显微镜（SEM）形貌图，复合金刚石涂层喷嘴在工作20 h之后孔径变化很小，如图7-8（b）所示，因此采用工作了20 h的该喷嘴生产的催化剂产品球形度仍然非常好，基本上没有明显的粘连现象存在。而工作20 h后的未涂层喷嘴生产出来的催化剂产品虽然还可以达到催化剂产品的总体质量要求，但是球形度有所降低，粘连现象明显，这会对催化剂产品的后续加工和使用造成不利影响。

图7-10　BD-UCD薄膜涂层及未涂层喷嘴使用20 h后生产的催化剂形貌

（a）BD-UCD薄膜涂层喷嘴；（b）未涂层喷嘴

工作20 h之后的两种喷嘴生产的催化剂产品粒径分布直方图如图7-11所示，在长时生产过程中，采用BD-UCD薄膜涂层喷嘴生产的催化剂产品的平均粒径约为71.1μm，粒径分布比较集中，主筛分（40～80μm）含量较高（约41%），大颗粒和小颗粒的含量都比较少。而采用未涂层喷嘴生产的催化剂产品平均粒径约为72.8μm，相对于采用涂层喷嘴生产的产品，主筛分含量下降（约36.8%），大颗粒和小颗粒的含量均有明显增加。催化剂产品平均粒径的增加和粒径分布均匀度的下降主要是因为内孔孔径的扩大，BD-UCD薄膜涂层喷嘴良好的冲蚀磨损性能有助于维持孔径的稳定性，因此也便有助于保持催化剂产品粒径分布的均匀性。BDUCD薄膜涂层喷嘴优异的冲蚀磨损性能、良好的孔径稳定性以及生产的催化剂产品的质量稳定性可保证该喷嘴在喷雾干燥设备中的长期稳定运行，从而减少了停机检测、更换喷嘴的次数，有效提高了生产效率。

图7-11　采用工作20h的BD-UCD薄膜涂层及未涂层喷嘴生产的催化剂粒径分布

（a）BD-UCD薄膜涂层喷嘴；（b）未涂层喷嘴