墙地砖生产过程包括三个重要的工序：制粉、成形与烧成。制粉是重要也是非常关键的工序，制粉分两部分：原料的球磨和喷雾干燥。在球磨工序控制好泥浆的细度和水分后，喷雾干燥工序则决定了坯体粉料的质量，它直接影响后续工序的质量：粉料的成形性能、坯体均匀性、生坯强度等，进而影响瓷砖产品的性能。
喷雾造粒制备的粉料，一般要求满足以下性能：具有一定的水分、合理的颗粒度及颗粒级配、良好的流动性、一定的松装密度。
满足上述要求的前提下，充分发挥实验室喷雾干燥机的效率，达到节能减排的目的。本文根据文后所列文献，结合作者的生产实际经验，从实验室喷雾干燥机的结构开始，介绍喷雾干燥的工作原理，以及生产过程中的控制要点与缺陷克服措施等。
2喷雾干燥塔的结构
喷雾干燥塔的结构有很多种，陶瓷厂常用的喷雾干燥塔如图1所示，它通常包括如下几部分:
包括：浆池搅拌机、泥浆泵、料浆筛、输浆管道、流量计等。
作用：向雾化器供应料浆。
雾化器是喷雾干燥塔最重要的部件。它的作用是将输入的料浆雾化成微细的液滴，以便干燥。雾化器种类有很多种：旋转式雾化器、喷嘴式雾化器、组合式雾化器。不同的雾化器可以适合不同的料浆类型，提供大小均匀的雾滴。
它是整个工艺过程的主体设备，它的主要作用是容纳雾化后的料浆液滴与热风交汇，完成干燥过程。
包括：空气加热器(热风炉)、调温冷风机、分风器、热风管道等。它的作用是为喷雾干燥塔提供热风，作为干燥介质。分风器的作用是均匀分配热风，使热风以一定的角度下旋，使料浆均匀受热。如果分风器倾斜，将导致粉料干湿严重不均。
包括：除尘机、排风机、废气烟囱、脱硫机等。
作用：回收废气中的粉料，并且对废气进行处理，使之达到国家规定的排放标准，保护环境。
3喷雾干燥的工艺过程
喷雾干燥一般可以分为四个阶段:
其中最重要的是雾化与干燥，直接影响产品质量。
3.1泥浆的雾化
泥浆雾化即将泥浆分散为微细的雾滴。雾滴的平均直径约为150～350μm，按粉料的不同用途，确定雾滴大小。雾滴大小和均匀度对产品的质量影响很大，其中的雾化器是关键部件，将在后面专门讨论。雾化的雾滴很细小，它的比表面积大，与热空气接触时，极易发生传质和传热，使雾滴迅速汽化干燥。
雾滴与热空气混合，取决于热空气入口和雾化器的相对位置，雾滴与热空气的接触方式分为：(1)并流式，分为向下并流、向上并流和水平并流；(2)逆流式；(3)混流式。其原理如图2所示。
3.2.1并流运动
热空气先与含水高的雾滴接触，水分迅速蒸发，空气温度迅速降低。整个过程，物料温度不高，因而对热敏性物料干燥有利。由于水份蒸发迅速，雾滴容易膨胀甚至破碎，所得粉料多为非球形的多孔颗粒，粉料容重低。
3.2.2逆流运动
3.2.3混流运动
这种方式既有并流，又有逆流的运动，适合生产流动性好的粗粉，即陶瓷厂广泛使用的实验室喷雾干燥机类型。
混流有两种情况：
(1)喷嘴安装在干燥塔底部，热风从顶部进入。雾滴先作逆流运动，到达高点后下降，作并流运动。
(2)喷嘴安装在塔的中部，物料向上喷雾，与塔顶进入的高温空气接触，使水分迅速蒸发。这种方式热效率高。雾滴先逆流运动，干燥到一定程度后，又与已经大幅降温的热空气向下并流，干燥的物料和已经降低到出口温度的空气接触，避免了物料的过热变质，适用于热敏性原料，陶瓷企业就是使用这种干燥塔。
3.3雾滴的干燥
雾滴的干燥，与坯体的干燥原理相似，分为两个过程：恒速(一阶段)和降速(二阶段)。雾滴一遇到热空气，雾滴中的水即汽化进入到空气中。
恒速阶段：雾滴中有足够的水分，可以保持表面的湿润状态，蒸发恒速进行。
4雾化器的种类和特点
雾化器是实验室喷雾干燥机的核心，有以下三种类型：气流式雾化器、旋转式雾化器和压力式雾化器。目前陶瓷行业广泛使用的是压力式雾化器。
4.1气流式雾化器
采用压缩空气以很高的速度(300m/s或更高)从喷嘴喷出，利用气液二相的速度差产生的摩擦力，使液滴分裂为雾滴。雾滴大小取决于相对速度和料液的粘度。料雾的分散度取决于气体的喷射速度、料液的物理性质、雾化器的几何尺寸、气液量之比。陶瓷厂辊道窑的烧油喷嘴即是一种气流式雾化器。
4.2旋转式雾化器
料液从中心输入到高速旋转(圆周速度达90～140m/s)的转轮或转盘，然后在轮或盘的表面加速流向边缘，在离开边缘时分散成由微细的雾滴组成的料雾。甩釉机就是一种旋转式雾化器。
特点：可以通过控制轮的转速调节颗粒的大小。平均粒度与进料速度、料液粘度成正比，与转轮速度和转轮半径成反比。
4.3压力式雾化器
料浆用泵以较高压力沿切线槽进入旋流室，在旋流室，料浆高速旋转，形成近似的自由涡流。在压力作用下，料液从小孔喷出，形成锥形料雾。由于压力式雾化器中，料浆的压力达到2MPa以上，很容量磨损喷嘴材料，尤其是喷嘴孔板，因此，喷嘴孔板一般采用硬质合金。
4.3.1雾锥形状
压力式喷嘴产生的料雾，有两种形状：实心雾锥和空心雾锥(如图4所示)。在生产中，应尽量形成实心雾锥。实心雾锥：干燥空气与雾锥全面接触，干燥均匀。并且，实心雾锥可以使雾滴在干燥塔中心位置到达行图4雾锥形象示意图程的高点。实心锥喷雾适合先逆流后并流的喷雾干燥系统，可以有效减少粘壁现象，其含有较大比例的大液滴。
空心雾锥：颗粒偏小，产量低，容易形成粘壁料，严重影响喷雾干燥粉料的质量。空心锥喷雾特别适合并流喷雾干燥系统。
空心雾锥与实心雾锥可以相互转换。旋流室中，当轴向液体速度分量增大，足以抵消旋转运动时，空气芯消失，空心锥喷雾变为实心锥喷雾。所以旋流室和旋流片的尺寸很重要，对此后面将专门讨论。
4.3.2喷雾角
喷雾角也称雾化角,是压力式喷嘴的重要参数。下面的一些因素会对雾化角产生影响。
压力对雾化角的影响压力增大，雾化角变小。
粘度对雾化角的影响
粘度增大，雾化角缩小。粘度很大的液体，将变成一条射束，难以雾化。
雾化角与喷嘴流量的关系
雾化角与喷嘴流量呈反比例关系，雾化角越大，喷嘴流量越小。
雾化角对粉料质量的影响
雾化角过大，整个雾化面偏低，易粘塔壁，且不能有效利用塔顶部热空气均匀分布的优势。雾化角过小，雾化面增高，料浆可能射向塔顶，也会造成粘塔。两种情况都会产生较多的塔壁料，严重影响粉料质量。
5雾滴粒径的影响因素
5.1运行参数对雾滴尺寸的影响
压力对雾滴粒度的影响
压力增大，雾滴减小。雾滴粒度与压力的-0.3次方成比例。在很高压力下，压力的变化对雾滴粒度无明显影响。
粘度对粒度的影响
粉料的粒度与泥浆粘度的0.17～0.2次方成比
例，提高料浆粘度，将产生粗颗粒的雾滴。当粘度很大时，不能用压力喷嘴雾化。
生产过程中，适当控制和稳定泥浆的流动性，可以控制喷雾料的颗粒大小。例如，生产色斑耐磨砖，为增加着色效果，色粒要大，这就要调大颜色料浆的粘度，有需要时加CMC。为了改善坯体成形时的排气效果，可以适当提高喷雾干燥粉料的粒径，也可通过提高泥浆的粘度来实现。
喷嘴孔径对雾滴粒径的影响
在其他参数不变时，雾滴尺寸随喷嘴直径的平方而增加。这一因素影响非常大，生产中常用此法调节粒径，按照粉料的不同用途，配置不同的喷嘴口径。
5.2雾滴的粒径分布
压力喷嘴获得的粒径范围较宽，粒径分布决定于喷嘴尺寸、操作压力和料液条件。粒径的分布范围，要根据压机的成形要求来进行调节。
6热风炉
陶瓷厂使用的热风炉，根据燃料不同，主要有四种加热设备：重油炉、水煤气炉、水煤浆炉、链排炉。
6.1重油炉
生产过程中，对重油热风炉，主要控制以下几方面：重油过筛，把渣子去除；油温温度控制，温度过低，影响燃烧；控制烧嘴结焦。
抛光砖中的黑点，有很多就是由于重油结焦引起的。
6.2水煤气炉
(1)冷煤气
正常使用，效果很好。
(2)热煤气
热煤气中的煤粉含量高，会影响抛光砖的质量，因而不主张使用，但对有釉产品的影响稍小一些。
6.3水煤浆炉
(1)水煤浆的要求
水煤浆由70%的煤、29%的水和1%的添加剂组成。其煤质要求如下：热值大于6500大卡；杂质含量小于10%；挥发分大于30%。水煤浆要求静止24h后只能有少量沉淀。
使用水煤浆的优点是可以充分利用把酚水及煤焦油等污染物，减少环境污染。水煤浆旋风热风炉示意图见图5。
图5水煤浆旋风燃烧炉示意图
特点：
优点：操作简单、燃烧效率高。缺点：
1)建造成本高；
2)点火要烧油，备有燃油系统，结构复杂；
3)水煤浆喷嘴易堵塞和磨损；
4)炉膛易结焦，混入粉料中，影响产品质量；
5)自身含有30%水分，影响热效率。
6.4链排炉
链排炉全称为链条炉排热风炉。
优点：
1)直接燃烧原煤，结构简单、供热稳定、自动化程度高；
2)可以把制水煤气的酚水、煤焦油一起加入烧掉，解决环保问题。
缺点：
1)燃烧效率较低，约75%左右；
2)如果灰分熔点低，则易结焦；
3)煤粉易混入粉料中，影响产品的质量。
经改进后的链排炉效果很好，能把抛光砖中的杂质控制在0.5%以下。广东某抛光砖厂使用改进后的链排炉，生产成本比水煤浆炉低很多，而杂质率在0.5%以下。
7影响粉料质量的工艺参数
7.1选择合适的雾化角，保证料浆充分雾化
由前面的讨论可知，雾化角过大或过小都会产生粘壁料，影响粉料的流动性和成形性能。
若雾化不均，有较大液滴存在，此液滴干燥相对较慢，在运动过程中会形成许多孪生颗粒；若颗粒较大，来不及干燥而导致粘壁的可能性显著增大。另外，粉料颗粒粗细不均匀，分布不合理等，均会影响粉料的流动性。生产中，雾化角还要与旋流室的高度合理配合。
下面以蒸发量为200kg/h的实验室喷雾干燥机为例，探讨雾化角的合理调配。
7.1.1雾化器喷嘴孔径与旋流室合理组合
喷嘴片孔径与旋流室高度对雾化角的影响如图7所示(泵压为2MPa)。图中，斜直线代表喷嘴片孔径，曲线代表雾化角等值线。结论：旋流室高度减少、喷嘴片孔径增大，使雾化角增大。反之，雾化角减少。
7.1.2雾化器与泵压的合理组合
旋流室高度与泵压的关系。参数是在孔径1.0mm的条件下测定的。固定泵压1.8MPa，调节旋流室高度由8mm、5mm到3mm，同时，调节泵压由1.8MPa到2.0、2.2、2.4MPa，分别测量雾化角的变化。压力一定时，雾化角随旋流室高度的减小而增大，反之亦然；旋流室高度一定时，雾化角随压力的增大而增大，反之亦然。因此，为保证充分稳定雾化，必须：泵压不能太低；泵压要稳定；防止泥浆搅拌过程中产生湍流或大量旋涡，否则会降低泥浆流动性，使泥浆不易雾化。
7.2粒度分布的影响因素
工作人员系统研究了影响喷雾干燥各项参数对粒度分布的影响，他们的试验条件是：GIPP-2000型实验室喷雾干燥机。所用泥浆的基本参数如下：
比重：1.45～1.55g/mL
含水率：36.2%
粘度：18.5s
细度：万孔筛小于1%
7.2.1泥浆含水率对粉料粒度分布的影响
泥浆粘度为18s，喷雾压力1MPa，喷片孔径1.5～1.8mm，改变泥浆含水率，在其他条件不变的情况下，随着泥浆水分的增加，粉料中的细粉比例增加，成形排气困难。水分越低，大颗粒越多，越利于成形。所以试验配方时，要让料浆水分尽量低。
7.2.2泥浆粘度对粉料粒度分布的影响
泥浆水分36%，喷雾压力1MPa，喷片孔径1.5～1.8mm，改变泥浆粘度，测得粉料的粒径分布如表2所示。从表2可见，泥浆粘度大，粉料中粗颗粒就相应多一些；泥浆粘度小，粉料中细颗粒就相应多一些。生产中，泥浆粘度过大，容易造成塞枪；粘度过小，容易导致粘塔和塌壁料产生，所以，要适当控制泥浆粘度。
7.2.3泥浆压力对粉料粒度分布的影响
泥浆水分36%，喷雾压力1MPa，喷片孔径1.5～1.8mm，改变泥浆压力，测得粉料的粒径分布，泥浆压力越大，粉料中细颗粒所占比例越大；泥浆压力越小，粉料中粗颗粒所占比例逐渐增多。压力过低，实验室喷雾干燥机制粉能力下降，制粉成本大幅度上升。泥浆压力过大，则会导致泥浆雾化不好，部分泥浆可能碰到塔壁。因此，要根据工厂的实验室喷雾干燥机的大小，确定泥浆的压力，同时要考虑压机所需的粉料颗粒级配。
7.2.4喷片孔径对粉料粒度分布的影响
泥浆水分36%，喷雾压力1MPa，改变喷片孔径，测得粉料的粒径分布径的增大显著改变粉料的粒径分布，随孔径增大，粉料中粗颗粒所占比例明显增大，适合成形的粉料比例由80%～90%提高到92%以上。因此，要增加大颗粒的含量和实验室喷雾干燥机的产量，增大孔径为有效快捷的方法。
7.2.5几种因素的比较
比较上面几种影响因素，对粉料粒度分布影响的大小关系为：喷片孔径＞喷雾压力＞泥浆粘度＞泥浆含水率。
7.3粉料的流动性
7.3.1粉料流动性的作用
7.3.2测试方法
粉料流动性的测定方法如下：用直径30mm、高50mm的圆筒放在玻璃板或瓷板上，将坯料装满刮平。然后提起圆筒，让粉料自然流散开来，再测量料堆的高度H(mm)。
粉料的流动性f=50-H(mm)。H的值越小，粉料的流动性越大，粉料越容易填满模具。
各种制粉方式获得的粉料流动性如下：离心雾化的粉料流动性为：31～33s；压力雾化的粉料流动性为：32.5～35s；轮碾打粉的粉料流动性为：25～26s。
简易测试方法，直接用涂4杯装一杯粉料，看能否自动流完，能流完则流动性好，反之流动性差。
7.3.3粉料流动性的影响因素
(1)粉料的颗粒级配
粉料中细粉过多时，严重影响流动性。
(2)颗粒的球形度
球形和椭球形的粉料流动性相对较好。选择合适的添加剂，对喷雾干燥的粉料形状影响很大。
(3)粉料的强度
粉料在输送过程中挤压受力，如果颗粒的强度不够，会导致颗粒破碎，细粉增加，粉料的流动性就差。在坯体配方中添加CMC或坯体增强剂，可以提高颗粒的强度。
(4)避免形成空心颗粒，因空心颗粒容易破碎成小颗粒。
7.4粘壁料产生的原因和解决措施
7.4.1粘壁问题
粘壁是指被干燥的物料粘附在实验室喷雾干燥机的壁上，这是实验室喷雾干燥机操作中的一个大难点，有时粘壁料的厚度达到10～15cm。有的实验室喷雾干燥机因设计或操作不当，产生严重粘壁，甚至使实验室喷雾干燥机不能正常投入使用。粘壁会产生如下问题：
(2)粘壁后的粉料进入产品中，使粉料水分不合格；结块的粉料使产品产生鸡爪裂。
(3)影响能耗。很多的粘壁料(塌壁料)要回池重喷。
(4)有的实验室喷雾干燥机要中途停止运行，才能清除粘壁料，影响实验室喷雾干燥机的产量。
粘壁可分为三种类型：半湿物料粘壁、干粉表面吸附、低熔点物料的热熔性粘壁。陶瓷企业常见的是半湿物料粘壁，低熔物很少产生。下面简要分析半湿物料粘壁现象的产生原因与对应的解决办法。
7.4.2粘壁料的产生原因
概括起来有以下一些原因：
泥浆振动筛损坏，大颗粒泥浆通过柱塞泵进入喷枪，堵塞喷片造成不能雾化或雾化效果差，泥浆在塔中不能很快干燥，造成粘壁。
喷枪中的喷片过度磨损，没有及时更换，造成雾化效果差，导致粘壁。喷嘴孔因磨损不圆时，产生的雾锥就不对称，这时易产生粘壁现象。
进风温度过低，雾化的泥浆不能迅速干燥，造成粘壁。
塔门处和喷枪处没有严格密封，冷风进入塔，造成局部温度下降过多，导致粘壁。塔下锥翻板下料器漏风，导致塔下锥处粘壁。
分风器设计不合理，塔热风温度不均，温度低的地方会造成粘壁。
塔体保温效果差，也会造成粘壁。
塔负压过大，未来得及完全干燥的物料被风机抽下，造成粘壁。
柱塞泵压力波动过大，也容易造成粘壁。
总结起来，温度过低、喷枪堵塞和磨损是造成粘壁的主要原因。生产过程中应根据实验室喷雾干燥机的实际运行情况，找到问题的根源，有针对性地予以解决。
7.5粉料水分
粉料的水分对压机的成形有很大影响。要根据成形工序的要求来确定粉料的水分。注意水分的测试方法和标准必须统一，成形工序和制粉工序的测量标准要一致。
粉料水分的调节主要依靠调整进风温度和泥浆泵压力。注意废气温度变化时，可能表明粉料的水分有所波动。
7.6粉料中的杂质
使用水煤浆、煤粉、重油等作燃料，都有可能结焦，在粉料中产生黑点，要定期抽查。例如：每4h取实验室喷雾干燥机粉料5kg，用120目筛淘洗，观察筛余，根据筛余中的黑粒，及时检查热风炉情况。根据筛余，还可以知道振动筛是否有损坏，是否有高温塌壁料。
还有一种检测方法，对测试粉料中的煤灰类杂质很有帮助。分别抽取泥浆池浆料和喷雾干燥后的粉料，检测其高温灼烧量。如果喷雾干燥后的烧失量增加，则意味着喷雾干燥过程中有可燃性杂质混入，要检查热风炉的燃烧情况。抛光砖的变形有些正是由于粉料中混入过多的煤粉或煤灰引起的。
8喷雾干燥的节能措施
为提高实验室喷雾干燥机的能效，蔡祖光研究了实验室喷雾干燥机的各项数据，通过实验得出节能降耗的七条措施。
(1)提高热风的进塔温度
在离塔温度不变的情况下，热风的进塔温度越高，传递给泥浆雾滴的热量越多，单位热风蒸发的水分越多。在生产能力恒定的情况下，所需热风量减少(即减少了热风离塔时带走的热量)，降低了喷雾干燥制粉的热量消耗。
(2)降低热风的离塔温度
在热风的进塔温度恒定不变的情况下，降低热风的离塔温度，可以减少热风离塔时所带走的热量，能大限度地利用热风的热量来干燥泥浆雾滴。
(3)增大进塔热风与离塔热风之间的温度差
通过提高热风的进塔温度或降低热风的离塔温度，增大进塔热风与离塔热风之间的温度差，充分利用热风的热量蒸发泥浆雾滴的水分，以达到提高实验室喷雾干燥机的热效率、降低能耗的目的。
(4)降低陶瓷泥浆的含水率
(5)提高陶瓷泥浆的温度
通过提高泥浆的温度，能有效降低泥浆的粘度，改善泥浆的雾化性能及预防泥浆堵塞雾化器等。泥浆的温度提高后，泥浆在实验室喷雾干燥机不需预热就能直接蒸发水分，降低了喷雾干燥制粉的热量消耗。
(6)循环利用部分离塔热风(废气)
陶瓷泥浆经喷雾干燥制粉后，离塔热风(废气)通常经除尘后直接排入大气中，这样大约损失喷雾干燥制粉生产工序总热量消耗的10%～20%；当离塔热风(废气)的温度较高时，其热量损失就更大。实际测试表明，若热风离塔温度高于100℃时，采用部分废气循环利用技术(如循环利用50%的废气)，喷雾干燥器可以节约15%左右的燃料消耗。
(7)利用热交换器回收废气余热
利用余热交换器，可以显著节省能源。板式换热器的散热面积大、换热效率高，目前国外实验室喷雾干燥机通常利用空气-液体-空气型板式换热器回收废气余热。
9废气治理
喷雾干燥的废气治理，主要是粉尘和二氧化硫的去除。粉尘主要采用旋风分离除尘、布袋除尘。脱硫主要采用脱硫剂，如石灰(CaO)和纯碱(Na2CO3)。石灰浆与废气中的SO2反应：
Ca(OH)2+SO2=CaSO3+H2O(1)
在氧化气氛中，部分CaSO3转变为CaSO4，产生的CaSO4和CaSO3沉淀物经压滤后，作为废物填埋。
还有一种方法，在泥浆中添加纯碱，喷雾干燥时，碱液与热风中的SO2发生中和反应而将SO2从废气中脱除，脱硫产物与大部分粉料一起由排料器排出。
采用纯碱脱硫的反应如下
Na2CO3+SO2=Na2SO3↓+CO2↑(2)
在高温、碱性条件下，上述反应瞬间完成，产物Na2SO3在高温有氧条件下迅速氧化为Na2SO4，同时被还原成Na2S。
4Na2SO3(有氧环境下加热)=3Na2SO4+Na2S(3)
Na2SO4和Na2S比较稳定，熔点分别为884℃和1180℃，一般条件下不发生分解。
纯碱本身就是良好的减水剂，使用纯碱作为脱硫剂，一举两得，经济效果显著。产生的反应产物Na2SO4和Na2S可以留在坯体中，不必专门处理。佛山西樵某公司的4000型实验室喷雾干燥机，使用该技术后脱硫效果良好。
使用该方法时要注意以下问题
(1)严格控制泥浆的pH值。泥浆的pH值必须控制在10以上，方可获得佳的脱硫效果。
(2)根据燃料的含硫量，计算出泥浆中纯碱的加入量。
(3)注意纯碱若转化为NaHCO3，将严重影响各种效果，因此应注意包装袋的密封性。