鈦白粉生產(chǎn)工藝優(yōu)化與設(shè)備改進(jìn)

劉宏，陳文娟，戴建軍

（1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412004；2.中鹽湖南株洲化工集團(tuán)有限責(zé)任公司）

鈦白粉生產(chǎn)工藝優(yōu)化與設(shè)備改進(jìn)

劉宏1，陳文娟1，戴建軍2

（1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412004；2.中鹽湖南株洲化工集團(tuán)有限責(zé)任公司）

摘要：某公司1.5萬(wàn)t/a硫酸法鈦白粉生產(chǎn)工藝存在“三廢”排放量大、能耗高、生產(chǎn)成本居高不下等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題對(duì)鈦白粉生產(chǎn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改造，主要包括酸解反應(yīng)過(guò)程、煅燒尾氣處理過(guò)程以及轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)等，最大程度地降低了鈦白粉的生產(chǎn)成本。實(shí)踐結(jié)果表明：將廢酸回用于酸解反應(yīng)，可將酸解率提高并穩(wěn)定在95%以上，每噸鈦白粉硫酸消耗從4.52 t下降到4.25 t；將偏鈦酸二次洗水用作煅燒尾氣噴淋水再回用到偏鈦酸一次洗水，每年可節(jié)約蒸汽5.9×103t；改造轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)，提高了燃燒效率，每噸鈦白粉煤氣消耗從780 m3降至533 m3。通過(guò)以上工藝優(yōu)化和設(shè)備改進(jìn)，累計(jì)可降低鈦白粉生產(chǎn)成本912.8元/t。

關(guān)鍵詞：鈦白粉；節(jié)能降耗；工藝優(yōu)化；設(shè)備改造

鈦白粉工業(yè)生產(chǎn)方法主要有硫酸法和氯化法［1-3］。硫酸法的優(yōu)點(diǎn)是原料鈦鐵礦和硫酸價(jià)低易得，技術(shù)成熟，設(shè)備簡(jiǎn)單，防腐蝕材料易解決。其缺點(diǎn)是工藝流程長(zhǎng)，以間歇操作為主，硫酸和水消耗高，廢物及副產(chǎn)物多，對(duì)環(huán)境污染大。某鈦白粉生產(chǎn)廠建于20世紀(jì)70年代初期，采用傳統(tǒng)的硫酸法生產(chǎn)鈦白粉，經(jīng)過(guò)幾次擴(kuò)產(chǎn)改造，目前裝置的生產(chǎn)能力已達(dá)1.5萬(wàn)t/a，但是產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益并不明顯，成本一直居高不下。技術(shù)人員針對(duì)現(xiàn)有裝置和生產(chǎn)條件，對(duì)酸解反應(yīng)、煅燒窯尾氣的處理以及轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)等進(jìn)行了工藝優(yōu)化與設(shè)備改造，充分挖掘潛能，最大程度地降低了鈦白粉的生產(chǎn)成本，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益顯著，在節(jié)能降耗、裝置挖潛、環(huán)保達(dá)標(biāo)等方面推進(jìn)了鈦白粉生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。

1　原工藝存在的問(wèn)題

1.1高濃度廢硫酸未被利用

硫酸法鈦白粉生產(chǎn)工藝：用濃硫酸將鈦鐵礦分解得到鈦液，鈦液經(jīng)水解得到偏鈦酸，偏鈦酸經(jīng)煅燒、粉碎得到鈦白粉。在水解工序過(guò)濾偏鈦酸得到濾液，濾液中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%～16%的硫酸、穿濾的偏鈦酸微粒（折TiO2質(zhì)量濃度為1～5 g/L）以及極少量未水解的可溶性鈦。公司硫酸法鈦白粉生產(chǎn)能力為1.5萬(wàn)t/a，每生產(chǎn)1 t鈦白粉排放廢硫酸6～8 t。將廢酸用于酸解反應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可以利用其中的硫酸，減少原料濃硫酸的消耗；2）可以減少酸解反應(yīng)的用水量；3）廢酸中未水解的鈦主要以游離態(tài)存在，回用則鈦能回收到酸解鈦液中；4）廢酸中偏鈦酸微粒含量低，在酸解主反應(yīng)時(shí)能溶解成可溶性鈦，不會(huì)導(dǎo)致酸解鈦液穩(wěn)定性變差。

1.2高溫尾氣熱能未被利用

煅燒窯尾氣處理工藝：煅燒窯排出的尾氣（約300℃）首先通過(guò)沉降室，利用慣性和重力沉降除去大部分粗顆粒粉塵，然后進(jìn)入文丘里管洗滌器，部分SO3被水吸收轉(zhuǎn)換成酸霧，粉塵被水滴捕獲潤(rùn)濕后凝聚成大顆粒隨水排入回收池，此時(shí)尾氣溫度降至約80℃；經(jīng)文丘里管的氣體進(jìn)入泡沫塔進(jìn)一步回收SO3酸性氣體，煙氣溫度降至約50℃；氣體進(jìn)入電除霧器，在高壓靜電場(chǎng)作用下除去少量的粉塵與酸霧后放空［4］。此煅燒尾氣處理工藝存在的問(wèn)題：1）高溫尾氣的熱量沒(méi)有被利用，熱能損失較大；2）吸收了部分SO3的酸性循環(huán)水與涼水塔等設(shè)備接觸，加快了設(shè)備的腐蝕速度，縮短了設(shè)備的使用壽命，設(shè)備故障率高且檢修難度大，運(yùn)行成本增加；3）環(huán)保壓力大，主要是排放尾氣溫度高，而且生產(chǎn)中用進(jìn)入煅燒回轉(zhuǎn)窯之前壓濾機(jī)脫水濾液作為循環(huán)水補(bǔ)充水，部分循環(huán)水溢流至地溝，造成排放廢水的固含量高。

1.3回轉(zhuǎn)煅燒窯結(jié)構(gòu)不合理

回轉(zhuǎn)煅燒窯通過(guò)燃燒器燃燒燃料（煤氣）提供熱能，利用窯頭助燃風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)及窯尾風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，將熱能從窯頭至窯尾均勻分布。鹽處理后的偏鈦酸經(jīng)壓濾機(jī)、真空轉(zhuǎn)鼓抽濾機(jī)脫水后進(jìn)入轉(zhuǎn)窯尾部，在重力作用下往窯頭移動(dòng)，經(jīng)脫水、脫硫、晶型轉(zhuǎn)化和粒子成長(zhǎng)過(guò)程變成TiO2半成品［5］。鈦白粉生產(chǎn)廠采用一條Φ2 800 mm×55 000 mm的大型回轉(zhuǎn)煅燒窯，2005年4月投產(chǎn)。煅燒窯投產(chǎn)后存在以下問(wèn)題：1）產(chǎn)量低，煤氣消耗高（780 m3/t），轉(zhuǎn)窯收率偏低，沒(méi)有充分發(fā)揮大型設(shè)備應(yīng)有的作用；2）由于溫度分布不合理，燃燒室溫度偏高，物料存在過(guò)燒現(xiàn)象；3）燃燒器因高溫故障頻繁；4）采用熱風(fēng)循環(huán)技術(shù)，經(jīng)冷卻窯加熱后的熱風(fēng)為轉(zhuǎn)窯提供助燃風(fēng)和二次風(fēng)，由于冷卻窯列管密封不可避免地存在一些漏點(diǎn)，一、二次風(fēng)中帶有一些粉塵，經(jīng)高溫煅燒不僅會(huì)影響成品質(zhì)量，而且很容易被尾氣帶走而造成損失；5）隨著產(chǎn)量的逐步增加，窯尾返料現(xiàn)象比較嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)調(diào)快轉(zhuǎn)速、提高進(jìn)料固含量等措施后仍沒(méi)有徹底解決，影響轉(zhuǎn)窯負(fù)荷進(jìn)一步提高。

2　工藝優(yōu)化與設(shè)備改造

2.1廢酸回用于酸解反應(yīng)

將廢酸用于酸解反應(yīng)，每加入1 m3廢酸，相當(dāng)于酸解鈦液的F值增加0.017。將廢酸用于酸解反應(yīng)，應(yīng)盡可能多地使用廢酸并保證F值在合格范圍。通過(guò)對(duì)廢酸使用量的調(diào)節(jié)，使酸礦比由原來(lái)1.60降為1.54，利用硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%～16%的廢酸代替工業(yè)水來(lái)稀釋濃硫酸引發(fā)主反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)計(jì)算，最終得到廢酸回用工藝技術(shù)指標(biāo)：132 m3酸解罐，投礦22 t，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93%的H2SO420 m3，引發(fā)廢酸3 m3，浸取廢酸12 m3，保證F值在1.80～1.95，鈦液F值合格率達(dá)100%。圖1為廢酸回用于酸解反應(yīng)前后硫酸的消耗及酸解率的變化（注：1～5月未使用廢酸，6～10月使用廢酸）。從圖1看出，廢酸回用于酸解反應(yīng)后，鈦液的TiO2濃度、F值、穩(wěn)定性指標(biāo)都保持在合格范圍內(nèi)，酸解率提高并穩(wěn)定在95%以上；每噸鈦白粉硫酸的消耗從4.52 t下降到4.25 t，酸解鈦液及成品質(zhì)量合格率都提高。廢酸回用酸解反應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施后，硫酸和工業(yè)水的消耗明顯下降，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本，減少了廢水、廢酸的排放，每罐減少了約12 m3廢酸（硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%～16%）的排放，相應(yīng)地減少了排污費(fèi)，廢酸回用率達(dá)28.8%，達(dá)到同類廠家的先進(jìn)水平。

圖1　廢酸回用于酸解反應(yīng)前后酸耗及酸解率的變化

2.2煅燒尾氣處理工藝改進(jìn)

原偏鈦酸水洗過(guò)程：二次洗水清液進(jìn)入緩沖槽，用蒸汽加熱二次洗水清液升溫后作為一次洗水，洗滌水pH的控制是通過(guò)往洗滌水中加入H2SO4來(lái)實(shí)現(xiàn)［6］。煅燒尾氣噴淋循環(huán)水溫度可達(dá)80℃，且由于在噴淋過(guò)程中吸收了尾氣中的SO3呈強(qiáng)酸性（pH為1.5），水的溫度和酸度符合一次洗水工藝要求，因此可將尾氣循環(huán)水用作一次洗水。將二次水洗清液用作循環(huán)水補(bǔ)充水，增加液位自動(dòng)控制調(diào)節(jié)補(bǔ)充新鮮工藝水；取消尾氣涼水塔，循環(huán)水直接噴淋文丘里管及泡沫塔。優(yōu)化后煅燒尾氣處理工藝流程見圖2。

圖2　優(yōu)化后煅燒尾氣處理工藝流程圖

通過(guò)對(duì)煅燒尾氣處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，將煅燒尾氣循環(huán)水用作一次洗水，循環(huán)水利用尾氣余熱升溫，原本用于一次洗水升溫的蒸汽取消，降低了蒸汽的消耗；尾氣排放溫度降低到接近常溫，減少了熱能損失；煅燒尾氣處理流程中取消涼水塔后，減少了設(shè)備故障檢修頻率。實(shí)踐證明，通過(guò)上述改進(jìn)，每年可節(jié)約蒸汽5.9×103t，可節(jié)約鈦白粉生產(chǎn)成本52.7元/t，每年可節(jié)約資金約79萬(wàn)元（產(chǎn)量以1.5萬(wàn)t/a計(jì)），具有很大的生產(chǎn)實(shí)用價(jià)值。

2.3回轉(zhuǎn)煅燒窯改造

回轉(zhuǎn)煅燒窯燃燒室設(shè)計(jì)由燃燒室、混合室、收縮口3部分組成，圖3為燃燒室原結(jié)構(gòu)示意圖。由圖3可知，因燃燒室過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)收縮口限制了熱量的有效傳輸，造成燃燒室溫度明顯偏高，熱能損失過(guò)大［7］。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了縮短燃燒室長(zhǎng)度、擴(kuò)大收縮口內(nèi)徑的改造方案：取消收縮口，同時(shí)將燃燒室長(zhǎng)度縮短了3 m；取消了混合室，同時(shí)將收縮口內(nèi)徑擴(kuò)大至Φ2200mm。轉(zhuǎn)窯改造前后煅燒溫度分布對(duì)照見表1。

圖3　燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖

表1　轉(zhuǎn)窯改造前后煅燒溫度分布

轉(zhuǎn)窯改造后對(duì)各項(xiàng)工藝操作條件進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)節(jié)，根據(jù)風(fēng)氣比為4∶1、空氣過(guò)剩系數(shù)為1.2，確定總風(fēng)量為5 000 m3/h左右、尾氣中O2體積分?jǐn)?shù)為8%～10%調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)窯負(fù)壓［8］。調(diào)整后從表1的溫度分布可以看出，燃燒室溫度明顯下降，下料口溫度適當(dāng)降低，有效減少了物料的高溫?zé)Y(jié)現(xiàn)象。煤氣消耗瞬間平均流量從1 300 m3/h降到了1 000 m3/h左右，按改造前產(chǎn)量為40 t/d、改造后產(chǎn)量為45 t/d計(jì)，每噸鈦白粉煤氣消耗從780 m3降至533 m3，效果十分顯著。同時(shí)，在助燃風(fēng)機(jī)前增加了一臺(tái)60 m2的布袋除塵器以及在轉(zhuǎn)窯尾內(nèi)襯磚上增加了特種不銹鋼倒螺旋，以回收循環(huán)風(fēng)中的鈦白粉，降低了損耗，解決了窯尾返料問(wèn)題。改造后一年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)窯收率與改造前相比有明顯提高，節(jié)能降耗效果顯著。

3　結(jié)論

1）廢酸回用于酸解反應(yīng)，每噸鈦白粉酸耗從4.52 t下降到4.25 t，酸解率提高并穩(wěn)定在95%以上，廢酸回用率達(dá)到28.8%，減少了硫酸和水的用量以及生產(chǎn)中酸性廢水的排放量，同時(shí)還減少了有效鈦的損失，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。2）煅燒尾氣處理工藝優(yōu)化，將水洗工序的二次洗水清液用作尾氣噴淋水，尾氣噴淋水吸收余熱升溫后再回用到水洗工序作一次洗水，解決了鈦白粉生產(chǎn)中尾氣排放溫度高、固體含量超標(biāo)的環(huán)保難題。3）回轉(zhuǎn)煅燒窯的技術(shù)改進(jìn)，燃燒室溫度明顯下降，有效減少了物料的高溫?zé)Y(jié)現(xiàn)象，每噸鈦白粉煤氣消耗從780 m3降至533 m3，可明顯降低鈦白粉的生產(chǎn)成本。

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中圖分類號(hào)：TQ134.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-4990（2013）09-0037-03

收稿日期：2013-03-16

作者簡(jiǎn)介：劉宏（1966—），男，碩士，副教授，主要從事化工工藝與設(shè)備的研究。

Process optimization and equipment renovation of titanium dioxide

Liu Hong1，Chen Wenjuan1，Dai Jianjun2
（1.Hunan Chemical Vocational Technology College，Zhuzhou 412004，China；
2.Hunan Zhuzhou Chemical Industry Group Co.，Ltd.，CNSIC）

Abstract：There are many problems，such as serious‘three wastes’，high energy consumption，and high cost，in a company′s titanium dioxide production process by the sulfuric acid method with annual output of 15 000 t.By means of process optimization and equipment renovation，the titanium dioxide production cost has been greatly reduced from the acidolysis process，calcination off-gas treatment process，and the rotary furnace system etc..It has been demonstrated that the acidolysis ratio rate was improved and stabilized more than 95%，while the waste acid was reclaimed to the acidolysis reaction，and the acid consumption for producing 1 t TiO2reduced from 4.52 t to 4.25 t；5.9×103t vapor could be saved every year，while the secondary washing water of metatitanic acid was used as spray water for off-gas in calcination process，and then returned to the primary water washing process；the rotary furnace system was rebuilt to increase combustion efficiency，and the consumption of coal gas for producing 1 t TiO2was sharply reduced from 780 m3to 533 m3.The above measurements brought a total titanium dioxide production cost reduction of￥912.8 per ton on an accumulative basis.

Key words：titanium dioxide；energy-saving and emission-reduction；technology optimization；equipment renovation