氯化法鈦白粉生產(chǎn)線閥門選型

趙乃偉

（中國恩菲工程有限公司，北京 100038）

0 引言

閥門作為管路流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，是工業(yè)生產(chǎn)的重要元器件。閥門可用于控制空氣、水、蒸汽、各種腐蝕性介質(zhì)、泥漿、油品、液態(tài)金屬和放射性介質(zhì)等各種類型流體的流動[1]，閥門的使用已遍及石油、化工、電站、輕工、造紙、醫(yī)藥、船舶、市政等行業(yè)。閥門是否合適，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，也是生產(chǎn)能否正常平穩(wěn)運行的關(guān)鍵因素[2]。

國內(nèi)鈦白粉生產(chǎn)目前仍以硫酸法為主，在全世界范圍內(nèi)，氯化法鈦白粉現(xiàn)已逐步取代硫酸法鈦白粉，成為國際鈦白粉生產(chǎn)的主流工藝。相對于硫酸法鈦白粉生產(chǎn)工藝，氯化法鈦白具有操作連續(xù)，“三廢”排放少，更易獲得金紅石型鈦白等明顯優(yōu)勢[3,4]。但氯化法鈦白粉工藝復雜，自動化程度要求高，介質(zhì)種類繁多，工況比較苛刻，對閥門要求也相對較高。好的閥門選型，可以減少事故率，極大地提高生產(chǎn)效率。河南焦作某新建6 萬噸/年鈦白粉生產(chǎn)線項目采用先進的氯化法鈦白工藝，該項目自動化程度很高，針對復雜的工況，采用了大量不同種類的閥門。

1 氯化法鈦白粉生產(chǎn)工藝

河南焦作6 萬噸/年氯化法鈦白粉按照流程劃分包含預氧化→氧化→氯化→冷凝→提純→煙塵處理→中和→尾氣處理等主要部分[4]。

1.1 預氧化及氧化

O2與TiCl4分別加熱后在TiCl4燃燒器內(nèi)自發(fā)燃燒，反應生成TiO2和Cl2。反應混合物經(jīng)冷卻導管冷卻，冷卻后混合物通過袋濾器分離，固態(tài)進入基料調(diào)漿槽，氣態(tài)為循環(huán)Cl2進入氯化環(huán)節(jié)。基料漿液通過噴砂圓筒篩，基料（TiO2）作為產(chǎn)品進入后處理單元。

1.2 氯化冷凝及提純

礦石（高鈦渣）、焦炭、NaCl 通過各自貯存配料系統(tǒng)，通過氣力輸送至氯化爐。高鈦渣在氯化爐沸騰環(huán)境內(nèi)被氯化生成粗TiCl4。粗TiCl4在旋風收塵器中固體成分被分離，進入煙塵調(diào)漿槽，氣態(tài)粗TiCl4 進入冷凝環(huán)節(jié)。

粗TiCl4中含有TiCl4及其他金屬氯化物，通過兩級直接冷凝器及一級間接冷凝器冷凝，進入粗TiCl4 貯槽。

粗TiCl4含有其他金屬氯化物，可通過蒸發(fā)分離的形式提純，在TiCl4蒸發(fā)器內(nèi)TiCl4被蒸發(fā)分離，提純后TiCl4蒸汽經(jīng)冷凝后純TiCl4送入TiCl4貯槽。

1.3 煙塵處理及中和

旋風收塵器分離出的固體粉料經(jīng)調(diào)漿后送入壓濾機在壓濾機內(nèi)，不溶于HCl 固體被過濾壓榨。濾液內(nèi)可溶于HCl 金屬氯化物通過在中和反應槽內(nèi)加入石灰乳，形成不溶性氫氧化物，氫氧化物懸浮液送入氫氧化物壓濾機分離，濾液外排。

1.4 尾氣處理

尾氣經(jīng)二級TiCl4 洗滌塔洗滌后送入HCl 洗滌單元，殘余HCl 由兩臺交替運行HCl 吸收塔吸收。當尾氣中含有Cl2 時，需通入Cl2 淋洗塔，最后進入尾氣水封槽。

2 氯化法鈦白粉閥門選型

河南焦作6 萬噸/年氯化法鈦白粉生產(chǎn)線項目采用閥門按照大類劃分，主要有直通單座閥、球閥、蝶閥、隔膜閥、旋塞閥等。自動閥主要包含單座閥、球閥（含偏心旋轉(zhuǎn)球閥）、蝶閥，現(xiàn)介紹本項目自動閥的閥門選型。

2.1 單座閥

直通單座閥是最常見的調(diào)節(jié)閥，為直行程調(diào)節(jié)閥。單座閥密封較嚴，適用于干凈介質(zhì)壓差不大的場合。在本項目中，單座閥也被廣泛采用作為調(diào)節(jié)閥。本項目單座閥采用薄膜執(zhí)行機構(gòu)，采用FF 通訊方式與DCS 系統(tǒng)通訊。

2.1.1 標準單座閥

單座閥相對于角行程閥門更容易堵塞，因此本項目中主要用于較為潔凈的氣體及液體輸送。氣體調(diào)節(jié)各O2介質(zhì)，壓縮空氣介質(zhì)，吹掃及壓濾機 N2介質(zhì)管道。液體調(diào)節(jié)主要用在工藝水流量，冷卻水流量。這些位置工況比較緩和，介質(zhì)溫度小于70℃，不具有腐蝕性，閥體采用碳鋼。為保證密封良好，采用PTFE（聚四氟乙烯）閥座密封，可達VI 級密封，由于介質(zhì)溫度較低采用PTFE 可良好密封。閥門口徑從DN15 ～DN150 之間，根據(jù)工藝情況，閥門正常開度處于40%～80%之間，最大開度小于86%。需要注意的是，由于O2是助燃劑，用于O2流通的閥門含碳量要求較低，不允許采用碳鋼，本項目采用316 不銹鋼閥體，并做脫脂處理。正常工況下，O2流速不允許超過30m/s，在閥門選型及調(diào)節(jié)時應特別注意，本項目O2正常工況下流速均在30m/s 以下。

2.1.2 蒸汽用單座閥

冷卻導管預熱用蒸汽、TiCl4 蒸發(fā)器加熱蒸汽、HCl 洗滌塔洗滌液加熱蒸汽等處，采用蒸汽直通單座閥調(diào)節(jié)。閥體仍采用碳鋼材質(zhì)，由于介質(zhì)溫度較高，達170℃，PTFE無法耐受，因而采用金屬硬密封。閥蓋填料如選擇石墨，硬度較大、密封差、使用時間短，因此采用石墨+PTFE材料。

2.1.3 波紋管密封單座閥

氯化爐、AlCl3發(fā)生器、TiCl4燃燒器等裝置內(nèi)的反應，反應過程需加入Cl2，有劇毒，需要保證對大氣零泄漏。本項目采用波紋管密封調(diào)節(jié)單座閥，采用波紋管結(jié)構(gòu)閥桿相連，保證零泄漏；閥體采用316 可一定程度耐Cl2腐蝕，閥座采用PTFE 軟密封。此外，閥體應保持一定的腐蝕余量，即將閥體及連接法蘭制造比正常需求更厚，保證可以耐受較長的腐蝕時間。

2.2 球閥

球閥是典型的角行程執(zhí)行機構(gòu)閥門，通過閥球沿閥桿旋轉(zhuǎn)啟閉。球閥具有流體阻力小、密封性好、結(jié)構(gòu)簡單等特點，口徑范圍廣。但由于球閥體積較大，通常球閥應用與口徑相對較小場合。根據(jù)球閥流通通道，O 型球閥多作為開關(guān)閥，V 型球閥、偏心調(diào)節(jié)球閥多作為調(diào)節(jié)球閥使用。本項目中，球閥采用氣缸執(zhí)行機構(gòu)，彈簧回位，調(diào)節(jié)閥為FF 通訊方式，開關(guān)閥為2xDI/DO 方式，其中DI 輸入為Numur 接近開關(guān)信號。

2.2.1 標準球閥

本項目中標準球閥被用作自動開關(guān)閥使用。氣體用開關(guān)球閥主要用在氧氣過熱器O2、壓縮空氣進氣，AlCl3發(fā)生器Cl2進氣，氯化爐Cl2進氣，壓濾機用N2，氣力輸送N2進氣及各吹掃用N2 進氣等位置。液體用球閥主要用在TiCl4燃燒器甲苯進料，噴砂洗滌H2O2進料，開爐淋洗塔廢水排料及各工藝用水及冷卻水管道。標準球閥主要用于上述位置的常規(guī)開關(guān)及部分重要管道。球閥口徑相對較小，在DN15 ～DN150 之間，閥體及閥球采用CF8M 材質(zhì)，閥桿采用316L 不銹鋼，閥座密封采用EPTFE 材料，可實現(xiàn)VI 級密封。同樣，正常運行時O2介質(zhì)流量不能超過30m/s。

2.2.2 襯里球閥

襯里球閥用在除氯塔洗水、含有NaOH、HCL 介質(zhì)，石灰乳輸送，壓濾機洗水等含有腐蝕性介質(zhì)。閥門需有較強的耐腐蝕能力，本項目閥體采用球墨鑄鐵襯PFA，閥球采用不銹鋼襯PFA，填料密封為PTFE，接液部分全部內(nèi)襯，PFA 較PTFE 具有更好的防滲透性及抗冷流特性保證閥門使用壽命。襯里“O”型球閥作為開關(guān)閥，“V”型球閥作為調(diào)節(jié)閥。

2.2.3 固體用開關(guān)球閥

AlCl3 發(fā)生器Al 粉氣力輸送管，噴砂氣力輸送管道，礦石/焦炭氣力輸送管道等位置介質(zhì)含大量固體，對閥門耐磨性能要求較高。本項目采用固體用開關(guān)球閥，閥體采用CF8M，閥球為CF8M，閥座密封堆焊stellite 合金。

2.2.4 TiCl4用球閥

TiCl4 遇水反應生成鹽酸，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且對閥門有較強的腐蝕性，因此TiCl4 在生成過程中應盡量避免與水接觸。本項目中采用TiCl4 專用開關(guān)球閥，主要用于氯化，冷凝，提純單元中TiCl4 流向管道。閥體閥球為316 不銹鋼材質(zhì)，閥座PTFE 軟密封，閥桿填料為VITON氟橡膠，VITON 可以有效阻止TiCl4 從空氣中吸水，保證產(chǎn)品純度。

2.2.5 偏心調(diào)節(jié)球閥

對于TiCl4介質(zhì)管道的調(diào)節(jié)閥，本項目采用偏心調(diào)節(jié)球閥。閥球為偏心調(diào)節(jié)V 球結(jié)構(gòu)，閥體、閥球材料為316 不銹鋼，粗TiCl4介質(zhì)含雜質(zhì)較多，調(diào)節(jié)閥動作較頻繁，磨損較嚴重，采用316L 不銹鋼硬密封閥座，純TiCl4 介質(zhì)較清潔，可采用PTFE 軟密封，閥桿填料均采用PTFE 及VITON密封圈雙填料。

2.2.6 陶瓷偏心調(diào)節(jié)球閥

噴砂圓筒篩入口基料漿液，壓濾機入口煙塵漿液，中和反應槽CaO 懸浮液，噴砂洗滌液等介質(zhì)，均帶有固體懸浮液且成分較復雜，具有腐蝕性。這些位置的調(diào)節(jié)閥需要既耐磨又耐腐蝕，本項目采用陶瓷調(diào)節(jié)球閥。閥球為偏心調(diào)節(jié)V 球結(jié)構(gòu)，閥球襯ZrO2陶瓷，閥體襯Al2O3陶瓷，閥座密封為Al2O3陶瓷，溫度為常溫，閥桿襯PTFE 即可。

2.2.7 高溫耐腐偏心調(diào)節(jié)球閥

袋濾器出口循環(huán)回用氯氣為高溫氯氣，溫度達120℃以上，且Cl2 在高溫下具有更強腐蝕性，該位置閥門口徑為DN250。閥球采用偏心調(diào)節(jié)球結(jié)構(gòu)，材質(zhì)方面共有兩種選擇：一種是閥體閥球內(nèi)襯陶瓷方案，另一種為閥體閥球316 不銹鋼襯Stellite 6 合金方案。由于大口徑陶瓷球閥生產(chǎn)較為困難，本項目采用襯Stellite 合金方案，閥座同樣堆焊Stellite 6 合金；由于溫度較高，閥桿填料為PTFE+石墨填料。

2.3 蝶閥

蝶閥是啟閉件為盤形蝶板并能繞閥體內(nèi)軸線旋轉(zhuǎn)的一種閥門，蝶閥也是角行程執(zhí)行機構(gòu)閥門，蝶閥較輕便，安裝空間小，適合大口徑應用場合。軟密封蝶閥通常為中線型蝶閥，硬密封蝶閥為達到高密封等級，可做成雙偏心或三偏心結(jié)構(gòu)。蝶閥在本項目中也被大量采用，與球閥相同蝶閥采用氣缸執(zhí)行機構(gòu)，彈簧回位，調(diào)節(jié)閥為FF 通訊方式，開關(guān)閥為2xDI/DO 方式，其中DI 信號為Numur 接近開關(guān)信號。

2.3.1 標準蝶閥

本項目的標準蝶閥為襯里蝶閥，口徑在DN50 ～DN500之間，其中大部分處于DN100 ～DN300 之間，均采用夾持式安裝方式。閥體材質(zhì)為球墨鑄鐵襯聚氨酯，閥板材質(zhì)為球墨鑄鐵襯EPDM 橡膠，閥座材質(zhì)為EPDM 橡膠，所有接液部分均有內(nèi)襯，為中線蝶閥。標準蝶閥應用于冷卻水管道，金屬氯化物溶液介質(zhì)管道，氫氧化物懸浮物介質(zhì)管道，廢水、事故污水進料及外排管道，大口徑N2介質(zhì)管道等位置。

2.3.2 固體用蝶閥

礦石、焦炭貯倉進入礦石爐前貯倉管道閥門直徑均為DN300，本項目中采用固體用蝶閥。固體用蝶閥閥體為鋁硅合金，閥板為316L 不銹鋼，閥座材質(zhì)EPDM 橡膠，EPDM 橡膠為軟橡膠，具有一定的耐磨性，此類蝶閥為中線蝶閥。

2.3.3 TiCl4用金屬密封蝶閥

氯化、冷凝、提純單元粗TiCl4 介質(zhì)大口徑閥門也采用蝶閥，口徑有DN150 及DN300 兩種，除急冷塔卸料外其余均為DN300。此類蝶閥閥板、閥座、閥板均為316L 不銹鋼材質(zhì)，密封填料為VITON 氟橡膠，相比常規(guī)PTFE 填料有更好的密封性，保證與水隔絕。由于金屬密封中線蝶閥密封較差，此處采用雙偏心結(jié)構(gòu)，保證良好密封。

2.3.4 高溫防火蝶閥

TiCl4 過熱器出口處純TiCl4 蒸汽溫度達350℃，軟密封閥座無法耐受。由于工藝要求，此處密封等級要求氣泡級密封，因而必須采用金屬密封三偏心蝶閥。三偏心蝶閥將擠壓密封變?yōu)榕ぞ孛芊猓粌H可以減少泄漏，還可以減少磨損，使用壽命較長。閥板、閥體為316L 不銹鋼，閥板密封圈為Duplex+石墨，閥座材質(zhì)為Incoloy 625 合金，Incoloy625 合金耐氯化物腐蝕性能很好，尤其是在高溫環(huán)境下，且不易脆變。由于溫度較高，閥桿填料采用石墨填料。

3 結(jié)論

正確的閥門選型是應用好閥門的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。閥門選型的好壞直接影響到閥門的使用效果，進而影響整個工藝運行情況。本文以河南某鈦白粉生產(chǎn)線為例，介紹了氯化法鈦白粉閥門選型情況，經(jīng)過3 個月的運行，閥門運行狀況良好，未出現(xiàn)故障、損壞的情況，為保障穩(wěn)定生產(chǎn)打下了好的基礎(chǔ)。氯化法鈦白工藝復雜，閥門的選型也是在不斷地探索中改進，該氯化法鈦白產(chǎn)線生產(chǎn)過程中，也將根據(jù)使用情況，不斷優(yōu)化，找出更好的選型方案。