一種鈦白粉轉窯煅燒尾氣余熱利用新裝置

高增麗，李秋紅，李化全，畢紅雨

（1.山東理工大學材料科學與工程學院，山東淄博255049；2.山東東佳集團股份有限公司；3.山東鈺祥石化工程有限公司）

關健詞：煅燒尾氣；鈦白粉；熱管套管；相變換熱器

鈦白粉生產工藝中，偏鈦酸轉窯煅燒產生的煙氣溫度為300～400℃［1-4］，同時含有大量水蒸氣、SO2、SO3等酸性氣體，酸性氣體的存在提高了煅燒轉窯尾氣由氣態凝結為液態酸的溫度（即酸露點）［5］，高濕性、酸性氣體易于凝結成酸霧，金屬受熱面溫度若低于轉窯尾氣的酸露點，就會在其表面形成液態酸，加劇對金屬換熱器的腐蝕。長期以來，換熱器受熱面由于尾氣結露而引起的腐蝕情況時常發生，以致于目前在對高含硫排放的鈦白粉煅燒轉窯設計時不得不通過提高排放溫度或使用傳熱極差的非金屬材料換熱器（如搪瓷管）來緩解結露和腐蝕現象的產生。而單純提高尾氣排放溫度又勢必造成大量能源的浪費，盡管提高了尾氣排放溫度，在實際運行過程中由于生產線負荷的調整也會存在尾氣溫度的波動。溫度波動若低于尾氣的酸露點，尾氣對金屬換熱器的腐蝕迅速加劇，導致金屬換熱器在運行一到兩年后依舊會出現腐蝕孔，而非金屬材料換熱器換熱能力有限、體積龐大，不利于現場安裝。

1 高濕、高硫尾氣余熱利用現狀

高濕、高硫的鈦白粉轉窯煅燒尾氣的余熱利用一直是困擾企業的一大問題，利用金屬換熱器進行煅燒轉窯尾氣的余熱利用，換熱器由于受酸霧腐蝕壽命短維護困難。目前的工藝流程中，煅燒轉窯尾氣離開轉窯尾部進入文氏管噴淋降溫裝置［6］（圖1），完成尾氣中酸性氣體的吸收和除塵，在噴淋降溫的過程中，尾氣中大量熱量在噴淋降溫的過程中被耗散掉，一些企業開始嘗試對將尾氣余熱用于濃縮廢酸［7］，但是這種工藝經濟價值小。鈦白粉生產工藝需要的大量蒸汽，一些企業開始嘗試在避開尾氣酸露點的條件下，將尾氣部分余熱用于生產工藝需要的蒸汽［8］，利用煅燒尾氣余熱產生蒸汽，即在尾氣進入文氏管噴淋降溫裝置之前，先進入換熱器，利用換熱器將尾氣一部分熱量回收。換熱器主要采用導熱油工質換熱技術與重力熱管換熱技術，導熱油工質換熱技術［9］（圖2）是利用尾氣余熱加熱導熱油，控制尾氣溫度降至210℃以上，經換熱器后進入后續文氏管噴淋降溫裝置及其他裝置，加熱后的導熱油再利用換熱器將熱量用于產生水蒸氣。由于導熱油工質換熱技術換熱能力有限，換熱器設備體積龐大。一些企業開始嘗試重力熱管相變換熱技術（圖3）［10］，尾氣余熱用于加熱相變介質由液態蒸發成氣態，取熱介質冷卻氣態相變介質由氣態冷凝成液態，在重力作用下回流相變工質液態池，在液態池中重新開始吸熱蒸發過程，循環往復，相變介質依靠工質相變完成熱量交換，換熱效率大大提高，對比普通換熱器體積大大縮小。但是重力熱管相變換熱中相變工質的遷移方向沿管道軸線方向，熱管軸線方向上各段溫度均勻性差，溫差產生的熱應力影響熱管壽命，同時由于重力熱管換熱器是單層管，一旦生產過程中煅燒轉窯尾氣的溫度波動造成橫掠換熱面的尾氣溫度低于酸露點溫度，這種單層管的重力熱管容易遭受尾氣酸蝕、影響壽命，因此對尾氣溫度的穩定性要求高，換熱器耐腐蝕性差。

圖1 傳統鈦白粉煅燒尾氣處理工藝

圖2 導熱油余熱利用技術

圖3 重力熱管技術

2 煅燒尾氣余熱利用新裝置

2.1 套管式熱管換熱器

針對鈦白粉煅燒尾氣余熱利用存在的問題，提出了一種新型熱管換熱裝置，即套管式熱管換熱技術。裝置采用蛇形管換熱器，蛇形管的直管段是由2根通徑不同的管道套裝在一起，組成換熱器的若干套管段（圖4），直套管段軸向截面見圖5。套管段端部密封，內外套管之間充注一定質量的相變介質，彼此分離。各個直管套管依靠內管引出的彎頭通過法蘭連接在一起。采用法蘭連接的優點在于一段套管腐蝕需要更換時，可以只更換一段套管，無需更換整個換熱器，維護靈活方便。鈦白粉轉窯煅燒尾氣垂直橫掠熱管換熱器的套管段，與尾氣換熱僅存在套管段，換熱器的彎頭是單層管，不耐腐蝕，而且彎頭段不承擔換熱任務。在彎頭、法蘭外側包裝保溫材料，防止熱量的散失，也保護單層管的彎頭不受尾氣腐蝕。在安裝換熱器時，彎頭部分需要嵌入爐墻內，并填塞保溫材料，隔絕腐蝕性的尾氣對單層管彎頭的腐蝕。為了強化尾氣與套管的換熱，在套管的外壁焊接波紋狀翅片。從圖5可以看出，與尾氣進行換熱的套管段屬于雙層管，只有外管被腐蝕漏液、完全脫落后，尾氣才開始與內管接觸，內管才開始被腐蝕，因此這種換熱器壽命比單層管的重力熱管要長。由于加裝波紋狀翅片，換熱效率更高。從圖5還可以看出，相變介質的質量遷移方向沿套管的徑向，在套管軸向上溫度更均勻，各套管依靠法蘭連接使這種換熱器更容易維護、局部更換。

圖4 熱管換熱器套管段

圖5 熱管換熱器直套管段的軸向截面

2.2 套管式熱管換熱器的運行經濟性及使用壽命

套管式換熱器應用在3.6 m（直徑）×58 m（長度）煅燒窯的3.24×109Nm3/a的尾氣余熱利用上，尾氣進入換熱器裝置前溫度為300℃左右，離開換熱器的溫度為210℃，尾氣成分見表1，產生的經濟效益見表2。換熱器投入運行16個月，運行良好，每年生產工藝急需的蒸汽1.12萬t，為企業節約成本168萬元。對比單層管的重力熱管換熱器，徑向換熱的套管式熱管換熱器換熱效率提高30%以上，在控制相同的鈦白粉煅燒尾氣進入換熱器溫度和離開換熱器溫度的條件下，套管式換熱器的體積縮小近1/3，同時由于是雙層套管，其壽命大約是單層管熱管換熱器的1.5倍。

表1 鈦白粉煅燒轉窯尾氣成分 %

表2 套管式換熱器熱管經濟效益

3 結語

鈦白粉煅燒轉窯尾氣的高濕、高硫、高酸露點的特性使得轉窯尾氣的余熱一直沒有得到有效利用。本文在總結已有尾氣余熱利用方式存在問題的基礎上，提出了一種長壽命、易維護套管式熱管余熱利用裝置。該裝置由彼此分離的換熱套管通過彎頭、法蘭連接成為整體，尾氣垂直橫掠雙層的套管段，與高硫、高濕的尾氣通過相變介質的相變完成熱量由尾氣向取熱介質的轉移，產生鈦白粉生產工藝所急需的蒸汽。雙層管的相變換熱套管對比單層管的重力熱管換熱器，壽命明顯延長。連接換熱套管的單層管彎頭不與高濕、高硫尾氣進行換熱，大大減輕了尾氣對單層管的腐蝕。換熱器應用在一臺3.6 m×58 m的鈦白粉煅燒窯上，壽命比單層重力熱掛換熱器明顯延長，每年可以產生0.9 MPa的水蒸氣1.12萬t，給企業帶來巨大經濟效益。