鈦液機械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)夏季運行特性研究

尹海蛟，夏君君，，全曉宇，彭 濤，唐 昊

（1.天津樂科節(jié)能科技有限公司，天津300384；2.江蘇樂科節(jié)能科技股份有限公司）

工業(yè)結(jié)晶方法包括冷卻結(jié)晶、蒸發(fā)結(jié)晶及真空冷卻結(jié)晶等［1］。目前，鈦白粉領(lǐng)域的硫酸亞鐵結(jié)晶多采用熱力壓縮式真空冷卻結(jié)晶法（即多級蒸汽噴射法），鈦液結(jié)晶時系統(tǒng)內(nèi)的真空度最高達(dá)－99 kPa，此高真空條件下蒸汽噴射泵的引射系數(shù)較低，降溫過程所需生蒸汽及配套冷卻水耗量較大［2－5］。尤其是在夏季等高溫氣候條件時，傳統(tǒng)鈦液蒸汽噴射降溫結(jié)晶法常存在蒸汽耗量激增、降溫時間增長、甚至不能實現(xiàn)有效降溫等情況，嚴(yán)重影響了鈦白粉企業(yè)的正常生產(chǎn)［6］。 本文提出了一種機械閃蒸鈦液真空降溫結(jié)晶方法，對其夏季運行特性進行了實驗研究，旨在為該技術(shù)在極端高溫氣候條件及高濕球溫度地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 鈦液機械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)原理與特點

機械閃蒸真空降溫結(jié)晶技術(shù)是筆者公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)能新技術(shù)［7］，其系統(tǒng)原理如圖1 所示。與傳統(tǒng)蒸汽噴射系統(tǒng)相比，本技術(shù)采用大流量容積式壓縮機作為系統(tǒng)的真空閃蒸部件， 通過機械壓縮方式對閃發(fā)蒸汽進行增壓增溫， 之后通過低壓阻冷凝器將蒸汽冷凝， 溶液降溫放熱及溶質(zhì)結(jié)晶放熱由溶劑閃蒸吸熱所平衡， 壓縮機前置氣液分離裝置用于去除二次蒸汽夾帶的各類腐蝕性溶劑及易結(jié)垢組分，真空泵用于抽出系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體。

與傳統(tǒng)鈦液降溫結(jié)晶方法相比， 機械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)以電力為驅(qū)動能源， 因此無蒸汽供應(yīng)及使用燃煤鍋爐導(dǎo)致的環(huán)保問題困擾； 系統(tǒng)冷卻負(fù)荷僅為閃蒸蒸汽的冷凝放熱及壓縮機耗功轉(zhuǎn)變的熱量，系統(tǒng)冷卻負(fù)荷及循環(huán)水耗量小；此外，系統(tǒng)采用間壁式冷凝器，無冷卻水的二次污染問題；系統(tǒng)可通過壓縮機頻率調(diào)節(jié)對鈦液降溫速率進行精準(zhǔn)控制。

圖1 機械閃蒸式鈦液降溫結(jié)晶系統(tǒng)原理圖

2 機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)夏季工況性能實驗

本次實驗在河南某大型鈦白粉企業(yè)的鈦液降溫結(jié)晶項目中進行，該項目已采用機械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)對其原系統(tǒng)進行改造升級。 改造前后的系統(tǒng)設(shè)備情況如表1 所示。 實驗時間為2018 年7 月份，環(huán)境干球溫度為30 ℃左右，為模擬夏季極端氣候條件，通過蒸汽將冷卻水加溫至（34±1）℃。鈦液單釜進料量約為36 m3，料液TiO2含量約為125 g/L，單釜鈦白粉產(chǎn)量約為4.2 t/釜。 進料溫度為56～60 ℃，排料溫度為18 ℃。根據(jù)GB 32051—2015《鈦白粉單位產(chǎn)品能源消耗限額》， 電力折標(biāo)煤系數(shù)取0.122 9 kgce/（kW·h），蒸汽（低壓）折標(biāo)煤系數(shù)取0.128 6 kgce/kg。 實驗測試機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的降溫速率、 降溫特性、系統(tǒng)能耗等關(guān)鍵指標(biāo)。

表1 項目改造前后主要設(shè)備對比

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)降溫特性

在冷卻循環(huán)水溫度為（34±1）℃的實驗工況下，對機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)及原有蒸噴閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的降溫特性進行對比測試， 結(jié)果如圖2 所示，機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)運行時，首先開啟真空泵對料液進行閃蒸降溫，待料液溫度降至約48 ℃時（用時10 min），開啟系統(tǒng)壓縮機，單釜鈦液降溫壓縮機的開機時長為93 min。硫酸亞鐵在32 ℃左右大量析出，此時系統(tǒng)熱負(fù)荷主要為硫酸亞鐵的結(jié)晶放熱，鈦液溫度基本維持不變，此過程持續(xù)時間約為8～10 min。 鈦液由初始56 ℃降溫至18 ℃，蒸噴閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)總用時約136 min，機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)總用時約103 min，時間較前者縮短24.2%。

圖2 機械閃蒸及蒸噴閃蒸系統(tǒng)的鈦液降溫曲線

3.2 系統(tǒng)降溫速率特性

圖3 機械閃蒸及蒸噴閃蒸系統(tǒng)的鈦液降溫速率

圖3 為機械閃蒸系統(tǒng)與蒸噴閃蒸系統(tǒng)的降溫速率對比。由圖3 可見，系統(tǒng)降溫初始階段，隨著結(jié)晶釜內(nèi)不凝氣的減少， 鈦液降溫速率由初始的0.6 ℃/min逐漸增高至0.8 ℃/min，之后受硫酸亞鐵結(jié)晶放熱影響，鈦液降溫速率迅速降低至0.05 ℃/min。隨著結(jié)晶熱釋放，鈦液降溫速率逐漸增加。 鈦液溫度在32 ℃（析晶）至18 ℃（排料）的區(qū)間內(nèi)，機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的降溫速率（0.18～0.3 ℃/min）整體高于蒸噴閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的降溫速率（0.08～0.21 ℃/min）。 傳統(tǒng)蒸噴閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)冷凝器為接觸噴淋式冷凝器，隨著鈦液溫度的降低及系統(tǒng)真空度的增加，噴淋冷卻水所溶解的各類不凝性氣體大量自水體溢出，不凝氣體在冷凝器內(nèi)聚集，將嚴(yán)重影響噴射泵的乏汽冷凝，導(dǎo)致系統(tǒng)降溫速率嚴(yán)重衰減。機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)采用間壁式冷凝器， 系統(tǒng)運行無上述問題影響，其在低溫高真空區(qū)段仍具有相對較高的降溫速率。

3.3 系統(tǒng)能耗特性

機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)壓縮機的運行功率如圖4 所示。 整個降溫周期內(nèi)壓縮機的最大功率為232 kW，平均功率為208 kW。 單釜鈦液降溫結(jié)晶壓縮機的耗電為322.4 kW·h（93 min），系統(tǒng)配套設(shè)備耗電為206.8 kW·h（120.5 kW，103 min），即機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)單釜生產(chǎn)的總耗功為529.2 kW·h，電價按0.75 元/（kW·h）計，則其單位鈦白粉產(chǎn)能耗費為94.5 元/t，能耗折標(biāo)煤15.5 kgce（以1 t 鈦白粉計）。原蒸噴系統(tǒng)的全年平均耗汽量為1.5 t（以1 t 鈦白粉計），系統(tǒng)配套設(shè)備耗電功率為165.5 kW（136 min），蒸汽價格按150 元/t 計， 則蒸噴系統(tǒng)的單位鈦白產(chǎn)能耗費為292.0 元/t，能耗折標(biāo)煤203.9 kgce（以1 t鈦白粉計）。 較蒸噴降溫結(jié)晶系統(tǒng)，機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的單位產(chǎn)品耗費降低約67.6%， 單位鈦白粉標(biāo)煤能耗降低92.4%，經(jīng)濟與社會效益十分顯著。

圖4 降溫結(jié)晶過程的壓縮機功率曲線

3.4 系統(tǒng)連續(xù)化生產(chǎn)能力

圖5 機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)多批次連續(xù)運行情況

圖5 為機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)24 h 連續(xù)化生產(chǎn)運行情況，圖中曲線為鈦液溫度。機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)24 h 可完成約9.5 釜的鈦液降溫結(jié)晶，每釜鈦白粉產(chǎn)量為4.2 t，則夏季工況下單套機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)全天可完成約40 t 鈦液的降溫結(jié)晶作業(yè)。 在冬季及過渡季，系統(tǒng)冷卻水溫降低，機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的降溫性能及能耗指標(biāo)均可得以改善， 機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的全年單套鈦白粉產(chǎn)能理論可達(dá)1.1 萬t/a 以上。

3.5 系統(tǒng)環(huán)保特性

機械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)的環(huán)保特性主要體現(xiàn)在能源利用形式及減少二次污水兩個方面。 機械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)以電力作為系統(tǒng)驅(qū)動能源， 從而保證了生產(chǎn)免受蒸汽供應(yīng)及燃煤蒸汽鍋爐使用等因素制約；系統(tǒng)采用間壁式冷凝換熱器，可有效避免因冷卻水污染導(dǎo)致的冷卻塔填料床層的腐蝕與堵塞問題；機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的凝液僅為閃發(fā)二次蒸汽的冷凝液， 較傳統(tǒng)蒸噴降溫結(jié)晶系統(tǒng)可減少凝液污水近20 000 m3/a，技術(shù)具有較好的環(huán)保特性。

4 結(jié)論

GB 32051—2015《鈦白粉單位產(chǎn)品能源消耗限額》對鈦白粉生產(chǎn)的標(biāo)煤能耗提出了明確的指標(biāo)要求，淘汰落后生產(chǎn)工藝，應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)是鈦白粉企業(yè)提升市場競爭力的主要途徑。 傳統(tǒng)鈦液蒸噴閃蒸降溫結(jié)晶工藝存在能耗高、效率低、污染大、夏季降溫困難等問題。在夏季工況條件下，機械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)較傳統(tǒng)蒸噴降溫結(jié)晶技術(shù)可縮減鈦液降溫時間24.2%， 降低生產(chǎn)費用67.6%， 減少標(biāo)煤消耗量92.4%，減少二次污水20 000 m3/a，技術(shù)具有顯著的節(jié)能與環(huán)保特性，其為鈦白粉行業(yè)的亞鐵結(jié)晶提供了一種綠色節(jié)能新途徑。 機械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)在鈦白粉為代表的無機鹽領(lǐng)域具有廣闊的市場應(yīng)用前景。