機(jī)械閃蒸式降溫結(jié)晶技術(shù)在鈦白粉生產(chǎn)中的應(yīng)用

尹海蛟 夏君君， 全曉宇 彭 濤 唐 昊 于會(huì)滿

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

我國(guó)是鈦白粉的生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，2018 年全國(guó)鈦白粉總產(chǎn)量近340 萬(wàn)噸，產(chǎn)量雄踞世界首位［1］。鈦白粉生產(chǎn)工藝包括硫酸法和氯化法，我國(guó)的鈦白粉生產(chǎn)主要以硫酸法為主。 鈦白粉生產(chǎn)是一個(gè)高耗能過(guò)程，生產(chǎn)能耗約占鈦白粉生產(chǎn)總成本的20%～25%［2］，節(jié)能降耗已成為鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。 鈦白粉生產(chǎn)過(guò)程能耗主要集中于亞鐵真空結(jié)晶、鈦液濃縮、廢酸濃縮及水解等工序［3～5］。傳統(tǒng)的鈦液結(jié)晶大多采用蒸汽噴射真空結(jié)晶法，該方法存在能源消耗量大、二次污水嚴(yán)重等問(wèn)題。 為此，筆者提出了一種鈦液機(jī)械閃蒸式真空降溫結(jié)晶新方法，旨在解決傳統(tǒng)鈦液結(jié)晶方法中存在的弊端，降低鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)的能源費(fèi)用，促進(jìn)鈦白粉行業(yè)的清潔與可持續(xù)發(fā)展。

1 傳統(tǒng)鈦液降溫結(jié)晶方法及存在的問(wèn)題

1.1 蒸汽噴射真空降溫結(jié)晶法

傳統(tǒng)的蒸汽噴射真空降溫結(jié)晶系統(tǒng)（圖1）由噴射器、大氣冷凝器及真空泵等組成［6］。為了維持系統(tǒng)內(nèi)的高真空， 系統(tǒng)采用雙級(jí)蒸汽噴射方式，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)高壓（3～7bar，1bar=0.1MPa）產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽噴射泵運(yùn)行，在噴射泵的文丘里效應(yīng)下，高壓蒸汽引射結(jié)晶釜內(nèi)的二次蒸汽，結(jié)晶器內(nèi)壓力降低，當(dāng)釜內(nèi)壓力降至鈦液溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，鈦液中的水分閃蒸汽化并使溶液降溫，鈦液溫度降低后逐漸析出硫酸亞鐵晶體。

圖1 蒸汽噴射真空降溫結(jié)晶系統(tǒng)示意圖

鈦液的常壓沸點(diǎn)一般在10～13℃， 鈦液降溫至18℃時(shí)結(jié)晶器內(nèi)部壓力僅1kPa 左右， 蒸汽噴射泵在此工況下的引射系數(shù)僅為0.30～0.35，即蒸汽噴射泵從結(jié)晶釜內(nèi)每抽吸出1 份二次蒸汽，需要耗費(fèi)約3 份左右的高壓蒸汽，同時(shí)需要消耗大量冷卻水對(duì)噴射泵出口4 份低壓乏汽進(jìn)行冷卻。可見，蒸汽噴射真空降溫結(jié)晶方法的蒸汽和冷卻水耗量較大，能源利用效率較低，同時(shí)蒸汽凝液會(huì)形成大量含酸液的二次污水。

1.2 冷凍水降溫結(jié)晶法

鈦液冷凍水降溫結(jié)晶法通常采用吸收式或機(jī)械壓縮式冷水機(jī)組制取冷凍水，將冷凍水通至結(jié)晶器夾套或內(nèi)置盤管中，通過(guò)間壁冷卻方式對(duì)鈦液進(jìn)行降溫結(jié)晶。 在該方法中，當(dāng)冷卻速率控制不當(dāng)時(shí)，硫酸亞鐵晶體會(huì)在夾套內(nèi)壁或盤管外表面快速析出并沉積在冷卻壁面上，形成粘附力極強(qiáng)的晶疤和晶垢，晶垢層不僅增大了降溫傳熱熱阻，導(dǎo)致系統(tǒng)降溫速率變慢，同時(shí)壁面晶垢還需人工清理，降低了降溫結(jié)晶生產(chǎn)效率，冷凍水法降溫結(jié)晶時(shí)間通常為每釜8～10h。

2 機(jī)械閃蒸式真空降溫結(jié)晶技術(shù)原理及核心裝備

2.1 機(jī)械閃蒸真空降溫結(jié)晶技術(shù)原理

機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶方法本質(zhì)上屬于真空閃蒸降溫結(jié)晶，其系統(tǒng)如圖2 所示。 系統(tǒng)采用大流量容積式壓縮機(jī)作為結(jié)晶器的抽氣閃蒸設(shè)備，壓縮增溫后的二次蒸汽通過(guò)低壓阻冷凝器進(jìn)行冷凝，凝液排至凝水罐或液封池，壓縮機(jī)前置的氣液分離裝置負(fù)責(zé)去除二次蒸汽夾帶的酸液和鹽分， 真空泵負(fù)責(zé)及時(shí)抽出系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體。結(jié)晶器內(nèi)的溶劑在真空條件下絕熱閃蒸汽化，溶液降溫放熱和溶質(zhì)結(jié)晶放熱由溶劑蒸發(fā)汽化吸熱所平衡。

圖2 機(jī)械閃蒸式鈦液降溫結(jié)晶系統(tǒng)示意圖

2.2 機(jī)械閃蒸式降溫結(jié)晶技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)降溫結(jié)晶方法相比，機(jī)械閃蒸式降溫結(jié)晶技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

a. 在相同鈦液進(jìn)料量（每釜36m3）和環(huán)境溫度下，機(jī)械閃蒸式降溫結(jié)晶系統(tǒng)較蒸汽噴射降溫結(jié)晶法可縮短降溫結(jié)晶時(shí)間為每釜20～30min。

b. 系統(tǒng)乏汽冷卻負(fù)荷小，系統(tǒng)冷凝器的熱負(fù)荷僅為鈦液閃蒸二次蒸汽的冷凝潛熱和壓縮機(jī)耗功轉(zhuǎn)變的熱量，冷卻水消耗量少，冷卻水配套設(shè)備運(yùn)行能耗低。

c. 在相同產(chǎn)能水平下，機(jī)械閃蒸式降溫結(jié)晶系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用僅為傳統(tǒng)蒸汽噴射真空結(jié)晶法的20%～35%，可顯著降低生產(chǎn)企業(yè)的能耗費(fèi)用。

d. 以電力作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能源，無(wú)燃煤蒸汽鍋爐導(dǎo)致的環(huán)保壓力困擾；系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)冷卻循環(huán)水的二次污染問(wèn)題， 減少了二次污水的處理費(fèi)用。

e. 系統(tǒng)采用壓縮機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，可根據(jù)硫酸亞鐵結(jié)晶特性對(duì)鈦液降溫速率進(jìn)行精確控制，系統(tǒng)具備較強(qiáng)的變?nèi)萘空{(diào)控能力，操作彈性強(qiáng)。

2.3 系統(tǒng)核心裝備

壓縮機(jī)是機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的核心設(shè)備，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)降溫速率和系統(tǒng)能耗水平。 降溫結(jié)晶是典型的變工況運(yùn)行過(guò)程，鈦液由初始約65℃降至約18℃的過(guò)程中，壓縮機(jī)的吸/排氣溫度、壓力、進(jìn)汽比容、進(jìn)汽質(zhì)量、壓縮比及壓縮功等參數(shù)均在時(shí)刻變化，二次蒸汽的流態(tài)也隨著降溫過(guò)程的進(jìn)行由最初的高溫湍流逐步過(guò)渡為低溫的粘滯流態(tài)，這要求系統(tǒng)配套的壓縮機(jī)除了具有大流量、高壓縮比的特點(diǎn)外，還需具備較強(qiáng)的變工況運(yùn)行能力。 圖3 為天津樂(lè)科節(jié)能科技有限公司研發(fā)的LC200 型機(jī)械閃蒸式降溫結(jié)晶系統(tǒng)專用配套壓縮機(jī)，整機(jī)均為不銹鋼材料，額定流量130 000m3/h，適用壓比范圍1～7。

圖3 機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)配套的羅茨壓縮機(jī)

3 項(xiàng)目案例及應(yīng)用效果分析

3.1 項(xiàng)目基本情況

采用機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)對(duì)某大型鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)的傳統(tǒng)蒸汽噴射降溫結(jié)晶系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能改造。采用LC200 型粘滯流壓縮機(jī)替代原系統(tǒng)二級(jí)蒸汽噴射泵，采用板式冷凝器替代原大氣冷凝器，為保證壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，在壓縮機(jī)前設(shè)置高效氣液分離器。 圖4 為本項(xiàng)目改造完成后的項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖4 鈦液機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶項(xiàng)目實(shí)景

改造前、后系統(tǒng)的主要設(shè)備及其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 改造前、后系統(tǒng)主要設(shè)備及其相關(guān)參數(shù)

3.2 項(xiàng)目運(yùn)行情況

本項(xiàng)目于2018 年初改造完成并投運(yùn)， 自投運(yùn)以來(lái)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。 夏季工況 （環(huán)境溫度約33℃）， 單釜進(jìn)料36m3， 料液溫度由約60℃降至18℃，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間約1.5h，單釜物料降溫結(jié)晶總耗時(shí)約2h，較原蒸汽噴射系統(tǒng)每釜用時(shí)平均縮短約20～30min。改造后系統(tǒng)平均日處理9～10 釜，單套系統(tǒng)鈦白年產(chǎn)量約11 000t。

3.3 項(xiàng)目節(jié)能效果

對(duì)節(jié)能改造前后的單位鈦白產(chǎn)品能耗進(jìn)行計(jì)算，項(xiàng)目中每釜鈦液（36m3）的鈦白產(chǎn)量約4.2t，能源價(jià)格蒸汽為每噸150 元、電0.75 元/（kW·h）。電力折標(biāo)煤系數(shù)取0.122 9kgce/（kW·h），蒸汽（低壓）折標(biāo)煤系數(shù)取0.128 6kgce/kg［7］。

3.3.1 節(jié)能改造前

經(jīng)測(cè)試，原蒸汽噴射系統(tǒng)單釜降溫結(jié)晶的耗汽量為7.56t， 附屬配套設(shè)備總耗電功率為165kW，單釜運(yùn)行平均用時(shí)為每批2.5h。

單釜鈦液降溫結(jié)晶總耗費(fèi)：

7.56×150+165×2.5×0.75=1443.4 元

每噸鈦白降溫結(jié)晶耗費(fèi)：

1443.4÷4.2=343.7 元

每噸鈦白消耗標(biāo)煤量：

（7.56×1000×0.1286+165×2.5×0.1229）÷4.2=243.6kg

蒸汽冷凝新增二次污水量：

7.56÷4.2=1.8m3/t

3.3.2 節(jié)能改造后

經(jīng)測(cè)試，節(jié)能改造后機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的單釜運(yùn)行時(shí)間約2h， 附屬配套設(shè)備總功率為125kW， 壓縮機(jī)運(yùn)行的平均耗電功率為150kW，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間約1.5h。

單釜鈦液降溫結(jié)晶總耗費(fèi)：

（150×1.5+125×2）×0.75=356.3 元

每噸鈦白降溫結(jié)晶耗費(fèi)：

356.3÷4.2=84.8 元

每噸鈦白消耗標(biāo)煤量：

（150×1.5+125×2）×0.1229÷4.2=13.9kg

節(jié)能改造后，每噸鈦白降溫結(jié)晶運(yùn)行費(fèi)用降低了259.2 元，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省了75.3%；每噸鈦白降溫結(jié)晶的標(biāo)煤耗量減少了229.7kg， 標(biāo)煤節(jié)省率達(dá)94.3%。單套系統(tǒng)年產(chǎn)能按1 萬(wàn)噸鈦白計(jì)，節(jié)能改造后單套系統(tǒng)每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用259.2 萬(wàn)元，每年減少二次污水18 000m3。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)我國(guó)鈦白粉產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝存在能耗高、污染大等問(wèn)題，隨著環(huán)保問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，探索節(jié)能環(huán)保型鈦白生產(chǎn)工藝已成為鈦白粉行業(yè)的重要課題。 機(jī)械閃蒸式降溫結(jié)晶技術(shù)為鈦白粉行業(yè)提供了一種節(jié)能環(huán)保的鈦液降溫結(jié)晶新途徑，該技術(shù)以電力作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能源，這在環(huán)保壓力逐步增大、蒸汽能源供應(yīng)日趨緊張的環(huán)境下，可使鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)擺脫蒸汽供應(yīng)、蒸汽價(jià)格等問(wèn)題的困擾。 工程實(shí)踐結(jié)果表明， 鈦液機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)具有運(yùn)行能耗低、降溫速率快、生產(chǎn)效率高及無(wú)二次水污染等優(yōu)勢(shì)，在以鈦白粉為代表的無(wú)機(jī)鹽行業(yè)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。