攀西鈦精礦浮選試驗生產線熱泵烘干工序優化及其環境技術經濟比較

周道選，黃洋清，張文凱

(1.攀枝花鋼城集團瑞通制冷設備有限公司，四川 攀枝花 617023；2.西安大音環保科技有限公司，陜西 西安，710065)

攀西地區蘊藏的鈦資源極其豐富，現已探明鈦資源儲量（以TiO2計算）約占全國鈦資源總儲量的90.5%。近年來，隨著浮選藥劑不斷升級換代，攀西地區鈦精礦產量出現井噴式增長，浮選烘干工序同步面臨著諸多問題亟待改進。目前浮選鈦精礦常用干燥設備有回轉干燥機、豎式干燥器和隧道窯等，一般使用煤炭、生物質、煤氣、天然氣等作為燃料，燃燒的煙氣排放前需要進行脫硫和脫硝處理；同時，直接烘干過程中因物料翻動產生的大量粉塵,需要進行除塵處理，導致收塵布袋更換頻繁，無形中增加了烘干運行成本；此外，因烘干過程溫度較高，不僅造成物料中的浮選藥劑遇熱分解或揮發,嚴重污染當地環境;而且高溫干燥熱能會通過煙氣、回轉窯筒體和物料大量流失，因無法有效回收利用而白白浪費。故在滿足鈦精礦產品低成本、高品質、含水率低的市場需求基礎上，現階段生產實踐過程中摸索出一套新型節能環保烘干工藝流程，達到既可提高熱能利用率，又能除塵、降低尾氣異味，進而實現節能減排，推動行業綠色轉型升級迫在眉睫。

基于此，本文從浮選藥劑的組成和理化特性、水源熱泵的工作原理以及應用于鈦精礦烘干工藝原理、理論計算、試驗數據、能耗及尾氣處理方式等方面著手進行分析研究，利用高效節能水源熱泵的低溫真空連續干燥技術，通過攀鋼集團瑞通公司自建生產線進行烘干工藝流程試驗所得驗證結果進行分析比較，從中優化出一套能夠提高浮選鈦精礦烘干熱利用效率及節能除味減排的環保工藝流程，以期為攀西鈦精礦的綜合回收利用成功探索出一條新的可行途徑[1]。

1 攀西地區鈦精礦浮選藥劑主要組成及理化特性分析

攀西地區鈦精礦的浮選工藝[2]，傳統工序流程一般順序是先浮硫化物，再浮鈦鐵礦。通常選擇H2SO4作為pH調整劑、黃原酸鹽（俗稱黃藥）作為捕收劑、松醇油作為起泡劑，用于浮選硫化物；以H2SO4作為pH調整劑或活化劑，使用烴油與MOS或R2作為捕收劑，用于浮選鈦精礦。在浮選過程中，硫酸與鈦精礦捕收劑MOS或R2藥劑用量雖較大，但因易溶于水，氣味較小；而其他浮選藥劑盡管用量相對較少，但異味較重。因此，在低溫真空密閉條件下烘干浮選鈦精礦，必須相應減少浮選藥劑的蒸發量或將少量蒸發藥劑冷凝溶于水中才能消除或降低尾氣排出異味。

2 水源熱泵的工作原理及技術特點

水源熱泵是依據逆卡諾循環原理，采用電能驅動，通過制冷劑吸收地下水、江湖水、海水、城市生活污水和工業廢水等低品位熱能，提升為可用的高品位熱能加熱處理水的設備。其主要技術特點在于能從自然界的空氣、水、土壤中獲取低品位熱能，經過少量電能做功轉為可被利用的高位熱能。與常規烘干技術相比，它具有以下優點：

（1）節能高效。熱泵烘干系統加熱介質的熱量主要來源于室外空氣和回收高溫高濕的干燥廢氣的顯熱和潛熱，只需消耗較少的功就可以獲得較多的熱量，通常能效比在4以上，可比傳統的電烘干節省60%～70%的能耗成本。

（2）溫濕度可調，烘干物料品質佳。一般熱泵烘干系統溫度在20℃～65℃，相對濕度在15%～80%之間可調。較寬的參數調節范圍能夠滿足不同的熱泵干燥環境條件，根據干燥對象特性，相應調節出烘干系統合適的蒸發和冷凝溫度，使其干燥過程接近自然干燥，從而能夠保證被烘干物料的品質。

（3）衛生環保。熱泵烘干設備可做成不直接與室外環境接觸的密閉式結構，從而不僅能夠防止物料中的粉塵、有毒和揮發性異味物質泄漏污染周邊環境。而且可保證物料的清潔衛生。

（4）結構形式多樣。熱泵干燥裝置既可與對流型和導熱型干燥室等相結合，也能與熱風干燥、微波干燥以及紅外干燥等組合成混合式干燥裝置，以滿足不同的干燥物料所需的烘干環境。

（5）環境技術經濟綜合效益佳[4]。具體對比如表1所示。

表1 熱泵與其它熱源烘干工藝設備環境技術經濟效益比較：每千克（kg）水

3 水源熱泵-低溫真空連續烘干工藝原理及理論計算

3.1 工藝原理

本文介紹的水源熱泵連續烘干礦粉工藝是熱泵-低溫真空連續干燥技術在攀西鈦精礦烘干工藝中的具體推廣應用，其運行設備主要由水源熱泵、能量平衡系統、真空干燥機、冷凝器、緩沖罐、真空泵和冷熱循環泵等組成。該工藝通過熱泵消耗少量電能可生產出50℃～60℃熱水及10℃～28℃冷水（熱源水）。其中熱水進入真空干燥機加熱鈦精礦至50℃～60℃，隨著真空干燥機內氣壓降至絕對壓力3kPa～10kPa，鈦精礦中的水分不斷被汽化。水蒸氣伴隨真空泵吸力進入蒸汽冷凝器，依靠熱泵冷水（熱源水）不斷將水蒸氣進行冷凝析出。

3.2 系統理論計算

一般情況下，浮選鈦精礦濕料含水率為10%，干料要求含水率小于0.5%。水源熱泵消耗少量電能生產60℃熱水，熱水經干燥機與鈦精礦濕料換熱后降至50℃，此時浮選鈦精礦溫度可從20℃上升至50℃，含水率降至0.5%。根據所選鈦精礦的溫度對應的水的汽化潛熱和比熱容，分別如表3、4所示，理論計算分析出浮選鈦精礦干燥處理量1000kg/h時所需的熱量變化。

表2 比熱容表

表3 水的汽化潛熱表

顯熱：Q1=C·M（t2-t1）

式中Q1—物體吸收顯熱熱量（J），M—物體的質量（kg），

t1—物體的起始溫度（℃），t2—物體的終了溫度（℃），

C——物體的比熱容{J/（Kg·℃）}

潛熱：Q2=M·R

式中M——物體的質量（kg），R——汽化熱（KJ/kg）

總熱：Q=Q1+Q2

根據計算，當鈦精礦烘干產量為1000kg/h時，小時所需總熱量186347.5kJ。換算為制熱功率為51.76kw。

按換熱效率80%、能效比4計算，熱泵的輸入功率：16.2kw，熱泵烘干過程中噸礦電能耗：17.33kWh/t。

理論計算數據分析顯示：

（1）在50℃恒溫水浴、10kPa絕對壓力的低溫真空干燥試驗下，鈦精礦最終含水率可以降至0.5%以下。

（2）熱源溫度、干燥真空度、熱質傳遞效率是提高干燥效率的重要因素。

（3）依據逆卡諾循環原理，系統制熱能效6.9375，系統制冷能效5.9375。

4 工藝試驗應用案例

4.1 工藝流程

以瑞通公司自建鈦精礦烘干處理量300kg/h熱泵連續烘干礦粉試驗生產線為例，其工藝流程如圖1所示。

圖1 浮選攀西鈦精礦電驅動水源熱泵系統低溫真空連續烘干試驗生產線工藝流程示意圖

系統采用一臺制熱量69.6kw水源熱泵機及一套烘干能力300kg/h真空干燥機組。在-0.08MPa真空工作壓力下，水源熱泵消耗少量電能生產60℃熱水及12℃冷水。熱水經熱水循環泵、水源熱泵及干燥機換熱系統，加熱烘干干燥機中浮選鈦精礦的物料，并將物料含水率降至0.5%以下，水源熱泵熱水進出水溫分別為50℃/60℃。冷水經冷水循環泵、水源熱泵、冷凝器換熱，降溫冷卻冷凝蒸發水蒸氣，凝結水收集至冷凝器及緩沖罐底部儲液罐，少量不凝氣體外排。水源熱泵冷水進出水溫12℃/28℃。在真空干燥過程中，系統充分利用水源熱泵的熱水和冷水熱量用于加熱烘干浮選鈦精礦，以及冷卻冷凝蒸發水蒸氣，進而實現動態平衡。

4.2 工藝試驗數據

為了驗證本系統的可行性、可靠性及浮選鈦精礦烘干能力，在-0.08MPa真空條件下，生產線分別進行了批次和連續烘干工藝對比試驗研究，其中試驗1為批次烘干試驗，試驗2～5為連續烘干試驗。按照當地電價0.5CNY/（kw·h）計算，運行能源成本分別如表4、5、6所示。

表4 烘干系統能源總成本

表5 水源熱泵及泵能源成本

表6 輔助機械系統能源成本

4.3 節能影響因素分析

由上述工藝試驗運行能源成本數據可知，在系統設置固定不變的條件下，水源熱泵能耗、輔助機械設備能耗、濕料含水率是影響連續烘干能耗的三個主要因素。

在能耗方面，水源熱泵噸礦烘干能耗略高于理論值，趨近于設計值。整個系統中的主要能耗體現在水源熱泵，占比高達55%～61%。生產試驗線熱泵配置功率偏大且無變頻調節。現場熱泵制熱量能滿足1T/h干燥需求，在無變頻調節的情況下，將會造成熱泵啟停頻繁，電耗增加（熱泵啟動電流是運行電流的6～7倍）。試驗生產線熱泵能效較低。現場水源熱泵能效只有3.1，而大型螺桿式水源熱泵能效一般在5.1以上，因此在規模化運行生產后，水源熱泵噸礦電耗還有40%節能空間。試驗線配置的小型干燥機機體長度不夠，物料在機體內停留時間短，存在反復運行烘干時間長，導致熱泵低工況運行能耗增加。浮選鈦精礦濕料含水率一般為7%～13%，濕料含水率越高，系統烘干所需的能耗也會同步提高。

此外，真空泵無法變頻且超過產量匹配，以及上料端氣動閥開關頻率影響到系統真空度，均會增加系統機械能耗。

5 結果分析與討論

從上述理論計算和試驗結果分析比較可看出，浮選攀西鈦精礦試驗生產線能夠根據不同需求方便快捷地調整烘干水分，自動化程度高，因而可大幅降低人工成本。烘干工序基于電驅動水源熱泵機組設計，工藝安全可靠，能耗明顯低于以燃氣和油作為烘干熱源的傳統烘干工藝，同時避免了煤氣或燃料煙氣泄露及爆炸風險。與傳統直接烘干工藝相比，生產線工藝流程有效利用低溫真空連續烘干技術，由于采用間接烘干方式，不存在煙氣或熱氣與物料直接接觸，熱傳導不會影響物料組分，因而能夠保證被烘干處理物料的品質。其工藝干燥處理設備選取低溫真空全密閉式結構，可使浮選鈦精礦加熱烘干和蒸發水蒸氣的冷卻冷凝，能夠充分利用水源熱泵的熱水和冷水所含的熱量。這樣不僅可有效地減少空氣流通需消耗的熱能和機械能，進一步提高設備能源利用率，而且不排放污染物及異味，尾氣無需脫硫脫氮處理，從而可大幅度降低除塵及尾氣處理工序的生產成本。此外，低溫水汽經冷凝產生的凝結水也可循環利用。以攀西地區鈦精礦烘干能源費約56.5元（不含稅和運費）計，該試驗生產線新工藝流程能源總成本節能率可達到44.4%。與盡管同屬于間接烘干方式，但工序流程采用低溫真空批次烘干工藝相比，由于批次烘干屬于間歇干燥，需要頻繁進行人工加料、抽真空、供熱、調溫、破真空、出料等操作，當浮選鈦精礦干燥過程需要維持較長時間真空狀態時，則需額外配置真空抽泵和維持泵。基于上述的比較，可知低溫真空連續烘干技術具有浮選鈦精礦品質和產量高、能耗和運行成本低等優點。因此，浮選攀西鈦精礦試驗生產線選擇電驅動水源熱泵系統，采用低溫真空連續烘干工藝流程，可取得良好的節能減排效果。不足之處在于當前公司生產線新工藝流程設備占用面積比較大，初期投資成本相對較高，在真空狀態下，由于其低溫干燥機無法大型化，致使其單臺設備產能相對有限。不過我們相信隨著真空低溫干燥技術的不斷發展和大規模應用，未來能源價格上漲而引起系統運行費用進一步攀升，上述設計缺陷將會逐漸得到彌補，新工藝流程的綜合競爭優勢必更趨凸顯。

6 結語

綜上所述，本文推薦的一套基于電驅動水源熱泵系統低溫真空連續烘干生產線工藝流程，立足區域特色，采用間接烘干方式浮選攀西鈦精礦，技術經濟綜合效益良好，環保節能降耗減排效果顯著，具有重要的行業應用推廣價值。