氯化法鈦白粉生產工藝分析

劉清海(龍佰集團股份有限公司，河南 焦作 454191)

0 引言

鈦白粉是一種白色的多晶化合物，主要成分是二氧化鈦，是一種用途廣泛的化工顏料，不易發生反應，密度小，不溶于水。硫酸法和氯化法是提煉鈦材料工業生產中最常用的兩種方法。硫酸法鈦白粉的生產工藝技術較為成熟，設備也較簡單。但硫酸法生產流程較長，消耗水和硫酸比較多且在生產的過程中會產生大量的三廢物質，對環保不利。氯化法技術較為復雜，對設備和原料的要求也較高。但是氯化法工藝技術相對較有利于環保，產品質量也更高一些。在國家大力推進綠色環保和“雙碳”戰略的背景下，我國鈦白粉產業應大力發展氯化法生產工藝，淘汰硫酸法工藝。為此本文針對氯化法鈦白粉生產工藝進行分析，提出一些措施和建議。

1 氯化法及硫酸法的基本原理

1.1 氯化法

氯化法是目前提煉鈦白粉最常用的工業方法之一，主要是通過將含有鈦元素的化合物和氯氣混合，讓其發生化學反應，生成四氯化鈦。然后在采用蒸餾提純的方法進行加工，經氧化作用通過氣固進行分離，便可以得到二氧化鈦，采用蒸氣或者是加熱處理的方法將氯從二氧化鈦中轉移出去，生成最終產品鈦白粉。

1.2 硫酸法

使用硫酸法的工藝進行鈦白粉的生產，所使用的主要材料就是硫酸和鈦精礦。具體操作方法如下：首先將鈦精礦中加入硫酸，讓硫酸和鈦發生化學反生生成硫酸氧鈦(TiOSO4)。待完全反應之后還要進行提純處理，首先要過濾掉溶液中的不可溶物質，然后再將溶液中的硫酸亞鐵使用真空結晶的方式去除。在所有提純步驟結束后，使用水解的方式將溶液轉變為偏鈦酸的溶液，去除掉溶液中的其他礦性鹽類。最后再通過高溫加熱的方式蒸發溶液中的水分，從而獲得晶體狀的二氧化鈦。

2 鈦白粉的生產現狀概述

硫酸法和氯化法是鈦白粉的主要制作方法，其中硫酸法的制作過程中產生較多的三廢，對環境的污染較為嚴重，并且生產出來的產品的質量也不高。隨著國家對環境保護法規日趨嚴格，硫酸法制作鈦白粉的方法將逐漸以氯化法替代而趨于淘汰[1]。氯化法工藝相對于硫酸法工藝是較為先進合理的工藝，但在生產過程中也會生成一定數量的有害物質氯氣，其具有很強的毒性、腐蝕性，操作過程中還可能出現爆炸或是燃燒。因此，運用氯化法生產鈦白粉的企業必須綜合考慮安全因素，掌握規避和防范各種危險的措施和方法。

3 氯化法生產鈦白粉的工藝流程

氯化法作為現階段生產鈦白粉最常用的方法，生產流程分三個部分，分別是氯化、氧化和氧化后處理。

3.1 氯化

在氯化這一部分最重要的目的是對粗TiCl4的進行提取，這個部分的操作程序無論是鈦白粉生產過程還是在海綿鈦的生產中，提取的工藝幾乎沒有差別，一般是通過下面三種方法進行提取的，分別為熔鹽氯化、固定床氯化、流化床氯化。雖然這三種方法都可以有效的制取粗TiCl4，但是在實際的工藝生產過程中，還是要根據不同的情況對采用相對應的制取方法。經歷一段時間的發展，固定床氯化工藝現在幾乎已被淘汰，熔鹽氯化法因為某些原因無法對其進行深入研究，因此最常用的方法就是流化床氯化技術。這種技術來源于國外，目前我國相關企業對于這項工藝技術的掌握還遠不夠成熟，仍處于應用的初期階段。

本文主要對流化床氯化技術進行詳細分析。流化床工藝需要使用沸騰狀態的氯化爐操作，市面上常見的沸騰氯化爐一般由金屬材料制作而成，并且在它的內部需要砌筑上一層水冷套和具有耐火性的材料。這些都是為了能夠讓氯化爐在可控的溫度下進行工作，如果有關操作失誤或工作沒有做到位，就可能導致氯化爐的爐況受損，影響生產。要將金紅石礦或者是富含大量鈦材料的高鈦渣打磨成粉，在氧化工序中循環返回的氯氣由沸騰爐的底部加入。正常情況下進行氯化反應適合的環境溫度是要在925～1 010 ℃之間，鈦礦粉在這樣的反應條件下最終產生對應的氯化物，產生的同時隨著氣體一起從氯化爐溢出。當所有的反應結束后生成物氣體可通過專業的旋風分離器進行分離，在這個過程中固體的粉末和那些極不易揮發的氯化物進行徹底的分離。

分離出的氯化物可以進一步通過冷卻的方法再次進行分離。分離的第一步是先要分離亞鐵中存在的氯化物，接下來就是要分離中沸點的三氯化鐵，再然后使用冷四氯化鈦噴淋等相類似的方式方法使其被冷凝，收集產生的四氯化鈦。最后通過過濾的方式就可以得到了粗制的四氯化鈦。

3.2 氧化

在氯化工段的得到的四氯化鈦需要經過氧化反應，使其轉化為二氧化鈦產物。在得到二氧化鈦的操作流程中，需要工作人員將在氯化工段中得到的四氯化鈦、氧氣以及成核劑共同放在反應器中，加入到反應器之后在對反應器進行高溫加熱。一般來說工作環境的溫度需要控制在800 ℃以上，而主要的反應流程環境溫度要保持在1 300～1 800 ℃，在這樣得到溫度環境下才能夠將氧化部分的最終效果達到最佳狀態。被反應出的氣流必須通過低溫狀態下不斷循環的氯氣使其冷卻到700 ℃以下，然后再通過管路使它的溫度冷卻至200 ℃左右，這狀態下的氯氣中會有一些二氧化鈦。最后的步驟就是使用布袋收集器和旋風分離器將二氧化鈦進行分離，之后通過脫氯技術處理將它收集起來，準備進入到后處理工序[2]。

3.3 后處理

(1)打漿處理操作。這個部分的操作過程主要就是把之前收集起來的二氧化鈦料放到指定的打漿槽中，然后加入適量的分離劑和脫鹽水，待一切準備工作完成后，再進行打漿，最后得到的符合預期標準的漿液。

(2) 研磨操作流程。首先要把符合標準的漿液投入至研磨機的進料槽中進一步分離，之后將分離出來的材料通過研磨機進行研磨，研磨的標準為1 μm。將打磨后的材料經過磨后貯槽中進行分級，將研磨不充分的材料返工進行二次研磨，得到的細料進到下一工序。

(3)稱量及表面處理。將得到的細料稱量之后放入對應的表面處理罐中進一步去處理，處理后可以直接送入到過濾的工序中了。

(4)吸濾、清洗及干燥分離。將表面處理完成后的材料送到吸片槽中，其中槽內的葉濾機可以對漿料進一步吸取過濾，吸濾之后要把葉濾機完全放入到滿是脫鹽水的容器中再次進行清洗，清洗后的漿料就可以被放入到準備好的卸料槽中。然后還要對其中的漿料進行干燥的操作程序，充分干燥漿料；充分干燥的漿料在氣流粉碎機中粉碎，粉料直徑標準控制在0.3 μm上下，然后將微粒蒸汽旋風進一步吸收，再送到相應的空氣風機中，粉碎過后的漿料在空氣風機中充分冷卻；粉料分離，再次使用過濾袋進行第二次分離操作，之后進入到包裝工序。

(5) 包裝、儲藏。在對二氧化鈦的成品進行包裝儲藏的過程中，首先要把它放到準備好的螺旋輸送機中，螺旋輸送機會把顆粒送到成品的倉庫中，再依據它的包裝大小來對它采取不同的包裝處理方法。

4 廢渣和廢水的處理及尾氣的綜合利用

廢氣和廢水以及固態廢物是氯化法生產過程中產生的主要廢物，被稱為“三廢”。生產過程中的不同階段所產生的廢物種類也有所不同。這些對環境的污染非常嚴重，因此需要通過有效措施處理，部分可轉換成為可利用資源。

4.1 廢渣及廢水的處理方法

采用氯化法生產鈦白粉的優點非常多，比如：工藝耗能低、自動化程度高、成品質量佳等。但是該工藝不可避免在生產過程中產生廢渣和廢水，企業需要采用有效的方式，對這些廢渣和廢水進行處理，減少對環境的破壞和污染。

4.1.1 廢渣的處理辦法

在通過氯化法生產鈦白粉時，很容易會產生許多氯化后的廢渣和氫氧化物的廢渣，處理這些廢渣的方法有很多，比如采取壓濾、溶解或者中和分類等方法進一步處理，具體詳細操作過程如下：

(1)可以先通過換熱器對存在的廢渣先進行冷卻的處理，然后將廢渣儲存在準備好的壓濾機的供料槽中，最后通過泵送的方式把這些渣漿放至壓濾機中再次進行過濾處理。

(2)在過濾渣漿的過程中，為了能夠讓過濾后的結果更加清晰明顯，可以使用批次間歇的操作方法處理渣漿，單次的漿渣處理量通常可以控制在8～15 m3，過濾后還要對其進行洗滌操作，然后利用壓縮機將其中水分進一步壓縮出，在進行第二次洗滌過程中，此時就可以加大洗滌的用水量，使洗滌的結果更加徹底。

(3)當濾液電導率達到了固定的工藝標準后，可以把這些濾液送至洗滌水槽中，下一次進行洗滌可以再次使用，通過這種方式達到節約用水的效果。將第二洗滌過后的濾餅通過壓榨機將水分壓干，并利用空氣壓縮機，最終將濾餅中還存在的水分壓干。

(4)金屬的氯化物溶液儲存槽中通常會存有許多的氯化鐵濾液，因此要把它送到中和槽中使它進行中和反應，再經過氯氣洗滌器最終完成廢水的處理。被處理過的濾餅一般屬于惰性廢渣，這樣的惰性廢渣中水的含量通常在50% 以上，并且二氧化鈦的含量一般會在15%上下浮動，剩下的基本都是石油焦。

4.1.2 廢水的日常處理方法

通過氯化法生產的鈦白粉在反應過程中產生的廢水，通常可以使用下面3 種方式進一步處理：

(1)通過石灰乳和廢水進行中和反應處理，獲得氫氧化鐵的沉淀物，將分離洗滌出廢渣可直接運輸至固定的渣場統一處理，在分離工作過程中還將產生氯化鈣廢水，這類廢水可以直接排放到廢水槽中，進行蒸發處理。

(2)需要注意的是，在對廢水通過石灰乳進行處理時，第一步要把石灰乳放到儲槽中，之后在儲槽中加入酸性廢水、金屬氯化物溶液，再將溶液放到蒸發裝置進行結晶處理，對其中產生的二水氯化鈣一定要回收處理。

(3)在過濾環節中，通常會產生一些含鹽廢水，這些廢水中含有二氧化鈦、硫化鈣。處理操作流程如下：廢水先進行沉降，再把廢水放到準備好的含鹽廢水處理裝置中，使用反滲透膜處理廢水，處理后的廢水可以變為可循環使用的可使用水，其中包含的較少部分的濃水可通過蒸發操作進行自然蒸發。這樣就可以把含鹽的一些廢水進行二次利用了，不僅能夠減少廢水的排放，同時還起到節約用水的效果。

4.2 尾氣的綜合利用

氯化法制作鈦白粉時會產生大量尾氣，這些尾氣的產生將直接影響尾氣系統的正常運行，因此對尾氣進行有效處理是非常有必要的。具體的應對措施如下：可以在原有的硬件設備中新增一個淋洗塔，新增的淋洗塔能過對二氯氧化鈦進行處理，而且還能夠通過將新增的淋洗塔和原有的兩個淋洗塔組成新的氯化尾氣的處理工藝。通過新加入的淋洗塔能有效地除掉尾氣中含有的四氯化鈦和四氯化硅，當淋洗液中的二氧化鈦濃度達到一定標準就可以進行重復利用了。

5 結語

綜上，鈦白粉作為無機化工顏料，其用途非常廣泛。為了能夠讓其在被使用的過程中發揮出最大作用，要在生產過程中保證質量。氯化法生產能耗低、自動化的程度高，相比原有的硫酸法工藝更科學合理，對資源的利用與對環境的保護更為有利，氯化法已成為各大企業通常都使用的鈦白粉生產主要工藝。在進行氯化法去生產鈦白粉的操作中，還需要進一步細化，對每一項生產工藝流程都應制定嚴格的工藝要求，以保證鈦白粉的生產質量。氯化法鈦白粉的生產將伴隨有一定數量的污染物質產生，因此要重視控制與合理處置，努力降低環境被污染的概率。此外還要對尾氣進行綜合性利用，變廢為寶，進一步提高經濟的效益。