四氯化鈦淋洗吸收工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新

衣淑立， 劉 杰， 田忠元， 強樹軍

(金川集團股份有限公司， 甘肅 金昌 717300)

輕金屬

四氯化鈦淋洗吸收工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新

衣淑立， 劉 杰， 田忠元， 強樹軍

(金川集團股份有限公司， 甘肅 金昌 717300)

概述了國內(nèi)外海綿鈦生產(chǎn)中四氯化鈦淋洗吸收工藝的發(fā)展、工藝特點、存在的不足，從工藝條件、工藝過程及產(chǎn)能、產(chǎn)品指標、技術(shù)經(jīng)濟指標等方面對創(chuàng)新淋洗工藝進行全面論述，闡述了現(xiàn)有的淋洗工藝采用湍沖洗滌技術(shù)所具有的技術(shù)優(yōu)勢。

四氯化鈦； 淋洗吸收工藝； 空塔噴淋技術(shù)； 湍沖洗滌技術(shù)； 優(yōu)化與創(chuàng)新

0 前言

四氯化鈦的生產(chǎn)主要采用沸騰氯化法或熔鹽氯化法，由于其熔點較低(135.9 ℃)，呈氣態(tài)形式存在于氯化爐爐氣中，通常通過液態(tài)四氯化鈦對爐氣進行淋洗吸收使氣態(tài)的四氯化鈦冷凝為液態(tài)。四氯化鈦的淋洗吸收國內(nèi)外主要采用以空塔噴淋技術(shù)為基礎(chǔ)的循環(huán)淋洗工藝，其存在工藝流程復(fù)雜，冷凝吸收效率不高，產(chǎn)品含固量高等問題，尤其在氯化爐大型化的情況下，該問題愈發(fā)突出。國內(nèi)某廠對原淋洗吸收系統(tǒng)進行改造，將湍沖洗滌技術(shù)應(yīng)用到四氯化鈦淋洗吸收工藝中，整個工藝大幅簡化，冷凝吸收效率和產(chǎn)品含固量等得到改善，實現(xiàn)了四氯化鈦淋洗吸收工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新。

1 國內(nèi)外四氯化鈦淋洗吸收工藝的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 我國早期四氯化鈦淋洗吸收工藝

傳統(tǒng)氯化工藝中四氯化鈦的回收采用淋洗塔淋洗吸收方式，工藝流程如圖1所示。

1—文丘里洗滌器；2—TiCl4泵槽；3—淋洗TiCl4泵；4—噴淋塔；5—熱交換器；6—冷凝吸收塔；7—冷凝TiCl4泵槽；8—冷凝TiCl4泵；9—冷凝吸收塔；10—冷卻換熱器；11—氣液分離器

來自氯化爐的混合爐氣經(jīng)過收塵冷凝器冷凝，由于降溫及重力作用，爐氣中大部分顆粒較大的富鈦料、石油焦及部分高沸點雜質(zhì)被收集，較細的顆粒則隨爐氣進入文丘里洗滌器，液態(tài)粗四氯化鈦從文丘里洗滌器的頂部噴淋下來，對爐氣進行初步洗滌，煙氣被冷卻，其中的大部分四氯化鈦由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)顆粒，多數(shù)顆粒被噴淋的四氯化鈦液滴吸附收集，聚集在TiCl4泵槽中。夾帶著未被冷凝的四氯化鈦和較細顆粒的煙氣再進入噴淋塔，經(jīng)噴淋塔頂部噴出的液態(tài)四氯化鈦淋洗，大部分四氯化鈦及細小的顆粒被收集進入TiCl4泵槽。雖然經(jīng)過了兩級淋洗吸收，但爐氣中仍有少量的氣態(tài)四氯化鈦未被吸收，此部分收集難度較大，因此采用2級冷凝吸收塔對其進行淋洗吸收，借助冷凝吸收塔內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)，增加氣體和顆粒在塔內(nèi)的行程，從而提高冷凝吸收效果。

該四氯化鈦淋洗吸收系統(tǒng)在實際生產(chǎn)過程中，因文丘里洗滌器、冷凝吸收塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣流在塔內(nèi)不能夠很好地與液相接觸，爐氣中四氯化鈦的冷凝吸收效果不佳。同時爐氣的粉塵顆粒在設(shè)備的死角區(qū)域容易吸附粘結(jié)，引起設(shè)備氣體通路堵塞，導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定或停運等。

1.2 我國目前四氯化鈦淋洗吸收工藝

早期工藝存在諸多問題，經(jīng)過改進，目前我國的淋洗吸收系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

1—循環(huán)淋洗塔；2—循環(huán)泵槽；3—換熱器；4—中間泵槽；5—捕滴器；6—沉降槽；7—過濾器；8—高位槽；9—泥漿蒸發(fā)器；10—泥漿渣罐；11—冷凝器；12—產(chǎn)品槽

新改進的工藝采用噴淋塔替代文丘里洗滌器、塔式冷凝器，共設(shè)有4級噴淋塔。噴淋塔采用空塔設(shè)計，頂部設(shè)有噴頭，四氯化鈦從頂部噴出對爐氣進行淋洗。由于塔內(nèi)結(jié)構(gòu)簡化，解決了容易堵塞問題，同時氣液接觸面積增大，有利于提高冷凝吸收效果。但是噴淋塔的噴淋效果受噴頭出液的影響，在噴頭出現(xiàn)局部或完全堵塞的情況下，冷凝吸收效率大幅下降；并且塔內(nèi)氣流與噴淋液體同向流動，在氣體流速較大的情況下，氣液接觸不充分，冷凝吸收效果仍欠佳，四氯化鈦的吸收效率較低，大量細微顆粒隨煙氣進入后續(xù)系統(tǒng)，容易造成管路堵塞，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。

1.3 國外四氯化鈦淋洗吸收工藝

對于沸騰氯化技術(shù)，國外與我國的差異主要在沸騰氯化爐的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)規(guī)模及工藝自動化控制方面，而四氯化鈦淋洗吸收系統(tǒng)并無明顯的差異，主要還是采用空噴淋塔，具體工藝流程如圖3所示。

1—主冷凝淋洗塔；2—TiCl4泵槽；3—淋洗TiCl4泵；4—第二級冷凝淋洗塔；5—水冷換熱器；6—第三級冷凝淋洗塔；7—冷凝TiCl4泵槽；8—TiCl4泵；9—冷凍鹽水換熱器

2 四氯化鈦淋洗吸收工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新

2.1 原設(shè)計的四氯化鈦淋洗吸收工藝

2.1.1 工藝流程

國內(nèi)某廠沸騰氯化爐爐氣的主要成分見表1。原設(shè)計的四氯化鈦淋洗吸收工藝流程如圖4所示。

表1 沸騰氯化爐出口爐氣主要成分

圖4 原四氯化鈦淋洗吸收工藝流程圖

四氯化鈦淋洗吸收在1#和2#淋洗吸收塔進行，采用空塔噴淋技術(shù)，每臺淋洗吸收塔下部設(shè)有兩個錐體，錐體上部連通，錐體內(nèi)儲存淋洗吸收的液態(tài)的四氯化鈦，每臺淋洗吸收塔上安裝有4根立管，煙氣在4根立管中蛇形通過。每臺淋洗吸收塔對應(yīng)2臺套管冷卻器，每臺套管冷卻器對1個錐體內(nèi)的四氯化鈦進行冷卻，其中1#淋洗吸收塔的冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，2#淋洗吸收塔的冷卻介質(zhì)為低溫冷凍鹽水。在每根立管的頂部和中部各設(shè)有1個碳化硅螺旋噴頭，淋洗吸收塔內(nèi)的四氯化鈦由四氯化鈦循環(huán)泵輸送至每根立管上部和中部噴頭，經(jīng)碳化硅螺旋噴頭噴出，形成散狀噴射液體。從2#收塵冷凝器出來的混合氣體首先進入1#淋洗吸收塔，經(jīng)過4個立管內(nèi)常溫的四氯化鈦液體噴淋吸收，大部分氣態(tài)四氯化鈦被冷卻吸收下來，剩余的少量氣態(tài)四氯化鈦隨煙氣進入2#淋洗吸收塔，被溫度約為-30～-25 ℃的低溫四氯化鈦液體冷卻吸收，最終未被冷凝吸收的四氯化鈦和細顆粒粉塵隨煙氣進入氣液分離器及后續(xù)尾氣處理系統(tǒng)。

fk(p,q)=pk+pk-1q+pk-2q2+…+qk(k=0,1,2,…)，并約定f0(p,q)=1，則

2.1.2 存在的問題

經(jīng)過近半年的試生產(chǎn)，該四氯化鈦淋洗吸收系統(tǒng)的缺陷逐漸顯現(xiàn)，淋洗吸收效率低，中間產(chǎn)品含固量高，影響沸騰氯化系統(tǒng)產(chǎn)能的進一步提升及長周期連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的實現(xiàn)。

(1)降溫效果。1#淋洗塔入口溫度為250～300 ℃，淋洗后的溫度為120～150 ℃，冷卻效果不佳，影響后續(xù)對四氯化鈦的吸收。

(2)產(chǎn)能。原設(shè)計氯化系統(tǒng)為兩開一備，單套沸騰氯化系統(tǒng)產(chǎn)能約為120 t/d，最大氯氣流量約1 500 m3/h。按照1 300 m3/h通氯生產(chǎn)，理論產(chǎn)能應(yīng)為106 t/d。而前期試生產(chǎn)期間，氯化爐按1 300 m3/h進行生產(chǎn)，產(chǎn)能平均約為95 t/d，僅達到理論產(chǎn)能的89.62%，說明四氯化鈦淋洗吸收的效果不理想，大量氣態(tài)四氯化鈦未被冷凝吸收，進入到尾氣處理系統(tǒng)。

(3)產(chǎn)品質(zhì)量 。試生產(chǎn)過程中，對淋洗吸收系統(tǒng)獲得的中間產(chǎn)品粗四氯化鈦取樣分析，結(jié)果見表2。

表2 粗四氯化鈦產(chǎn)品(過濾前)取樣分析結(jié)果 %

從表2可以看出，氯化工序產(chǎn)出的濾前粗四氯化鈦產(chǎn)品含固量偏高，均在10∶100以上，而精制工序?qū)λ穆然伖毯恳笤?0∶100以內(nèi)，不符合精制工序工藝生產(chǎn)要求，必須經(jīng)過沉降、過濾，才能夠得到合格的粗四氯化鈦產(chǎn)品。

2.2 優(yōu)化后的四氯化鈦淋洗吸收工藝

2.2.1 工藝流程

針對原氯化系統(tǒng)存在的問題，對淋洗吸收系統(tǒng)進行改造。將原設(shè)計的1#淋洗吸收塔拆除，在此基礎(chǔ)上新增1級湍沖洗滌塔，與原有的2#淋洗吸收塔串聯(lián)。同時對工藝進行優(yōu)化，利用湍沖洗滌塔高效降溫除塵的特性，使煙氣中絕大部分的固體細顆粒粉塵和高沸點雜質(zhì)在湍沖洗滌塔內(nèi)收集。改造系統(tǒng)工藝管路，將湍沖洗滌塔得到的固含量較高的粗四氯化鈦液體直接返回至前端收塵冷凝系統(tǒng)進行噴淋降溫。湍沖洗滌塔凈化后的爐氣再進入2#淋洗吸收塔淋洗吸收，得到含固量較低的粗四氯化鈦產(chǎn)品。由于產(chǎn)品固含量大幅下降，在精制工序生產(chǎn)要求的范圍內(nèi)，因此省去沉降過濾系統(tǒng)，2#淋洗吸收塔溢流直接送產(chǎn)品槽，得到粗四氯化鈦產(chǎn)品。具體工藝流程如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的四氯化鈦淋洗吸收工藝流程圖

該工藝在產(chǎn)品冷凝吸收前先進行湍沖洗滌，使煙氣中的粉塵有效收集，降溫除塵后的煙氣再進入產(chǎn)品淋洗吸收塔冷凝吸收，產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，無需采用傳統(tǒng)的濃密機和過濾器，簡化了流程，提高了系統(tǒng)生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備投資。

2.2.2 運行狀況

(1)降溫效果。湍沖洗滌塔入口溫度250～280 ℃，淋洗后溫度為60～80 ℃，冷凝降溫效果大幅改善，有利于后續(xù)產(chǎn)品四氯化鈦的吸收。

(2)產(chǎn)能。 按照1 300 m3/h連續(xù)通氯生產(chǎn)，單日產(chǎn)能平均約為105 t；氯氣通入量為1 500 m3/h，單日產(chǎn)能約為118 t。

(3)產(chǎn)品質(zhì)量。改造后試生產(chǎn)過程中對淋洗吸收塔獲得的中間產(chǎn)品粗四氯化鈦取樣分析，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，改造后湍沖洗滌四氯化鈦淋洗吸收產(chǎn)出的中間粗四氯化鈦含固量明顯下降，四氯化鈦含量有所提升，固含量控制在10∶100以內(nèi)，能夠滿足精制工序?qū)Υ炙穆然伖毯康囊蟆?/p>

表3 工藝優(yōu)化后粗四氯化鈦產(chǎn)品(過濾前)取樣分析結(jié)果 %

3 工藝優(yōu)化前后技術(shù)經(jīng)濟指標對比

對原氯化工序淋洗吸收系統(tǒng)進行改造，采用湍沖洗滌技術(shù)，降溫除塵處理后的爐氣經(jīng)過新型湍沖洗滌塔噴淋冷凝處理后，溫度從250～280 ℃降至60～80 ℃，含塵量大幅降低，收塵效率達到95%左右，粗四氯化鈦產(chǎn)品質(zhì)量提高，在節(jié)能降耗、提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率及提升經(jīng)濟效益等方面效果顯著。淋洗吸收塔和湍沖洗滌塔技術(shù)性能指標對比見表4。

表4 工藝優(yōu)化前后技術(shù)指標對比

4 結(jié)論

國內(nèi)海綿鈦冶煉企業(yè)和氯化法鈦白生產(chǎn)企業(yè)主要采用噴淋塔淋洗吸收技術(shù)生產(chǎn)粗四氯化鈦，湍沖洗滌技術(shù)在四氯化鈦淋洗吸收中的應(yīng)用是國內(nèi)鈦冶煉領(lǐng)域的一個創(chuàng)新，與噴淋塔淋洗吸收相比，湍沖洗滌技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢：

(1)氣液接觸面積增大，在逆噴管內(nèi)可形成湍動區(qū)。

(2)降溫作用明顯，提高了冷凝吸收效率。

(3)除塵能力大幅提高，產(chǎn)品固含量大幅下降。

(4)故障率低，可實現(xiàn)連續(xù)無故障運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)效率提高。

采用湍沖洗滌技術(shù)，簡化了工藝流程，降低了設(shè)備投資，提高了海綿鈦生產(chǎn)的金屬回收率，有效節(jié)約了礦產(chǎn)資源，降低了尾氣中四氯化鈦含量，減少了對環(huán)境的污染。

湍沖洗滌技術(shù)成功應(yīng)用于四氯化鈦生產(chǎn)，是國內(nèi)鈦冶煉行業(yè)四氯化鈦淋洗吸收技術(shù)及淋洗系統(tǒng)工藝優(yōu)化的一條新思路，對推動海綿鈦生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新和行業(yè)采用新工藝、新技術(shù)發(fā)揮了積極的作用。

[1]鄧國珠，王武育. 鈦冶金[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2010:132-146.

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Optimizationandinnovationoftitaniumtetrachloridewashingabsorptionprocess

YI Shu-li, LIU Jie, TIAN Zhong-yuan, QIANG Shu-jun

The development, characteristics and shortages of titanium tetrachloride washing absorption process used in titanium sponge production at home and abroad were presented. The innovation of washing process was comprehensively discussed from the aspects of process conditions, technological process, capacity, product index, technological and economic indexes. The technological advantages and comprehensive benefits of current washing process after adopting turbulent washing technology were elaborated.

titanium tetrachloride; washing absorption process; empty-tower spraying technology; turbulent washing technology; optimization and innovation

衣淑立(1966—)，男，山東人，冶金高級工程師，金川集團股份有限公司規(guī)劃發(fā)展部總經(jīng)理。

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