熔鹽氯化爐大型化關(guān)鍵因素

查笑樂

（攀枝花攀鋼集團設(shè)計研究院有限公司，四川攀枝花 617023）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟和技術(shù)持續(xù)發(fā)展，特別是熔鹽氯化開始應(yīng)用于氯化法鈦白大規(guī)模生產(chǎn)以及海綿鈦不斷降低成本的迫切需要，對熔鹽爐進一步放大提出更高要求。熔鹽爐大型化涉及問題眾多，系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性強，從爐型、配套裝備、物料平衡、熱能平衡、熔體動力學(xué)平衡等均需重新分析、確定。本文以現(xiàn)場實際情況為依據(jù)，對攀鋼海綿鈦熔鹽氯化爐大型化的關(guān)鍵因素進行分析、計算，為該爐型進一步放大至160 t/d 可行性提供理論支撐。

1 氯化爐工藝過程

氯化爐生產(chǎn)期間通過原料轉(zhuǎn)運系統(tǒng)將反應(yīng)所需的鈦渣、石油焦、工業(yè)鹽混勻后，由爐前螺旋給料機將原料連續(xù)送入氯化爐。原料從熔體液面上部加入，在熔體上表面短暫停留，形成原料區(qū)。生產(chǎn)過程中，爐底氯氣管道持續(xù)通入來自氯壓車間的混合氯氣，氯氣以較快速度從氯氣管道噴嘴送入熔鹽后將動能帶入熔體。由于原料為粉體，熔體吸收動能后進行定向流動，同時氯氣氣泡分散上升過程中將上部原料攪勻、混合。氯氣與原料充分接觸后反應(yīng)生成TiCl4，由于熔體溫度達到800 ℃，汽化后TiCl4形成氣包上升至液面破裂后由爐頂運行至排放口，在后部淋洗系統(tǒng)分級冷卻、收集。

2 熔鹽體系特性分析

熔鹽體系作為氯化反應(yīng)的載體，是氯化爐動力學(xué)核心，其體系特性直接決定氯化工藝全反應(yīng)過程條件及相關(guān)參數(shù)、操作要求。對攀鋼海綿鈦氯化排出爐外熔體的組份進行分析，熔體中除NaCl 占比最高外，主要存在Fe、Mg、Mn、Al、Ca 等元素的高沸點氯化物以及各種元素的氧化物。

根據(jù)生產(chǎn)工藝，氯化爐內(nèi)熔體操作溫度主要在750～850 ℃，熔鹽處于融熔態(tài)，具有良好的流動性及動力學(xué)性能。由于氯氣和爐料的連續(xù)加入，各種氯化物在爐中積聚，隨著TiO2及部分物料的消耗，熔鹽中碳和其他不溶成分含量＞20%，將會導(dǎo)致熔鹽黏度明顯增大，熔體動力學(xué)性能快速變差，爐內(nèi)物料反應(yīng)效率急劇降低[1]。為了維持熔鹽液面恒定和控制熔鹽中不溶介質(zhì)的比例，需要周期性排廢鹽并連續(xù)加入爐料補充熔鹽。

3 熔鹽爐大型化關(guān)鍵因素分析

根據(jù)以上反應(yīng)機理及工藝過程，可以看到對于氯化爐生產(chǎn)影響因素眾多，綜合分析后主要包括物料平衡、熱能平衡、熔體動力學(xué)特性、物料特性、爐型結(jié)構(gòu)等。通過總結(jié)分析其中因素，對擴能影響最大的還是大型化增產(chǎn)后物料、熱能平衡、主要工藝參數(shù)變化帶來的熔體動力學(xué)條件及工況變化與原有裝備不匹配帶來的相關(guān)矛盾[2]。通過以上分析可知，如需對氯化爐進一步大型化，需找到相關(guān)邊界條件及關(guān)鍵因素，參照成熟爐型結(jié)構(gòu)，進而探討熔鹽爐大型化的方向，研究確定相關(guān)爐型結(jié)構(gòu)。

通過結(jié)合成熟爐型的工程化設(shè)計及車間生產(chǎn)實際，可以得出對爐型大型化主要的影響因素有爐內(nèi)氯氣分布情況、熔體有效體積及熔體液面高度、爐膛內(nèi)煙氣氣速等。

3.1 熔體體積

根據(jù)工藝原理，確定熔體體積，首先需確定熔鹽體系相關(guān)體積與產(chǎn)量關(guān)系a。通過參照分析國內(nèi)已經(jīng)成熟的爐型及《鈦冶煉廠工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51326—2018）標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)公式，可了解單位熔鹽體積與TiCl4產(chǎn)能關(guān)系經(jīng)驗約為a=4～5.5 t/m3。

結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況，分析攀鋼氯化爐廢鹽渣成份，不溶物占比達到18%以上，已較為接近20%上限。如進一步增加產(chǎn)能，存在熔體動力學(xué)條件被破壞后導(dǎo)致爐況惡化的風(fēng)險。熔鹽氯化爐在前期通過多次攻關(guān)試驗，驗證熔鹽爐擴能的可行性，期間通過增加氯氣通入量，適當(dāng)增大熔體流動速度情況強化反應(yīng)速度，可進一步增大氯化爐產(chǎn)能增大至140 t/d 以上，單位體積產(chǎn)能a 值可達到5。

3.2 爐膛氣速

熔鹽氯化生產(chǎn)過程中，氯氣在爐內(nèi)分散并與原料反應(yīng)后，生成TiCl4均勻從熔體上表面快速溢出。爐膛氣速實際將直接對熔體流動速度、液面波動幅度、原料懸浮層的穩(wěn)定、混合反應(yīng)層狀態(tài)、原料帶出爐體比例等均有直接影響。

分析生產(chǎn)過程可以知道，增產(chǎn)后TiCl4煙氣在爐膛直徑不變前提下氣速將呈線性比例增大，煙氣速度一旦超過合理范圍，將導(dǎo)致熔體流動速度過快，造成液面大幅波動，對熔鹽爐穩(wěn)定運行影響很大。此外，爐膛氣速過高還將導(dǎo)致尚未降至液面便被帶走原料比例明顯增大，增大原料損耗，同時增大后部淋洗系統(tǒng)負荷及漿料總量，TiCl4漿料再平衡難度增大。綜合分析，爐膛氣速為保證氯化爐達到設(shè)計產(chǎn)能的重要指標(biāo)。

3.3 氯氣分布情況

氯化爐穩(wěn)定生產(chǎn)的前提條件之一是爐內(nèi)氯氣可均勻分布，氯氣與原料均勻混合后物料氯化率達到90%以上，方可確保氯氣利用率及原料還原率等達到設(shè)計指標(biāo)。同時也是確保氯化爐內(nèi)熔體動力學(xué)的基本條件?，F(xiàn)有氯化爐均通過爐底設(shè)置多根氯氣管道，同時通入一定速度的氯氣實現(xiàn)氣流帶動熔體，實現(xiàn)熔體的流動。而熔鹽氯化反應(yīng)在氣固、液三相中進行，氯氣均勻分布靠液相分散來達到的，顯然氯氣被分散的程度取決于熔鹽的運動狀態(tài)。其主要包括氯氣送入動能與熔體吸收動能，通過理論分析，主要參照動能公式（1）計算。

式中 m——氯氣、熔鹽的質(zhì)量，kg

v——氯氣的速度，m/s

吸收動能后，熔體動力學(xué)狀態(tài)可通過動能與熔體質(zhì)量比值X 作為熔體運動狀態(tài)參照依據(jù)。通過結(jié)合現(xiàn)有錦州、海綿鈦熔鹽爐情況，返算可知道熔體吸收氯氣動能后情況，可計算出錦州大型氯化爐熔體X1=E/m=47，攀鋼海綿鈦熔鹽爐熔體X2=E/m=56。通過計算現(xiàn)有海綿鈦爐型X 值生產(chǎn)實踐可達到62，結(jié)合判斷如進一步提高單爐產(chǎn)能，由于熔體體積的一定增大，需適當(dāng)提高氯氣輸送速度，當(dāng)單位熔體產(chǎn)能a 值如按5.2 考慮，X 值最大將達到65～75。該值在相關(guān)理論實踐中并未規(guī)范上限并獲得進一步驗證，X 值能否達到該值還需通過對現(xiàn)有爐型及相關(guān)參數(shù)進行不斷優(yōu)化、改善后進行驗證。

3.4 爐型設(shè)計

通過以上關(guān)鍵因素分析可知，合理的爐型結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)熔鹽爐大型化的基礎(chǔ)，是平衡以上各項因素的關(guān)鍵措施。熔鹽爐爐型結(jié)構(gòu)發(fā)展至今大型爐結(jié)構(gòu)已基本成熟。均為圓型爐，結(jié)構(gòu)可分為錐段（反應(yīng)段）、爐體直段（氣固分離段）。熔體主要在錐段，其功能主要為氯氣分布、混合、反應(yīng)區(qū)。氣固分離段主要為爐膛及上部直段、爐頂，其功能主要為物料分布、煙氣上升過程中的固體顆粒、原料未反應(yīng)粉料等實現(xiàn)氣固分離后固體物在爐內(nèi)沉降。氯氣布置于氯化爐底，現(xiàn)有熔鹽爐底直徑≤1.8 m，設(shè)置4 根氯氣管道即可滿足氯氣分布要求。為與熔體運動狀態(tài)匹配，爐底錐段不宜＞18°，否則宜造成熔體產(chǎn)生反應(yīng)死區(qū)或沉積區(qū)[3]。

熔體高度的設(shè)置直接關(guān)系到熔體體積、物料混合反應(yīng)時間、氯氣分布效果等關(guān)鍵參數(shù)，其大型化設(shè)定主要考慮2 個因素。

（1）氯氣在熔體內(nèi)停留的時間，參照已掌握的文獻參數(shù)，氯氣的分散、預(yù)熱時間一般在1～3 s，在反應(yīng)帶的停留、反應(yīng)時間＞5 s。在實際生產(chǎn)中，熔鹽處于高溫狀態(tài)下，氯氣的上升運動速度經(jīng)分析將大于0.4 m/s 的空膛速度，小于等于0.5 m／s，計算可得熔體所需高度至少為4 m?？紤]到原料懸浮層及爐底爐渣沉降區(qū)，熔體液面至爐底高度達到4.5 m 以上較為合適。

（2）產(chǎn)業(yè)化后的國產(chǎn)氯氣加壓機的實際出力情況，由于進口氯壓機價格因素，國內(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè)主要采用國產(chǎn)氯壓機。而目前國產(chǎn)氯壓機輸出壓力在0.15 MPa 左右，經(jīng)遠距離輸送后實際入爐壓力≤0.12 MPa，而熔鹽4.5 m 深度及間斷排渣過程中原料層靜態(tài)壓力即可達到0.060～0.065 MPa，氯氣動態(tài)輸送過程中還需克服氯氣管道及熔體形成阻力，該阻力可達到0.020～0.025 MPa，實際用于氯氣輸出壓力不足0.035 MPa。如進一步提高液面，將導(dǎo)致氯氣噴嘴由于阻力增大導(dǎo)致輸出速度不足，對熔體形成理想的動力學(xué)環(huán)境影響較大[4]。特別是大型化后在氯壓機輸出壓力不變的條件下，熔體質(zhì)量、爐體直徑均需進一步增大，對于氯氣輸入速度及動能要求更高。綜合分析，熔體液面高度4.5～4.6 m 即可，不宜進一步加大。根據(jù)熔鹽爐生產(chǎn)原理，排鹽口高度設(shè)計至4.5～4.6 m。

爐膛直徑主要有3 方面影響：①氯化爐煙氣得到減速和緩沖；②被氣流夾帶的固體微粒絕大部分實現(xiàn)沉降；③未反應(yīng)完的少量微氯繼續(xù)和超細物料繼續(xù)進行反應(yīng)。經(jīng)分析可以得出，決定爐膛直徑主要還是爐內(nèi)煙氣氣速，而通過物料平衡計算以及統(tǒng)一考慮返爐泥漿量后獲得達產(chǎn)煙氣總量。通過返算空膛氣速，可確定爐膛的最小直徑，而液面上部直段按照經(jīng)驗取爐膛直徑1.5倍以上較為合適。

4 結(jié)束語

熔鹽爐大型化在我國鈦產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展下，對于降低生產(chǎn)成本及低品位原料大規(guī)模應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。通過以上綜合分析，熔鹽爐大型化影響因素眾多，其中關(guān)鍵影響因素爐內(nèi)氯氣分布情況、熔體有效體積及熔體液面高度、爐膛內(nèi)煙氣氣速等均對熔體的動力學(xué)環(huán)境、生產(chǎn)反應(yīng)條件等產(chǎn)生較大影響。參照現(xiàn)有成熟的熔鹽氯化爐的爐型結(jié)構(gòu)可以看到，氯化爐大型化需對現(xiàn)有爐型進行放大及調(diào)整，對爐膛直徑、錐段尺寸、底部直徑等進行重新分析、計算及工況條件下動力學(xué)仿真模擬，而其中部分關(guān)鍵參數(shù)及機理還需進行相關(guān)驗證方可為下階段大型化提供支撐。