一種鈦白粉轉(zhuǎn)窯煅燒尾氣余熱利用新裝置

高增麗，李秋紅，李化全，畢紅雨

（1.山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東淄博255049；2.山東東佳集團(tuán)股份有限公司；3.山東鈺祥石化工程有限公司）

關(guān)健詞：煅燒尾氣；鈦白粉；熱管套管；相變換熱器

鈦白粉生產(chǎn)工藝中，偏鈦酸轉(zhuǎn)窯煅燒產(chǎn)生的煙氣溫度為300～400℃［1-4］，同時(shí)含有大量水蒸氣、SO2、SO3等酸性氣體，酸性氣體的存在提高了煅燒轉(zhuǎn)窯尾氣由氣態(tài)凝結(jié)為液態(tài)酸的溫度（即酸露點(diǎn)）［5］，高濕性、酸性氣體易于凝結(jié)成酸霧，金屬受熱面溫度若低于轉(zhuǎn)窯尾氣的酸露點(diǎn)，就會在其表面形成液態(tài)酸，加劇對金屬換熱器的腐蝕。長期以來，換熱器受熱面由于尾氣結(jié)露而引起的腐蝕情況時(shí)常發(fā)生，以致于目前在對高含硫排放的鈦白粉煅燒轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)時(shí)不得不通過提高排放溫度或使用傳熱極差的非金屬材料換熱器（如搪瓷管）來緩解結(jié)露和腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。而單純提高尾氣排放溫度又勢必造成大量能源的浪費(fèi)，盡管提高了尾氣排放溫度，在實(shí)際運(yùn)行過程中由于生產(chǎn)線負(fù)荷的調(diào)整也會存在尾氣溫度的波動(dòng)。溫度波動(dòng)若低于尾氣的酸露點(diǎn)，尾氣對金屬換熱器的腐蝕迅速加劇，導(dǎo)致金屬換熱器在運(yùn)行一到兩年后依舊會出現(xiàn)腐蝕孔，而非金屬材料換熱器換熱能力有限、體積龐大，不利于現(xiàn)場安裝。

1 高濕、高硫尾氣余熱利用現(xiàn)狀

高濕、高硫的鈦白粉轉(zhuǎn)窯煅燒尾氣的余熱利用一直是困擾企業(yè)的一大問題，利用金屬換熱器進(jìn)行煅燒轉(zhuǎn)窯尾氣的余熱利用，換熱器由于受酸霧腐蝕壽命短維護(hù)困難。目前的工藝流程中，煅燒轉(zhuǎn)窯尾氣離開轉(zhuǎn)窯尾部進(jìn)入文氏管噴淋降溫裝置［6］（圖1），完成尾氣中酸性氣體的吸收和除塵，在噴淋降溫的過程中，尾氣中大量熱量在噴淋降溫的過程中被耗散掉，一些企業(yè)開始嘗試對將尾氣余熱用于濃縮廢酸［7］，但是這種工藝經(jīng)濟(jì)價(jià)值小。鈦白粉生產(chǎn)工藝需要的大量蒸汽，一些企業(yè)開始嘗試在避開尾氣酸露點(diǎn)的條件下，將尾氣部分余熱用于生產(chǎn)工藝需要的蒸汽［8］，利用煅燒尾氣余熱產(chǎn)生蒸汽，即在尾氣進(jìn)入文氏管噴淋降溫裝置之前，先進(jìn)入換熱器，利用換熱器將尾氣一部分熱量回收。換熱器主要采用導(dǎo)熱油工質(zhì)換熱技術(shù)與重力熱管換熱技術(shù)，導(dǎo)熱油工質(zhì)換熱技術(shù)［9］（圖2）是利用尾氣余熱加熱導(dǎo)熱油，控制尾氣溫度降至210℃以上，經(jīng)換熱器后進(jìn)入后續(xù)文氏管噴淋降溫裝置及其他裝置，加熱后的導(dǎo)熱油再利用換熱器將熱量用于產(chǎn)生水蒸氣。由于導(dǎo)熱油工質(zhì)換熱技術(shù)換熱能力有限，換熱器設(shè)備體積龐大。一些企業(yè)開始嘗試重力熱管相變換熱技術(shù)（圖3）［10］，尾氣余熱用于加熱相變介質(zhì)由液態(tài)蒸發(fā)成氣態(tài)，取熱介質(zhì)冷卻氣態(tài)相變介質(zhì)由氣態(tài)冷凝成液態(tài)，在重力作用下回流相變工質(zhì)液態(tài)池，在液態(tài)池中重新開始吸熱蒸發(fā)過程，循環(huán)往復(fù)，相變介質(zhì)依靠工質(zhì)相變完成熱量交換，換熱效率大大提高，對比普通換熱器體積大大縮小。但是重力熱管相變換熱中相變工質(zhì)的遷移方向沿管道軸線方向，熱管軸線方向上各段溫度均勻性差，溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力影響熱管壽命，同時(shí)由于重力熱管換熱器是單層管，一旦生產(chǎn)過程中煅燒轉(zhuǎn)窯尾氣的溫度波動(dòng)造成橫掠換熱面的尾氣溫度低于酸露點(diǎn)溫度，這種單層管的重力熱管容易遭受尾氣酸蝕、影響壽命，因此對尾氣溫度的穩(wěn)定性要求高，換熱器耐腐蝕性差。

圖1 傳統(tǒng)鈦白粉煅燒尾氣處理工藝

圖2 導(dǎo)熱油余熱利用技術(shù)

圖3 重力熱管技術(shù)

2 煅燒尾氣余熱利用新裝置

2.1 套管式熱管換熱器

針對鈦白粉煅燒尾氣余熱利用存在的問題，提出了一種新型熱管換熱裝置，即套管式熱管換熱技術(shù)。裝置采用蛇形管換熱器，蛇形管的直管段是由2根通徑不同的管道套裝在一起，組成換熱器的若干套管段（圖4），直套管段軸向截面見圖5。套管段端部密封，內(nèi)外套管之間充注一定質(zhì)量的相變介質(zhì)，彼此分離。各個(gè)直管套管依靠內(nèi)管引出的彎頭通過法蘭連接在一起。采用法蘭連接的優(yōu)點(diǎn)在于一段套管腐蝕需要更換時(shí)，可以只更換一段套管，無需更換整個(gè)換熱器，維護(hù)靈活方便。鈦白粉轉(zhuǎn)窯煅燒尾氣垂直橫掠熱管換熱器的套管段，與尾氣換熱僅存在套管段，換熱器的彎頭是單層管，不耐腐蝕，而且彎頭段不承擔(dān)換熱任務(wù)。在彎頭、法蘭外側(cè)包裝保溫材料，防止熱量的散失，也保護(hù)單層管的彎頭不受尾氣腐蝕。在安裝換熱器時(shí)，彎頭部分需要嵌入爐墻內(nèi)，并填塞保溫材料，隔絕腐蝕性的尾氣對單層管彎頭的腐蝕。為了強(qiáng)化尾氣與套管的換熱，在套管的外壁焊接波紋狀翅片。從圖5可以看出，與尾氣進(jìn)行換熱的套管段屬于雙層管，只有外管被腐蝕漏液、完全脫落后，尾氣才開始與內(nèi)管接觸，內(nèi)管才開始被腐蝕，因此這種換熱器壽命比單層管的重力熱管要長。由于加裝波紋狀翅片，換熱效率更高。從圖5還可以看出，相變介質(zhì)的質(zhì)量遷移方向沿套管的徑向，在套管軸向上溫度更均勻，各套管依靠法蘭連接使這種換熱器更容易維護(hù)、局部更換。

圖4 熱管換熱器套管段

圖5 熱管換熱器直套管段的軸向截面

2.2 套管式熱管換熱器的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及使用壽命

套管式換熱器應(yīng)用在3.6 m（直徑）×58 m（長度）煅燒窯的3.24×109Nm3/a的尾氣余熱利用上，尾氣進(jìn)入換熱器裝置前溫度為300℃左右，離開換熱器的溫度為210℃，尾氣成分見表1，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益見表2。換熱器投入運(yùn)行16個(gè)月，運(yùn)行良好，每年生產(chǎn)工藝急需的蒸汽1.12萬t，為企業(yè)節(jié)約成本168萬元。對比單層管的重力熱管換熱器，徑向換熱的套管式熱管換熱器換熱效率提高30%以上，在控制相同的鈦白粉煅燒尾氣進(jìn)入換熱器溫度和離開換熱器溫度的條件下，套管式換熱器的體積縮小近1/3，同時(shí)由于是雙層套管，其壽命大約是單層管熱管換熱器的1.5倍。

表1 鈦白粉煅燒轉(zhuǎn)窯尾氣成分 %

表2 套管式換熱器熱管經(jīng)濟(jì)效益

3 結(jié)語

鈦白粉煅燒轉(zhuǎn)窯尾氣的高濕、高硫、高酸露點(diǎn)的特性使得轉(zhuǎn)窯尾氣的余熱一直沒有得到有效利用。本文在總結(jié)已有尾氣余熱利用方式存在問題的基礎(chǔ)上，提出了一種長壽命、易維護(hù)套管式熱管余熱利用裝置。該裝置由彼此分離的換熱套管通過彎頭、法蘭連接成為整體，尾氣垂直橫掠雙層的套管段，與高硫、高濕的尾氣通過相變介質(zhì)的相變完成熱量由尾氣向取熱介質(zhì)的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生鈦白粉生產(chǎn)工藝所急需的蒸汽。雙層管的相變換熱套管對比單層管的重力熱管換熱器，壽命明顯延長。連接換熱套管的單層管彎頭不與高濕、高硫尾氣進(jìn)行換熱，大大減輕了尾氣對單層管的腐蝕。換熱器應(yīng)用在一臺3.6 m×58 m的鈦白粉煅燒窯上，壽命比單層重力熱掛換熱器明顯延長，每年可以產(chǎn)生0.9 MPa的水蒸氣1.12萬t，給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。