旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥系統(tǒng)在氯化法鈦白粉生產(chǎn)中的應(yīng)用與尾氣余熱的節(jié)能再利用

陶春雷，吳 瓊，張 亮，陳美娜

（1.中信鈦業(yè)股份有限公司，遼寧錦州 121000；2.中信錦州金屬股份有限公司，遼寧錦州 121000）

1 閃蒸干燥系統(tǒng)在氯化法鈦白粉生產(chǎn)中的應(yīng)用

1.1 旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥器的特點

旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥器相比于傳統(tǒng)的噴霧干燥具有以下特點：能處理不可泵送產(chǎn)品；干燥與產(chǎn)品處理結(jié)合進行；連續(xù)運轉(zhuǎn)；最小的空間需求；熱傳遞與物料輸送效率高；熱量損失微??；方便維護；提高了對物料性質(zhì)變化的適應(yīng)性；提高了裝載容量；能夠進行高溫干燥；能干燥高熱敏產(chǎn)品。

1.2 系統(tǒng)簡介

圖1 旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥器的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Figure 1 Schematic diagram of the system structure of the rotary flash dryer

旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥器的系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

系統(tǒng)A：進料系統(tǒng)，原料來自于進料罐。進料罐配備有旋轉(zhuǎn)攪拌器，可確保以穩(wěn)定的進料速度將物料送至干燥室內(nèi)。進料罐底部裝備有一臺單螺桿螺旋定量加料器，用于將物料送到干燥室內(nèi)。螺旋加料器由變頻器控制的減速電機驅(qū)動，加料速度由干燥室出口的溫度來控制。

系統(tǒng)B：進風(fēng)系統(tǒng)。

系統(tǒng)C：加熱系統(tǒng)。進口工藝氣體在燃氣加熱器中被加熱至650 ℃，加熱器出口氣體的溫度由溫度儀表控制。

系統(tǒng)D：旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥器，它由干燥室、空氣分布器和粉碎器三部分組成。

系統(tǒng)E： 袋濾器及排風(fēng)系統(tǒng)。干燥的產(chǎn)品在袋濾器中從廢氣中分離出來。首先含粉氣體通過進風(fēng)口進入粉塵室，產(chǎn)品被阻隔在過濾袋外表面，干凈的尾氣穿過過濾袋進入過濾袋內(nèi)部，并從出口排出。運行過程中袋濾器通過間歇的壓縮空氣脈沖進行清潔，空氣脈沖來自于過濾袋上部管道上的噴嘴，這些噴嘴在遍布整個過濾袋的開孔上產(chǎn)生壓力波。這個沖擊波使產(chǎn)品脫離布袋進入卸料室，然后通過振動下料器和出口處的旋轉(zhuǎn)閥離開袋濾器。清潔過濾袋的壓縮空氣由一個時間控制器來進行控制。

1.3 干燥工藝簡介

含水50%的濾餅經(jīng)螺旋加料器進入進料罐，再由螺旋輸送到閃蒸干燥塔內(nèi)，在閃蒸干燥塔內(nèi)，濾餅被粉碎葉片打碎成碎塊，由底部進來的熱風(fēng)干燥，在一定的時間內(nèi)，半干的物料不斷被干燥，同時和葉片碰撞，粒徑不斷變小。當粒徑和水分含量達到所需數(shù)值后，粉末混合蒸汽從干燥塔頂部隨氣流逸出，并進入袋濾器被收集，形成產(chǎn)品。該產(chǎn)品的主要性能參數(shù)包括粒度、水分含量和產(chǎn)能。

產(chǎn)品粒度：該系統(tǒng)的產(chǎn)品粒度首先取決于原料的粒度，這是由于該閃蒸系統(tǒng)采用高速旋轉(zhuǎn)的葉片進行機械破碎，該機械破碎的程度相當于打散，即將團聚在一起的物料不斷地打散，在干燥過程中去掉水分，形成細小的顆粒，由于并沒有研磨的作用，所以最后的產(chǎn)品粒度不會小于物料顆粒的大小。其次，產(chǎn)品的粒度取決于葉片的外形設(shè)計和轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越快，粉碎效果越好。原料濾餅的粒度范圍在0.2～1 μm之間，相應(yīng)的最終產(chǎn)品的粒度也在此范圍內(nèi)。

產(chǎn)品的水分含量：產(chǎn)品的水分含量取決于兩點：一是物料在干燥塔中的停留時間，另一個就是干燥塔出口的溫度。物料在干燥塔中的停留時間越長，水分蒸發(fā)就越多，產(chǎn)品的干燥程度就越高；干燥塔出口的溫度越高，工藝風(fēng)所能容納飽和水蒸汽的能力就越大，從而導(dǎo)致物料水分含量的不同。

系統(tǒng)產(chǎn)能：系統(tǒng)產(chǎn)能首先取決于設(shè)備設(shè)計時的水蒸發(fā)量，對于該套系統(tǒng)而言，水蒸發(fā)量基本已限定，在生產(chǎn)中，產(chǎn)能的影響因素有兩點：一是進風(fēng)溫度，進風(fēng)溫度越高，所能提供的熱量越多，從而水蒸發(fā)量越大，單位時間內(nèi)的進料量和產(chǎn)量就會越多，即系統(tǒng)的產(chǎn)能越大；另外產(chǎn)能還取決于原料濾餅的水分含量，原料濾餅的水分含量越高，在額定的水分蒸發(fā)量下，產(chǎn)能就越低。

根據(jù)以上工藝原理，該工藝的主要控制點在于干燥塔出口的溫度和進料速度的聯(lián)鎖，一般維持干燥塔出口的溫度為一設(shè)定值，當干燥塔的出口溫度較高時，聯(lián)鎖就會提高進料螺旋器的轉(zhuǎn)速，增加進料量，這樣進入到干燥塔內(nèi)部的物料增多，水分量增大，水蒸發(fā)量增大，從而吸收多余熱量，降低出風(fēng)溫度。當干燥塔的出口溫度低于設(shè)定值時，進料螺旋器相應(yīng)的速度降低，減少進料量，進入到干燥塔中的物料量減少，水分蒸發(fā)量減少，出風(fēng)溫度相應(yīng)提高。在該動態(tài)平衡中，產(chǎn)品可以保持穩(wěn)定的水分含量，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。

1.4 特殊設(shè)計

1.4.1 設(shè)備材料的選用

由于氯化法鈦白粉的原料具有較強的腐蝕性，以及干燥過程中溫度較高，所以設(shè)備的選材很關(guān)鍵。

針對強腐蝕性的原料，進料系統(tǒng)全部采用抗腐蝕的316L 不銹鋼，可以有效防止設(shè)備的腐蝕。干燥塔中高速旋轉(zhuǎn)的葉片，和硬粉料接觸碰撞，磨蝕也很厲害，針對此優(yōu)選了抗磨蝕性良好的雙相鋼作為核心動部件的材料，有效減少了磨蝕，提高了設(shè)備的使用壽命。針對650 ℃高溫接觸部件，采用了Avesta 253 高溫合金。

1.4.2 設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計

閃蒸干燥設(shè)備的設(shè)計，不同的廠家各不相同，針對于干燥塔內(nèi)部，由于熱風(fēng)是自下向上吹，物料從上向下進入，如果設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計有問題，會導(dǎo)致物料墜落入空氣分布器中，造成工藝風(fēng)的堵塞。本研究選用的閃蒸干燥系統(tǒng)采用倒錐型設(shè)計，配合一定的角度，可以有效防止物料落入空氣分布器中，減少生產(chǎn)過程中的故障和維護。

2 閃蒸干燥系統(tǒng)尾氣余熱的節(jié)能再利用

2.1 設(shè)計指導(dǎo)思想

后處理工序閃蒸干燥裝置利用天然氣燃燒加熱冷空氣，加熱后的熱空氣完成物料干燥工藝過程的同時產(chǎn)生155 ℃的低溫尾氣排空，這部分低溫尾氣排放后產(chǎn)生余熱浪費。為了回收低溫余熱，降低天然氣的能源消耗，實現(xiàn)降本增效的目的，本設(shè)計采用新技術(shù)、新裝備回收利用干燥低溫尾氣余熱。這部分符合國家排放要求的低溫尾氣，如果采用常規(guī)換熱器很難回收其余熱，常規(guī)換熱器的換熱效率非常低，不能夠形成經(jīng)濟規(guī)模。

高效真空相變能量回收換熱裝置采用國外新技術(shù)，可最大限度地回收低溫尾氣余熱資源，提高能源的綜合利用率，節(jié)省天然氣消耗。本研究利用該技術(shù)回收閃蒸干燥低溫尾氣余熱，將閃蒸干燥裝置進口空氣提前加熱，從而節(jié)省天然氣消耗，降低生產(chǎn)成本。

2.2 工藝設(shè)計思想

約17 000 Nm3/h 外界常溫空氣經(jīng)過濾器過濾后進入鼓風(fēng)機，鼓風(fēng)機將新風(fēng)送入熱風(fēng)加熱爐，混風(fēng)加熱至滿足閃蒸干燥工藝的溫度。加熱后的熱風(fēng)在干燥塔里干燥鈦白粉（干燥蒸發(fā)量為2.5 t/h）。從引風(fēng)機排出的約150 ℃的尾氣未經(jīng)任何回收直接排入大氣。干燥塔中的壓力由鼓風(fēng)機、引風(fēng)機共同控制，維持在微負壓狀態(tài)。

低溫尾氣余熱回收的核心思想是：利用150 ℃的排空尾氣預(yù)熱新風(fēng)，把從外界吸入的常溫空氣加熱至88 ℃，節(jié)省天然氣的消耗量。

2.3 工況參數(shù)設(shè)計

后處理廠房內(nèi)平均氣溫為9 ℃，極限最高溫度為42 ℃，極限最低溫度為-23 ℃。因此本方案入口空氣溫度按9 ℃進行設(shè)計，并按-23 ℃/42 ℃進行校核。余熱回收裝置工況設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 余熱回收裝置工況設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of waste heat recovery equipment

后處理閃蒸干燥裝置，引風(fēng)機：額定流量41 926 m3/h；全壓9 375 Pa；工作溫度80 ℃；主軸轉(zhuǎn)速1 450 r/min；電機型號Y315L-4；電機滿負荷頻率60 Hz；皮帶輪傳動比2∶1；電機轉(zhuǎn)速2 900 r/min。引風(fēng)機運行狀況：風(fēng)門開度95%；電機頻率50 Hz。尾氣流量：34 483 m3/h（工況150 ℃）。干燥蒸發(fā)量為2.5 t 水，水蒸氣體積流量≈3 200 Nm3/h。鼓風(fēng)機新風(fēng)工況流量：17 000 Nm3/h，新風(fēng)流量受燃燒器、熱風(fēng)爐效率、空氣過剩系數(shù)等因素影響。

2.4 低溫余熱回收裝置設(shè)計

低溫余熱回收裝置為一體式，150 ℃尾氣進入余熱回收裝置后，釋放的熱量被傳遞給新風(fēng)側(cè)，加熱新風(fēng)至88 ℃。熱端處在引風(fēng)機前的管道內(nèi)，冷端露出在管道外；尾氣經(jīng)過熱端后，降溫釋放熱量，釋放的熱量經(jīng)過余熱回收器傳遞給冷端新風(fēng)；需增設(shè)新風(fēng)管道，將預(yù)熱后的新風(fēng)引至鼓風(fēng)機入口處，完成熱量傳遞。

換熱元件以304 不銹鋼和鋁材為主要材質(zhì)，從而可以防止尾氣凝結(jié)時，在受熱面生銹，影響鈦白粉的質(zhì)量；另一方面，也便于積灰時用熱水進行沖洗。

換熱元件前三排采用三角形光管防磨區(qū)域；后面的換熱管束采用翅片的形式，內(nèi)部每隔幾排布置有管道沖洗系統(tǒng)，管道上鉆有小孔，外接熱水，可以在不拆外殼，在系統(tǒng)還在運行時對能量回收器進行清洗。能量回收器下面布置有接水盤，可將冷凝水及沖洗水收集起來并用管道泵引出。

另外設(shè)計可拆卸結(jié)構(gòu)及檢修門。檢修的時候，可以直接拆裝外殼，用水或者壓縮氣體沖刷死角的積灰。

余熱回收裝置迎面寬×迎面高×厚度=2.7 m×2.5 m×1.4 m。

2.5 節(jié)省天燃氣消耗計算

節(jié)省天燃氣消耗計算見表2。

表2 節(jié)省天燃氣消耗計算值Table 2 The calculation value of saving natural gas consumption

2.6 經(jīng)濟效益分析

經(jīng)濟效益分析見表3。

表3 經(jīng)濟效益分析Table 3 Economic benefit analysis

3 閃蒸系統(tǒng)運行中可能出現(xiàn)的問題和解決方案

（1） 霧化不充分，有物料掉入空氣分布器中。

可能有兩個原因：一是啟動階段進料速度過快，導(dǎo)致低溫段物料干燥不充分，從而使物料掉入空氣分布器中。另一個是粉碎葉片轉(zhuǎn)速過低。

應(yīng)對方案：啟動階段進料速度要保持低速，粉碎葉片的轉(zhuǎn)速要嚴格按照工藝要求執(zhí)行。

（2） 進料螺旋刮壁。

可能的原因：螺旋安裝時水平度和同心度沒有做好，或者運行中有硬物夾雜在物料中。

應(yīng)對方案：安裝時需要先調(diào)整水平度，然后調(diào)整法蘭保持同心度。如果有硬物，停機把進料罐中的物料清理出來去除異物。

（3） 粉碎軸的軸承溫度過高。

可能的原因：潤滑不夠。軸承由于接觸高溫部分，并且轉(zhuǎn)速高，潤滑脂揮發(fā)快?；蛘呤鞘褂昧隋e誤牌號的潤滑脂。

應(yīng)對方案：每周添加一次指定牌號的高溫潤滑脂。（4） 產(chǎn)品過于干燥或水分過大。

可能的原因：干燥塔出口溫度設(shè)定過高或過低。應(yīng)對方案：調(diào)整干燥塔出口溫度的設(shè)定值。

（5） 袋濾器壓差過大。

可能的原因：過濾袋堵塞。

應(yīng)對方案：更換過濾袋，或者調(diào)整噴吹壓力和頻次。

4 結(jié)語

作為30 000 t/a 氯化法鈦白粉項目原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品過程中的重要環(huán)節(jié)，閃蒸干燥系統(tǒng)設(shè)備的性能、穩(wěn)定性、可持續(xù)性和可操作性很關(guān)鍵。對于無法泵送的原料，閃蒸干燥技術(shù)無疑是一種非常適用的技術(shù)，減少了原料稀釋環(huán)節(jié)，從經(jīng)濟效益上來說減少了能量的消耗，而且設(shè)備的外形尺寸小，可操作性好。同時利用尾氣余熱回收裝置進行余熱再利用，降低了天然氣的能源消耗，實現(xiàn)降本增效的目的，真正實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的理念。