鈦液機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)夏季運(yùn)行特性研究

尹海蛟，夏君君，，全曉宇，彭 濤，唐 昊

（1.天津樂科節(jié)能科技有限公司，天津300384；2.江蘇樂科節(jié)能科技股份有限公司）

工業(yè)結(jié)晶方法包括冷卻結(jié)晶、蒸發(fā)結(jié)晶及真空冷卻結(jié)晶等［1］。目前，鈦白粉領(lǐng)域的硫酸亞鐵結(jié)晶多采用熱力壓縮式真空冷卻結(jié)晶法（即多級蒸汽噴射法），鈦液結(jié)晶時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的真空度最高達(dá)－99 kPa，此高真空條件下蒸汽噴射泵的引射系數(shù)較低，降溫過程所需生蒸汽及配套冷卻水耗量較大［2－5］。尤其是在夏季等高溫氣候條件時(shí)，傳統(tǒng)鈦液蒸汽噴射降溫結(jié)晶法常存在蒸汽耗量激增、降溫時(shí)間增長、甚至不能實(shí)現(xiàn)有效降溫等情況，嚴(yán)重影響了鈦白粉企業(yè)的正常生產(chǎn)［6］。 本文提出了一種機(jī)械閃蒸鈦液真空降溫結(jié)晶方法，對其夏季運(yùn)行特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，旨在為該技術(shù)在極端高溫氣候條件及高濕球溫度地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 鈦液機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)原理與特點(diǎn)

機(jī)械閃蒸真空降溫結(jié)晶技術(shù)是筆者公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)能新技術(shù)［7］，其系統(tǒng)原理如圖1 所示。與傳統(tǒng)蒸汽噴射系統(tǒng)相比，本技術(shù)采用大流量容積式壓縮機(jī)作為系統(tǒng)的真空閃蒸部件， 通過機(jī)械壓縮方式對閃發(fā)蒸汽進(jìn)行增壓增溫， 之后通過低壓阻冷凝器將蒸汽冷凝， 溶液降溫放熱及溶質(zhì)結(jié)晶放熱由溶劑閃蒸吸熱所平衡， 壓縮機(jī)前置氣液分離裝置用于去除二次蒸汽夾帶的各類腐蝕性溶劑及易結(jié)垢組分，真空泵用于抽出系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體。

與傳統(tǒng)鈦液降溫結(jié)晶方法相比， 機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)以電力為驅(qū)動能源， 因此無蒸汽供應(yīng)及使用燃煤鍋爐導(dǎo)致的環(huán)保問題困擾； 系統(tǒng)冷卻負(fù)荷僅為閃蒸蒸汽的冷凝放熱及壓縮機(jī)耗功轉(zhuǎn)變的熱量，系統(tǒng)冷卻負(fù)荷及循環(huán)水耗量?。淮送?，系統(tǒng)采用間壁式冷凝器，無冷卻水的二次污染問題；系統(tǒng)可通過壓縮機(jī)頻率調(diào)節(jié)對鈦液降溫速率進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

圖1 機(jī)械閃蒸式鈦液降溫結(jié)晶系統(tǒng)原理圖

2 機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)夏季工況性能實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)在河南某大型鈦白粉企業(yè)的鈦液降溫結(jié)晶項(xiàng)目中進(jìn)行，該項(xiàng)目已采用機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)對其原系統(tǒng)進(jìn)行改造升級。 改造前后的系統(tǒng)設(shè)備情況如表1 所示。 實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2018 年7 月份，環(huán)境干球溫度為30 ℃左右，為模擬夏季極端氣候條件，通過蒸汽將冷卻水加溫至（34±1）℃。鈦液單釜進(jìn)料量約為36 m3，料液TiO2含量約為125 g/L，單釜鈦白粉產(chǎn)量約為4.2 t/釜。 進(jìn)料溫度為56～60 ℃，排料溫度為18 ℃。根據(jù)GB 32051—2015《鈦白粉單位產(chǎn)品能源消耗限額》， 電力折標(biāo)煤系數(shù)取0.122 9 kgce/（kW·h），蒸汽（低壓）折標(biāo)煤系數(shù)取0.128 6 kgce/kg。 實(shí)驗(yàn)測試機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的降溫速率、 降溫特性、系統(tǒng)能耗等關(guān)鍵指標(biāo)。

表1 項(xiàng)目改造前后主要設(shè)備對比

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)降溫特性

在冷卻循環(huán)水溫度為（34±1）℃的實(shí)驗(yàn)工況下，對機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)及原有蒸噴閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的降溫特性進(jìn)行對比測試， 結(jié)果如圖2 所示，機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先開啟真空泵對料液進(jìn)行閃蒸降溫，待料液溫度降至約48 ℃時(shí)（用時(shí)10 min），開啟系統(tǒng)壓縮機(jī)，單釜鈦液降溫壓縮機(jī)的開機(jī)時(shí)長為93 min。硫酸亞鐵在32 ℃左右大量析出，此時(shí)系統(tǒng)熱負(fù)荷主要為硫酸亞鐵的結(jié)晶放熱，鈦液溫度基本維持不變，此過程持續(xù)時(shí)間約為8～10 min。 鈦液由初始56 ℃降溫至18 ℃，蒸噴閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)總用時(shí)約136 min，機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)總用時(shí)約103 min，時(shí)間較前者縮短24.2%。

圖2 機(jī)械閃蒸及蒸噴閃蒸系統(tǒng)的鈦液降溫曲線

3.2 系統(tǒng)降溫速率特性

圖3 機(jī)械閃蒸及蒸噴閃蒸系統(tǒng)的鈦液降溫速率

圖3 為機(jī)械閃蒸系統(tǒng)與蒸噴閃蒸系統(tǒng)的降溫速率對比。由圖3 可見，系統(tǒng)降溫初始階段，隨著結(jié)晶釜內(nèi)不凝氣的減少， 鈦液降溫速率由初始的0.6 ℃/min逐漸增高至0.8 ℃/min，之后受硫酸亞鐵結(jié)晶放熱影響，鈦液降溫速率迅速降低至0.05 ℃/min。隨著結(jié)晶熱釋放，鈦液降溫速率逐漸增加。 鈦液溫度在32 ℃（析晶）至18 ℃（排料）的區(qū)間內(nèi)，機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的降溫速率（0.18～0.3 ℃/min）整體高于蒸噴閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的降溫速率（0.08～0.21 ℃/min）。 傳統(tǒng)蒸噴閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)冷凝器為接觸噴淋式冷凝器，隨著鈦液溫度的降低及系統(tǒng)真空度的增加，噴淋冷卻水所溶解的各類不凝性氣體大量自水體溢出，不凝氣體在冷凝器內(nèi)聚集，將嚴(yán)重影響噴射泵的乏汽冷凝，導(dǎo)致系統(tǒng)降溫速率嚴(yán)重衰減。機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)采用間壁式冷凝器， 系統(tǒng)運(yùn)行無上述問題影響，其在低溫高真空區(qū)段仍具有相對較高的降溫速率。

3.3 系統(tǒng)能耗特性

機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)壓縮機(jī)的運(yùn)行功率如圖4 所示。 整個(gè)降溫周期內(nèi)壓縮機(jī)的最大功率為232 kW，平均功率為208 kW。 單釜鈦液降溫結(jié)晶壓縮機(jī)的耗電為322.4 kW·h（93 min），系統(tǒng)配套設(shè)備耗電為206.8 kW·h（120.5 kW，103 min），即機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)單釜生產(chǎn)的總耗功為529.2 kW·h，電價(jià)按0.75 元/（kW·h）計(jì)，則其單位鈦白粉產(chǎn)能耗費(fèi)為94.5 元/t，能耗折標(biāo)煤15.5 kgce（以1 t 鈦白粉計(jì)）。原蒸噴系統(tǒng)的全年平均耗汽量為1.5 t（以1 t 鈦白粉計(jì)），系統(tǒng)配套設(shè)備耗電功率為165.5 kW（136 min），蒸汽價(jià)格按150 元/t 計(jì)， 則蒸噴系統(tǒng)的單位鈦白產(chǎn)能耗費(fèi)為292.0 元/t，能耗折標(biāo)煤203.9 kgce（以1 t鈦白粉計(jì)）。 較蒸噴降溫結(jié)晶系統(tǒng)，機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的單位產(chǎn)品耗費(fèi)降低約67.6%， 單位鈦白粉標(biāo)煤能耗降低92.4%，經(jīng)濟(jì)與社會效益十分顯著。

圖4 降溫結(jié)晶過程的壓縮機(jī)功率曲線

3.4 系統(tǒng)連續(xù)化生產(chǎn)能力

圖5 機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)多批次連續(xù)運(yùn)行情況

圖5 為機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)24 h 連續(xù)化生產(chǎn)運(yùn)行情況，圖中曲線為鈦液溫度。機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)24 h 可完成約9.5 釜的鈦液降溫結(jié)晶，每釜鈦白粉產(chǎn)量為4.2 t，則夏季工況下單套機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)全天可完成約40 t 鈦液的降溫結(jié)晶作業(yè)。 在冬季及過渡季，系統(tǒng)冷卻水溫降低，機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的降溫性能及能耗指標(biāo)均可得以改善， 機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的全年單套鈦白粉產(chǎn)能理論可達(dá)1.1 萬t/a 以上。

3.5 系統(tǒng)環(huán)保特性

機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)的環(huán)保特性主要體現(xiàn)在能源利用形式及減少二次污水兩個(gè)方面。 機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)以電力作為系統(tǒng)驅(qū)動能源， 從而保證了生產(chǎn)免受蒸汽供應(yīng)及燃煤蒸汽鍋爐使用等因素制約；系統(tǒng)采用間壁式冷凝換熱器，可有效避免因冷卻水污染導(dǎo)致的冷卻塔填料床層的腐蝕與堵塞問題；機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的凝液僅為閃發(fā)二次蒸汽的冷凝液， 較傳統(tǒng)蒸噴降溫結(jié)晶系統(tǒng)可減少凝液污水近20 000 m3/a，技術(shù)具有較好的環(huán)保特性。

4 結(jié)論

GB 32051—2015《鈦白粉單位產(chǎn)品能源消耗限額》對鈦白粉生產(chǎn)的標(biāo)煤能耗提出了明確的指標(biāo)要求，淘汰落后生產(chǎn)工藝，應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)是鈦白粉企業(yè)提升市場競爭力的主要途徑。 傳統(tǒng)鈦液蒸噴閃蒸降溫結(jié)晶工藝存在能耗高、效率低、污染大、夏季降溫困難等問題。在夏季工況條件下，機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)較傳統(tǒng)蒸噴降溫結(jié)晶技術(shù)可縮減鈦液降溫時(shí)間24.2%， 降低生產(chǎn)費(fèi)用67.6%， 減少標(biāo)煤消耗量92.4%，減少二次污水20 000 m3/a，技術(shù)具有顯著的節(jié)能與環(huán)保特性，其為鈦白粉行業(yè)的亞鐵結(jié)晶提供了一種綠色節(jié)能新途徑。 機(jī)械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)在鈦白粉為代表的無機(jī)鹽領(lǐng)域具有廣闊的市場應(yīng)用前景。