氯化尾氣處理蓄熱焚燒流程的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

楊振華 王明秋 劉寶龍 劉亞東 李得祥

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

鈦白粉是一種重要的無機(jī)化工顏料，主要成分為二氧化鈦，廣泛應(yīng)用于涂料、油墨、造紙、塑料橡膠、化纖及陶瓷等領(lǐng)域。 近幾年，氯化法制鈦白粉工藝因具有流程短、生產(chǎn)能力易擴(kuò)大、連續(xù)自動(dòng)化程度高及能耗相對(duì)低等優(yōu)點(diǎn)，在鈦白粉生產(chǎn)工藝中具有舉足輕重的地位。 但是，氯化法制鈦白粉工藝會(huì)產(chǎn)生大量的氯化尾氣， 具有燃爆、危害健康及污染環(huán)境等危險(xiǎn)，因此如何科學(xué)有效地處理氯化法制鈦白粉工藝產(chǎn)生的尾氣，使之滿足節(jié)能減排和綠色環(huán)保要求，是鈦白粉行業(yè)和廢氣治理行業(yè)的一大難題。

王國慶和劉方明對(duì)鈦金屬冶煉產(chǎn)生的以氯氣和氯化氫為主的工藝尾氣進(jìn)行了研究，指出采用水洗加氯化亞鐵三級(jí)淋洗的方法處理尾氣效果顯著［1］。 金芳榮等對(duì)四氯化鈦生產(chǎn)工藝中傳統(tǒng)尾氣處理裝置的不足進(jìn)行了完善和優(yōu)化，改變了傳統(tǒng)技術(shù)采用的三級(jí)淋洗塔吸收尾氣中氯化氫的裝置結(jié)構(gòu)，采用以吸收器和分離槽為核心的尾氣處理裝置［2］。 李俊峰等對(duì)氯化法鈦白生產(chǎn)“三廢”處理狀況及其不足進(jìn)行了分析，提出氯化尾氣中CO 含量較高，可通過焚燒來利用其熱量［3］。在眾多的氯化尾氣治理技術(shù)中，噴淋和吸附是較常采用的方式［4，5］，但噴淋和吸附方式只針對(duì)尾氣中的部分污染組分，而其余組分（如CO、微量有機(jī)物等）依然存在未經(jīng)處理便排放的問題。

蓄熱焚燒裝置是隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展而興起的一種新型環(huán)保節(jié)能設(shè)備，在利用熱力氧化方法對(duì)工業(yè)廢氣進(jìn)行處理的同時(shí)可回收尾氣中的熱量，具有熱回收效率高、技術(shù)成熟和操作費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)［6，7］。筆者在研究蓄熱焚燒技術(shù)的基礎(chǔ)上［8，9］，基于蓄熱焚燒裝置，圍繞尾氣中的可氧化組分設(shè)計(jì)了容量為9 600Nm3/h 的氯化尾氣處理流程，為鈦白粉行業(yè)利用焚燒技術(shù)治理氯化廢氣提供依據(jù)，并為其推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的氯化尾氣治理方案需保證尾氣達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)保證工藝流程操作的安全性。 流程設(shè)計(jì)的依據(jù)為：對(duì)原生產(chǎn)裝置的影響最少；符合環(huán)境保護(hù)的長遠(yuǎn)要求，避免尾氣處理副產(chǎn)物的二次污染；節(jié)約能源，降低尾氣處理系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

1.1 氯化尾氣特性

氯化尾氣具有流量大、 含塵及腐蝕性等特點(diǎn)，有害組分主要為TiCl4、SiCl4、Cl2、CO、HCl 和顆粒物。 尾氣中的TiCl4、SiCl4可與水反應(yīng)；HCl、Cl2等酸性氣體可與堿反應(yīng)；CO 熱值高、易燃，實(shí)測濃度高達(dá)31.00%（表1）。

1.2 尾氣處理流程

根據(jù)氯化尾氣特性，采用“噴淋+蓄熱焚燒”的方式對(duì)尾氣進(jìn)行治理。 整套流程操作彈性按20%～110%設(shè)計(jì)， 年操作時(shí)間按8 000h 設(shè)計(jì)，使用壽命按20 年設(shè)計(jì)，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期按1 年設(shè)計(jì)。氯化尾氣處理流程如圖1 所示，主要包括預(yù)處理裝置（噴淋裝置系統(tǒng)）、蓄熱焚燒裝置和余熱利用裝置。 氯化尾氣通入預(yù)處理裝置除去尾氣中的粉塵和酸性組分， 然后通入蓄熱焚燒裝置對(duì)CO 進(jìn)行氧化的同時(shí)回收其熱量， 最后使尾氣達(dá)標(biāo)排放。

圖1 氯化尾氣處理流程簡圖

1.2.1 噴淋裝置系統(tǒng)

噴淋裝置系統(tǒng)（圖2）主要由除塵器、堿噴淋塔、水噴淋塔及氣液分離器等組成。

堿噴淋塔和水噴淋塔的主要作用是除去氯化尾氣中的TiCl4、SiCl4、Cl2、HCl 和SO2，反應(yīng)方程式如下：

圖2 噴淋裝置系統(tǒng)示意圖

根據(jù)反應(yīng)條件， 噴淋裝置的設(shè)計(jì)溫度為20℃。 針對(duì)氯化尾氣特性，噴淋裝置選用耐酸堿、耐腐蝕、耐高溫且阻燃的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

如圖2 所示，噴淋裝置工作時(shí)，氯化尾氣在塔內(nèi)自下而上流動(dòng)，噴淋液自上而下流動(dòng)，氯化尾氣與噴淋液直接接觸，吸收和除去尾氣中的酸性和可溶組分。噴淋塔由PLC 控制加藥來自動(dòng)調(diào)節(jié)pH 值；利用水位計(jì)控制塔內(nèi)液位高低。在噴淋塔底部設(shè)分離槽， 防止TiCl4、SiCl4與水反應(yīng)生成的H2SiO3、H2TiO3溶膠堵塞管道、閥門及填料等。

1.2.2 蓄熱焚燒裝置

蓄熱焚燒裝置的基本原理是在高溫或點(diǎn)燃條件下， 可燃物與O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2和H2O，化學(xué)方程式為：

蓄熱焚燒裝置的本體結(jié)構(gòu)主要包括燃燒室、蓄熱室和集氣室，其他部件包括燃燒系統(tǒng)、換向閥等，目前最常用的三室蓄熱焚燒裝置如圖3 所示。 尾氣通過集氣室均勻地進(jìn)入蓄熱室，吸收蓄熱體中的熱量升溫后在燃燒室內(nèi)高溫氧化，然后經(jīng)由另一蓄熱室放熱降溫后排至煙囪。 通過自控程序切換換向閥，使得尾氣在各個(gè)陶瓷床之間來回切換以完成尾氣的氧化過程，達(dá)到廢氣連續(xù)凈化的目的。

圖3 三室蓄熱焚燒裝置簡圖

為保證設(shè)備安全運(yùn)行的同時(shí)使得廢氣中的可燃組分充分燃燒，需對(duì)蓄熱焚燒裝置進(jìn)行熱量衡算。 根據(jù)一氧化碳爆炸極限和燃燒需氧量計(jì)算得到本裝置需補(bǔ)充空氣量至少85 632Nm3/h，處理能力可達(dá)95 232Nm3/h 以上。 其他設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)處理量 100 000Nm3/h

進(jìn)氣溫度 20℃

凈化率 不低于96%

設(shè)計(jì)熱效率 不低于95%

陶瓷床換熱出口溫度 75℃

燃燒室溫度 950℃

停留時(shí)間 1.2s

1.2.3 余熱利用系統(tǒng)

根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)際需求，余熱利用系統(tǒng)選取余熱鍋爐對(duì)氯化尾氣中CO 燃燒產(chǎn)生的富裕熱量進(jìn)行回收。 余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

鍋爐煙氣量 3 000Nm3/h

煙氣入口溫度 950℃

煙氣出口溫度 180℃

鍋爐給水溫度 104℃

額定蒸汽壓力 0.8MPa

額定蒸發(fā)量 13t/h

余熱鍋爐系統(tǒng)采用單鍋筒縱置式結(jié)構(gòu)，主要由蒸發(fā)器、汽包和省煤器組成。 氯化尾氣經(jīng)過蓄熱焚燒高溫氧化后產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓ㄟ^熱旁通管路依次經(jīng)過蒸發(fā)器、省煤器，最后由煙囪排入大氣，如圖4 所示。 經(jīng)過軟化和除氧的鍋爐水，由給水泵送入省煤器，在省煤器中加熱后進(jìn)入蒸發(fā)器，并在蒸發(fā)器中自然循環(huán)蒸發(fā)，產(chǎn)生的汽水混合物通過汽包內(nèi)部裝置的汽水分離作用，使其中的蒸汽分離出來，產(chǎn)生飽和蒸汽。 飽和蒸汽經(jīng)主汽閥引出，送至用汽場所。

2 系統(tǒng)安全防護(hù)

為了防止氯化尾氣焚燒流程發(fā)生安全事故，本流程設(shè)計(jì)了系統(tǒng)安全防護(hù)，所有安全防護(hù)措施均編入系統(tǒng)自控程序， 主要包括管道安全防護(hù)、燃燒系統(tǒng)安全防護(hù)和蓄熱焚燒系統(tǒng)安全防護(hù)。

2.1 管道

氯化尾氣和蓄熱焚燒裝置運(yùn)行時(shí)所需的燃料均具有易燃、易爆和毒性的特點(diǎn)，如果這些物質(zhì)在管道輸送過程中出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致有害物料流出，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，嚴(yán)重情況下還有可能導(dǎo)致設(shè)施損毀、人員傷亡等。 因此，在管道設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮管道的規(guī)格、材料及應(yīng)力等可能造成管道泄漏的因素，特別是管道、管件、閥門連接處的法蘭及墊片等極易出現(xiàn)危險(xiǎn)物品泄漏的部位。

圖4 余熱鍋爐系統(tǒng)示意圖

此外，在管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的物料合理選擇管道的走向，避免水錘、超壓及柱塞流等危害管道安全的情況發(fā)生。系統(tǒng)管道每隔10m 設(shè)置爆破片或者軟連結(jié)，同時(shí)在進(jìn)、排氣管路設(shè)置最低排凝點(diǎn)，防止冷凝液的聚集。

2.2 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)中增設(shè)的安全防護(hù)措施包括：

a. 增設(shè)測壓裝置，設(shè)置低壓報(bào)警聯(lián)鎖，當(dāng)燃料管路壓力低于設(shè)定值時(shí)， 系統(tǒng)啟動(dòng)停車程序，確保系統(tǒng)安全；

b. 增設(shè)火焰探測儀對(duì)燃燒火焰進(jìn)行監(jiān)測，保證燃燒器的安全；

c. 使用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)；

d. 燃燒系統(tǒng)進(jìn)口燃料總管采用手動(dòng)閥門切斷，設(shè)流量測點(diǎn)和壓力測點(diǎn)，信號(hào)上傳至自控系統(tǒng)；

e. 設(shè)置防回火措施和應(yīng)急措施；

f. 設(shè)置閥門檢漏， 防止燃料逸散在周圍環(huán)境中，造成環(huán)境污染和引發(fā)爆燃事故；

g. 具有點(diǎn)火前的預(yù)吹掃、高壓點(diǎn)火、熄火保護(hù)、超溫報(bào)警及超溫切斷燃料供給等自動(dòng)安全防護(hù)功能。

2.3 蓄熱焚燒裝置

由于氯化法制鈦白粉產(chǎn)生的尾氣具有不穩(wěn)定性，導(dǎo)致進(jìn)入處理系統(tǒng)的尾氣濃度和壓力大幅波動(dòng)，容易引發(fā)事故。 因此，在蓄熱焚燒裝置前端加入可燃?xì)怏w檢測儀，確保進(jìn)入蓄熱焚燒裝置的尾氣濃度不至于過高，當(dāng)尾氣濃度過高或系統(tǒng)處于非正常運(yùn)行時(shí)，氯化尾氣能夠從緊急旁路通過煙囪排入大氣。 在燃燒室和集氣室設(shè)有爆破閥，一旦裝置內(nèi)壓力過高，爆破閥上的膜片會(huì)自動(dòng)爆破，進(jìn)行泄壓保護(hù)工作。 將蓄熱焚燒裝置的所有濃度、溫度和壓力信號(hào)上傳至自控系統(tǒng)，并設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警參數(shù)，確?？梢酝ㄟ^報(bào)警信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

蓄熱焚燒裝置停機(jī)后對(duì)尾氣管路進(jìn)行有效隔斷，從而在每次裝置啟動(dòng)時(shí)能夠保證足夠的吹掃時(shí)間，防止易燃易爆的尾氣長時(shí)間積聚于裝置內(nèi)，導(dǎo)致再次點(diǎn)火發(fā)生爆炸事故。 設(shè)置應(yīng)急電源，當(dāng)系統(tǒng)停電時(shí)，自動(dòng)切換由應(yīng)急電源提供系統(tǒng)應(yīng)急用電，完成停車程序所需電源，確保裝置安全。

3 自控系統(tǒng)

圖5 蓄熱焚燒系統(tǒng)設(shè)備操作界面

氯化尾氣處理流程設(shè)有自控系統(tǒng)， 可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及系統(tǒng)運(yùn)行情況分析等功能。 蓄熱焚燒裝置及其輔助系統(tǒng)和單體設(shè)備的啟/停控制、正常運(yùn)行監(jiān)視和調(diào)整以及異常與事故工況的處理等均通過自控系統(tǒng)或現(xiàn)場工程師站來完成，任何就地操作手段只用于故障、設(shè)備檢修或就地巡檢人員發(fā)現(xiàn)事故時(shí)的緊急操作。

操作人員可以根據(jù)工藝的需要在設(shè)備操作界面（圖5）上進(jìn)行工藝運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置、監(jiān)控和修改，系統(tǒng)設(shè)備的順序啟停和狀態(tài)監(jiān)控，運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)檢測和儲(chǔ)存， 并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)整套氯化尾氣處理流程運(yùn)行的自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)管理。

系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)：輕度故障（不影響系統(tǒng)運(yùn)行）會(huì)有蜂鳴器報(bào)警；中度故障（影響系統(tǒng)運(yùn)行，不需立即停車）會(huì)有聲光報(bào)警器報(bào)警，此報(bào)警可以安裝在控制室外或指定地點(diǎn)； 重度故障時(shí)，系統(tǒng)立即停車，聲光報(bào)警器報(bào)警。

整套氯化尾氣處理流程內(nèi)所有的壓力、溫度及液位等測量點(diǎn)都可以設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警參數(shù)。 所有的報(bào)警信息都可以長期存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，供操作和維護(hù)人員分析、研判整個(gè)流程的運(yùn)行狀態(tài)，通過調(diào)整工藝參數(shù)使系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 應(yīng)用效果

在氯化爐正常運(yùn)行、 尾氣正常排放的情況下，本流程年回收余熱生產(chǎn)的0.8MPa、170℃飽和水蒸氣高達(dá)100kt。 同時(shí)對(duì)經(jīng)本流程處理后的煙氣進(jìn)行隨機(jī)檢測，結(jié)果見表2。 由表2 可看出，經(jīng)本系統(tǒng)處理后的尾氣中Cl2、CO、HCl 含量大幅降低，完全滿足GB 25468—2010《鎂、鈦工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的排放要求。

表2 氯化尾氣處理流程處理前后的實(shí)測參數(shù) mg/m3

5 結(jié)束語

筆者提出了一種氯化尾氣處理蓄熱焚燒方法，通過對(duì)噴淋裝置、蓄熱焚燒裝置、余熱利用裝置和自控系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以下功能：

a. 將氯化尾氣處理至達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)對(duì)尾氣中的熱量進(jìn)行回收利用；

b. 系統(tǒng)流程滿足氯化尾氣處理各種運(yùn)行工況的要求，確保了機(jī)組安全、高效運(yùn)行；

c. 通過自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控、隨時(shí)操作和數(shù)據(jù)處理功能；

d. 整套流程裝備端無人值守， 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)化運(yùn)行管理，極大地提高了裝備任務(wù)保障效能。

氯化尾氣處理流程的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)為氯化法制鈦白粉工藝提供了經(jīng)濟(jì)、 安全的尾氣處理技術(shù)，有助于氯化法制鈦白粉工藝的推廣，同時(shí)本流程還可適用于其他相近行業(yè)或同類型生產(chǎn)尾氣的治理。