機械閃蒸式降溫結(jié)晶技術(shù)在鈦白粉生產(chǎn)中的應(yīng)用

尹海蛟 夏君君， 全曉宇 彭 濤 唐 昊 于會滿

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

我國是鈦白粉的生產(chǎn)與消費大國，2018 年全國鈦白粉總產(chǎn)量近340 萬噸，產(chǎn)量雄踞世界首位［1］。鈦白粉生產(chǎn)工藝包括硫酸法和氯化法，我國的鈦白粉生產(chǎn)主要以硫酸法為主。 鈦白粉生產(chǎn)是一個高耗能過程，生產(chǎn)能耗約占鈦白粉生產(chǎn)總成本的20%～25%［2］，節(jié)能降耗已成為鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)重點關(guān)注的問題。 鈦白粉生產(chǎn)過程能耗主要集中于亞鐵真空結(jié)晶、鈦液濃縮、廢酸濃縮及水解等工序［3～5］。傳統(tǒng)的鈦液結(jié)晶大多采用蒸汽噴射真空結(jié)晶法，該方法存在能源消耗量大、二次污水嚴重等問題。 為此，筆者提出了一種鈦液機械閃蒸式真空降溫結(jié)晶新方法，旨在解決傳統(tǒng)鈦液結(jié)晶方法中存在的弊端，降低鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)的能源費用，促進鈦白粉行業(yè)的清潔與可持續(xù)發(fā)展。

1 傳統(tǒng)鈦液降溫結(jié)晶方法及存在的問題

1.1 蒸汽噴射真空降溫結(jié)晶法

傳統(tǒng)的蒸汽噴射真空降溫結(jié)晶系統(tǒng)（圖1）由噴射器、大氣冷凝器及真空泵等組成［6］。為了維持系統(tǒng)內(nèi)的高真空， 系統(tǒng)采用雙級蒸汽噴射方式，系統(tǒng)運行時通過高壓（3～7bar，1bar=0.1MPa）產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動蒸汽噴射泵運行，在噴射泵的文丘里效應(yīng)下，高壓蒸汽引射結(jié)晶釜內(nèi)的二次蒸汽，結(jié)晶器內(nèi)壓力降低，當釜內(nèi)壓力降至鈦液溫度對應(yīng)的飽和壓力時，鈦液中的水分閃蒸汽化并使溶液降溫，鈦液溫度降低后逐漸析出硫酸亞鐵晶體。

圖1 蒸汽噴射真空降溫結(jié)晶系統(tǒng)示意圖

鈦液的常壓沸點一般在10～13℃， 鈦液降溫至18℃時結(jié)晶器內(nèi)部壓力僅1kPa 左右， 蒸汽噴射泵在此工況下的引射系數(shù)僅為0.30～0.35，即蒸汽噴射泵從結(jié)晶釜內(nèi)每抽吸出1 份二次蒸汽，需要耗費約3 份左右的高壓蒸汽，同時需要消耗大量冷卻水對噴射泵出口4 份低壓乏汽進行冷卻。可見，蒸汽噴射真空降溫結(jié)晶方法的蒸汽和冷卻水耗量較大，能源利用效率較低，同時蒸汽凝液會形成大量含酸液的二次污水。

1.2 冷凍水降溫結(jié)晶法

鈦液冷凍水降溫結(jié)晶法通常采用吸收式或機械壓縮式冷水機組制取冷凍水，將冷凍水通至結(jié)晶器夾套或內(nèi)置盤管中，通過間壁冷卻方式對鈦液進行降溫結(jié)晶。 在該方法中，當冷卻速率控制不當時，硫酸亞鐵晶體會在夾套內(nèi)壁或盤管外表面快速析出并沉積在冷卻壁面上，形成粘附力極強的晶疤和晶垢，晶垢層不僅增大了降溫傳熱熱阻，導致系統(tǒng)降溫速率變慢，同時壁面晶垢還需人工清理，降低了降溫結(jié)晶生產(chǎn)效率，冷凍水法降溫結(jié)晶時間通常為每釜8～10h。

2 機械閃蒸式真空降溫結(jié)晶技術(shù)原理及核心裝備

2.1 機械閃蒸真空降溫結(jié)晶技術(shù)原理

機械閃蒸降溫結(jié)晶方法本質(zhì)上屬于真空閃蒸降溫結(jié)晶，其系統(tǒng)如圖2 所示。 系統(tǒng)采用大流量容積式壓縮機作為結(jié)晶器的抽氣閃蒸設(shè)備，壓縮增溫后的二次蒸汽通過低壓阻冷凝器進行冷凝，凝液排至凝水罐或液封池，壓縮機前置的氣液分離裝置負責去除二次蒸汽夾帶的酸液和鹽分， 真空泵負責及時抽出系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體。結(jié)晶器內(nèi)的溶劑在真空條件下絕熱閃蒸汽化，溶液降溫放熱和溶質(zhì)結(jié)晶放熱由溶劑蒸發(fā)汽化吸熱所平衡。

圖2 機械閃蒸式鈦液降溫結(jié)晶系統(tǒng)示意圖

2.2 機械閃蒸式降溫結(jié)晶技術(shù)特點

與傳統(tǒng)降溫結(jié)晶方法相比，機械閃蒸式降溫結(jié)晶技術(shù)具有如下特點：

a. 在相同鈦液進料量（每釜36m3）和環(huán)境溫度下，機械閃蒸式降溫結(jié)晶系統(tǒng)較蒸汽噴射降溫結(jié)晶法可縮短降溫結(jié)晶時間為每釜20～30min。

b. 系統(tǒng)乏汽冷卻負荷小，系統(tǒng)冷凝器的熱負荷僅為鈦液閃蒸二次蒸汽的冷凝潛熱和壓縮機耗功轉(zhuǎn)變的熱量，冷卻水消耗量少，冷卻水配套設(shè)備運行能耗低。

c. 在相同產(chǎn)能水平下，機械閃蒸式降溫結(jié)晶系統(tǒng)的運行費用僅為傳統(tǒng)蒸汽噴射真空結(jié)晶法的20%～35%，可顯著降低生產(chǎn)企業(yè)的能耗費用。

d. 以電力作為系統(tǒng)的驅(qū)動能源，無燃煤蒸汽鍋爐導致的環(huán)保壓力困擾；系統(tǒng)運行無冷卻循環(huán)水的二次污染問題， 減少了二次污水的處理費用。

e. 系統(tǒng)采用壓縮機變頻調(diào)速技術(shù)，可根據(jù)硫酸亞鐵結(jié)晶特性對鈦液降溫速率進行精確控制，系統(tǒng)具備較強的變?nèi)萘空{(diào)控能力，操作彈性強。

2.3 系統(tǒng)核心裝備

壓縮機是機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的核心設(shè)備，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)降溫速率和系統(tǒng)能耗水平。 降溫結(jié)晶是典型的變工況運行過程，鈦液由初始約65℃降至約18℃的過程中，壓縮機的吸/排氣溫度、壓力、進汽比容、進汽質(zhì)量、壓縮比及壓縮功等參數(shù)均在時刻變化，二次蒸汽的流態(tài)也隨著降溫過程的進行由最初的高溫湍流逐步過渡為低溫的粘滯流態(tài)，這要求系統(tǒng)配套的壓縮機除了具有大流量、高壓縮比的特點外，還需具備較強的變工況運行能力。 圖3 為天津樂科節(jié)能科技有限公司研發(fā)的LC200 型機械閃蒸式降溫結(jié)晶系統(tǒng)專用配套壓縮機，整機均為不銹鋼材料，額定流量130 000m3/h，適用壓比范圍1～7。

圖3 機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)配套的羅茨壓縮機

3 項目案例及應(yīng)用效果分析

3.1 項目基本情況

采用機械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)對某大型鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)的傳統(tǒng)蒸汽噴射降溫結(jié)晶系統(tǒng)進行了節(jié)能改造。采用LC200 型粘滯流壓縮機替代原系統(tǒng)二級蒸汽噴射泵，采用板式冷凝器替代原大氣冷凝器，為保證壓縮機的安全運行，在壓縮機前設(shè)置高效氣液分離器。 圖4 為本項目改造完成后的項目現(xiàn)場情況。

圖4 鈦液機械閃蒸降溫結(jié)晶項目實景

改造前、后系統(tǒng)的主要設(shè)備及其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 改造前、后系統(tǒng)主要設(shè)備及其相關(guān)參數(shù)

3.2 項目運行情況

本項目于2018 年初改造完成并投運， 自投運以來系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 夏季工況 （環(huán)境溫度約33℃）， 單釜進料36m3， 料液溫度由約60℃降至18℃，壓縮機運行時間約1.5h，單釜物料降溫結(jié)晶總耗時約2h，較原蒸汽噴射系統(tǒng)每釜用時平均縮短約20～30min。改造后系統(tǒng)平均日處理9～10 釜，單套系統(tǒng)鈦白年產(chǎn)量約11 000t。

3.3 項目節(jié)能效果

對節(jié)能改造前后的單位鈦白產(chǎn)品能耗進行計算，項目中每釜鈦液（36m3）的鈦白產(chǎn)量約4.2t，能源價格蒸汽為每噸150 元、電0.75 元/（kW·h）。電力折標煤系數(shù)取0.122 9kgce/（kW·h），蒸汽（低壓）折標煤系數(shù)取0.128 6kgce/kg［7］。

3.3.1 節(jié)能改造前

經(jīng)測試，原蒸汽噴射系統(tǒng)單釜降溫結(jié)晶的耗汽量為7.56t， 附屬配套設(shè)備總耗電功率為165kW，單釜運行平均用時為每批2.5h。

單釜鈦液降溫結(jié)晶總耗費：

7.56×150+165×2.5×0.75=1443.4 元

每噸鈦白降溫結(jié)晶耗費：

1443.4÷4.2=343.7 元

每噸鈦白消耗標煤量：

（7.56×1000×0.1286+165×2.5×0.1229）÷4.2=243.6kg

蒸汽冷凝新增二次污水量：

7.56÷4.2=1.8m3/t

3.3.2 節(jié)能改造后

經(jīng)測試，節(jié)能改造后機械閃蒸降溫結(jié)晶系統(tǒng)的單釜運行時間約2h， 附屬配套設(shè)備總功率為125kW， 壓縮機運行的平均耗電功率為150kW，壓縮機運行時間約1.5h。

單釜鈦液降溫結(jié)晶總耗費：

（150×1.5+125×2）×0.75=356.3 元

每噸鈦白降溫結(jié)晶耗費：

356.3÷4.2=84.8 元

每噸鈦白消耗標煤量：

（150×1.5+125×2）×0.1229÷4.2=13.9kg

節(jié)能改造后，每噸鈦白降溫結(jié)晶運行費用降低了259.2 元，運行費用節(jié)省了75.3%；每噸鈦白降溫結(jié)晶的標煤耗量減少了229.7kg， 標煤節(jié)省率達94.3%。單套系統(tǒng)年產(chǎn)能按1 萬噸鈦白計，節(jié)能改造后單套系統(tǒng)每年節(jié)省運行費用259.2 萬元，每年減少二次污水18 000m3。

4 結(jié)束語

近年來我國鈦白粉產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝存在能耗高、污染大等問題，隨著環(huán)保問題的日益嚴峻，探索節(jié)能環(huán)保型鈦白生產(chǎn)工藝已成為鈦白粉行業(yè)的重要課題。 機械閃蒸式降溫結(jié)晶技術(shù)為鈦白粉行業(yè)提供了一種節(jié)能環(huán)保的鈦液降溫結(jié)晶新途徑，該技術(shù)以電力作為系統(tǒng)驅(qū)動能源，這在環(huán)保壓力逐步增大、蒸汽能源供應(yīng)日趨緊張的環(huán)境下，可使鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)擺脫蒸汽供應(yīng)、蒸汽價格等問題的困擾。 工程實踐結(jié)果表明， 鈦液機械閃蒸降溫結(jié)晶技術(shù)具有運行能耗低、降溫速率快、生產(chǎn)效率高及無二次水污染等優(yōu)勢，在以鈦白粉為代表的無機鹽行業(yè)具有廣闊的市場應(yīng)用前景。