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1、易水解钛液多效低温节能浓缩技术与装备简介一、国内外技术概况硫酸法钛白粉生产过程中，钛铁矿与硫酸反应、经过澄清过滤并分离出硫酸亚铁之后得到的钛液，由于浓度较低，不能直接用于水解制备水合二氧化钛（又称偏钛酸）。这样的稀钛液（又称清钛液），必须经过浓缩达到一定浓度后，才能进入下一步的水解工序。稀钛液中主要含有硫酸氧钛、硫酸钛、硫酸亚铁等溶质，一般可通过加热蒸发的方法浓缩稀钛液。由于在常压状态下钛液的沸点在104-114左右，而钛液本身在80以上就会水解，如果在常压状态下高温加热蒸发，钛液就会发生早期水解而生成胶体微粒悬浮于钛液中，造成沉降和压滤的困难，最终影响钛白粉的质量和产量。为了避免早期水解，钛
2、液的浓缩必须在真空状态下低温浓缩。目前，我国钛白行业还是采用传统的单效薄膜蒸发装置浓缩清钛液。在实际生产过程中，一般是要控制钛液温度不高于70，真空度需要保持在-0.080MPa以上，才能得到合格的200g/L的浓钛液。平均每生产1吨钛白粉产品，用于钛液浓缩需要消耗2.0-3.0吨新鲜蒸汽。传统钛液浓缩的工艺技术存在以下不足：1、蒸汽消耗大。由于采用单效蒸发，蒸发一吨水需要消耗1.25-1.5吨蒸汽，平均每生产1吨钛白粉产品，用于钛液浓缩需要消耗2.0-3.0吨新鲜蒸汽。2、单效浓缩容易造成钛液的局部过热，使钛液早期水解产生固相硫酸氧钛结晶堵塞蒸发器列管，而分散到钛液中的硫酸氧钛结晶会像晶种一
3、样，不断增大而沉积下来，给生产造成不必要的损失。同时，由于这些不良结晶中心的存在，会严重影响水解产物的性能，影响成品钛白粉的质量。3、用于钛液浓缩的薄膜蒸发器，采用的钛金属材料，价格较高。4、单效浓缩装置的规模较小，不能适应钛白粉装置大型化的发展需要。据我们了解，国际上几家大的钛白生产企业像科美基公司、亨兹曼公司、原德国拜耳公司，均是采用双效蒸发装置浓缩钛液。但处于技术垄断及对我国的技术封锁，国际上钛液浓缩采用的工艺及装置未见报道。我国九十年代初期，从东欧国家引进了三套1.5万吨/年钛白生产装置，其中某厂就引进了一套钛液双效浓缩设备。试运行时，装置出现加热管堵塞严重，无法正常运行，只好又改回常
4、规的单效薄膜蒸发浓缩。二、钛液多效浓缩的创新点及特点1、总结了钛液浓缩过程中发生早期水解以及影响浓钛液稳定性的规律，合理确定各级钛液的浓度、温度及相适应的真空度，充分利用了系统二次蒸汽的潜热，比单效浓缩减少40-50%的蒸汽消耗，节能效果显著。我们通过试验，研究与总结了多效浓缩各段的钛液浓度、酸度与物料水解的规律；钛液温度、真空度与物料水解的关系。因此，突破了钛液多效浓缩的技术瓶颈。确定了既能抑制钛液的早期水解、保证浓钛液的稳定性,又能充分利用二次蒸汽潜热的各级物料温度、酸度、浓度及相适应的系统真空度。开发了具有自主知识产权的钛液多效低温浓缩工艺包。2、开发了钛液浓缩的温度分段控制技术，有效抑
5、制了钛液浓缩过程中早期水解的发生，浓钛液的稳定性优于常规的单效浓缩。在单效浓缩时，由于新鲜蒸汽温度较高，当浓度较低的清钛液进入系统后，就在加热室与新鲜蒸汽换热，很容易造成清钛液的局部温度过热而产生早期水解。所以，钛液浓缩过程中的温度控制非常重要。我们借鉴合作方“中德艾伯纳三圣环保公司”十四效浓缩的温度控制技术，开发了钛液浓缩的温度分段控制技术。通过该技术，能根据运行中各级钛液的浓度，方便灵活的实现各级温度及真空度的调节和控制。工业生产装置表明，通过温度分段控制技术，逐级提高钛液的温度与浓度，抑制了钛液浓缩过程中的早期水解，钛液的稳定性也得到了提高。3、 在钛液浓缩的后段，采取先进的绝热闪蒸蒸发
6、及真空技术，利用物料本身的温度进行绝热闪蒸脱水。钛液经双效逆流蒸发系统的二次脱水后，钛液的浓度已接近合格浓度。此时钛液的温度较高，依靠钛液本身的热能，依次流经多级卧式闪蒸室，压力逐级降低，钛液进一步得到浓缩，从最后一级流出的钛液达到了工艺要求的浓度。很明显，在绝热闪蒸浓缩阶段，钛液浓度得到提高的同时，钛液温度没有升高，反而是下降。所以，绝热闪蒸脱水技术不需要外部热能、不提升钛液温度，更适合钛液后段的脱水浓缩。当对钛液的浓度有更高要求时，浓缩的后段采用绝热闪蒸脱水技术更加可靠。4、为钛液多效低温节能浓缩装备开发了石墨表面处理技术，设计制作的加热器石墨件与石墨管表面更加光滑、更加不容易结垢。钛液多
7、效低温节能浓缩装备的加热设备采用了新型石墨材料，该石墨材料经过了特殊的表面处理，提升了与钛液接触的石墨件与石墨管的光滑性。与传统薄膜蒸发器的钛加热管相比，更不容易结垢及堵塞。同时，石墨换热器的换热效果能始终保持在最佳状况。5、用技术先进的“雾化冷凝器”替代传统的“混合冷凝器+真空泵”，降低了装置的动力消耗、减少了设备投资。雾化冷凝技术。雾化式冷凝器是借鉴国外技术开发的。雾化式冷凝器设计有喷雾喷嘴和喷射喷嘴，喷雾喷嘴通过喷出具有很大表面积的雾化水滴，充分与二次蒸汽混合及热交换。冷凝器中的汽液混合均匀，使可凝性气体迅速凝结成水而形成真空。剩下的不凝性气体，在喷射喷嘴的射流水抽吸作用下排出尾管，从而
8、达到稳定高真空的目的。喷射雾化式冷凝器，结合了混合冷凝器和水喷射式冷凝器的优点而又与两者不同，最大的创新特点是在喷射抽吸的基础上增加了雾化冷凝的效果，大大提高了冷凝器效率。喷射雾化式冷凝器设计有喷雾喷嘴和喷射喷嘴，喷雾喷嘴通过喷出具有很大表面积的雾化水滴充分与二次蒸汽混合进行热交换，汽液混合均匀，使可凝性气体迅速凝结成水而形成真空。剩下的不冷凝气体通过喷射喷嘴射出的射流水抽吸而排出尾管，从而达到稳定高真空的目的。但由于残留的不凝缩气体较少，需要对其所做的压缩功较小，所以水压和水温对真空的影响较小。喷射雾化式冷凝器属于近几年来新开发的一种新型产品，是一种理想而又高效节能的冷凝设备，正逐步取代混合
9、冷凝器和水喷射式冷凝器。三、工艺流程及其说明钛液多效节能浓缩工艺详见图一：“钛液多效节能浓缩装置工艺流程示意图”。物料流：清钛液（15-20）依次经过二级石墨预热器预热，钛液不断被加热，升温至一级升膜石墨蒸发器所要求的蒸发临界温度。然后将预热了清钛液从底部进入一级升膜石墨蒸发器，通过分布板均匀进入加热室的列管中，与加热蒸汽（二次蒸汽）通过管壁进行热交换，钛液在真空下受热迅速蒸发，汽化了的水蒸气夹带着被浓缩后的钛液，成膜状沿管壁快速上升进入蒸发室，通过蒸发室顶部的气液分离装置进行汽液分离，钛液完成了第一级薄膜蒸发浓缩。同理，钛液在二级升膜石墨蒸发器内进一步被脱水提浓。出二级薄膜蒸发器的钛液具有一
10、定的温度，然后依靠钛液本身的热能，依次流经多级卧式闪蒸室，压力逐级降低，钛液不断得到浓缩（三级浓缩），从最后一级流出的钛液达到了工艺要求的浓度。蒸汽流：新蒸汽进入二级蒸发的加热器，二级蒸汽器产生的二次蒸汽作为一级升膜蒸发加热器的热源。一级蒸发器与三级闪蒸器产生的二次蒸汽用于稀钛液的一级预热，将温度较低的清钛液温度提高。出一级预热器未凝结的二次蒸汽去真空系统。蒸汽凝结水流：在二级蒸发加热器中冷凝的过热水，进入凝结水收集罐后用于清钛液的二级预热，使钛液达到一级蒸发的临界温度，温度降低后的凝结水返回用户。全流程。可根据用户具体情况组合。原装置改造可利用原设备。四、装置的设计概况 、钛液多效低温节能浓
11、缩装置产品系列通常按单套蒸发水量3000kg/h、4000kg/h、5000kg/h、6000 kg/h、7000 kg/h，单套对应钛白粉的产能为15kt/a到35kt/a。装置蒸发水量的计算公式如下：W=（1-1/2）Q1式中：W =蒸发量；单位：吨/小时 1=进浓缩装置前钛液浓度；单位:克/升 2=出浓缩装置后钛液浓度；单位:克/升 Q1 =进浓缩装置的钛液流量；单位：立方米/小时产品系列是按蒸发水量所对应的一级、二级蒸发设备规格型号，而预热设备、闪蒸蒸发器是依据用户的具体情况来确定。例如：清钛液热过滤后温度达30以上时，就只要一级预热；如果是采用外加晶种水解工艺，浓钛液为200g/l时
12、，可以不用多级闪蒸器；生蒸汽冷凝水需要返回锅炉房时，则可以采用水解后的热偏钛酸或者采用二次蒸汽来预热清钛液等等。另外，在已运行的单效薄膜蒸发系统基础上进行改造，原薄膜蒸发器、储槽、泵与原真空系统都能得到利用。1、攀钢重庆钛白：雾化冷凝技术应用、一级预热（清钛液温度35-40）、闪蒸。4套。2、龙蟒钛业：二次蒸汽预热、6+7套3、东佳钛白：二次蒸汽预热、雾化冷凝技术应用。2套4、江苏镇江钛白：二次蒸汽预热、雾化冷凝技术应用。2套2 、装置占地面积及厂房要求1 新建钛液多效浓缩装置单套装置布置在12m7.5m厂房，共4层（与常规单效浓缩装置相同）。分别为+18.000米、+12.000米、+6.0
13、00米、0.000米。其中一级浓缩加热器与蒸发器安装在+18.000米平面，其余的设备依次安装在+12.000米、+6.000米、0.000米厂房内（浓钛液贮槽）。 改造原单效浓缩装置改在一套多效浓缩装置的厂房面积为5.5m3.5m（约20m2），安装新增的钛液一级预热及一级蒸发浓缩设备，共二层。其中一级蒸发浓缩设备布置在顶层，钛液预热器布置在下一层。五、运行成本比较及经济效益分析、钛液多效浓缩与单效浓缩的能耗比较钛液浓缩的能耗与水解工艺（浓钛液的浓度）有关，也与清钛液的温度有关。我们以外加晶种155g/l清钛液浓缩至200g/l的浓钛液，每吨钛白产品需要7.0m3清钛液、蒸发水量为1575k
14、g/吨钛白为例。清钛液温度为15、采用蒸汽冷凝水预热时，单效浓缩的蒸汽消耗为2040kg/吨钛白（1295kg蒸汽/吨水），多效浓缩的蒸汽消耗为1130kg/吨钛白（718kg蒸汽/吨水）。带三级闪蒸蒸发脱水，浓钛液的温度为51。不带三级闪蒸时，蒸发消耗为750 kg蒸汽/吨水，折为1180kg/吨钛白。 、经济效益分析我们按照20kt/a钛白装置、外加晶种水解工艺的钛液浓缩为例。采用蒸汽凝结水预热钛液时，单效浓缩的蒸汽消耗为2040kg/t产品，多效浓缩的蒸汽消耗为1130kg/t产品（带三级闪蒸）。每吨产品减少蒸汽消耗为910kg，蒸汽价格按150元/t,每年减少的蒸汽费用为:2.0 （2
15、.0401.130） 150 273 万元/年钛液浓缩装置实施节能改造后，电耗与循环水消耗不需增加。20kt/a钛白装置每年可减少蒸汽消耗的费用为273万元。在20kt/a钛白装置F=80m2的单效浓缩装置基础上改造，新增设备、工艺管道、自控仪表及其安装工程的总费用约200万元。其中：设备购置费与安装费 160.0 万元； 工艺管道及安装费 18.0万元； 自动化仪表及安装费 12.0 万元； 设计及技术服务费 10.0万元。所以，装置改造后一年内就可收回投资。、初步结论传统单效浓缩钛液的工艺技术蒸汽消耗较大，而且会因局部过热造成浓缩过程中的早期水解。采用三圣公司与攀枝花海峰鑫公司联合开发的钛液多效低温浓缩技术，能降低蒸汽消耗，浓钛液的稳定性也优于单效浓缩。该项节能新技术已先后通过钛白产业联盟专家组的考核及中国化学和石油工业联合会组织的成果鉴定。并且在30m3/h工业装置上稳定连续运行了二年多，技术成熟、装置已形成系列化产品。技术提供方还能提供操作人员的技术培训、装置的调试试运行，以及长期优质的技术服务。综上所述，在原单效浓缩装置的基础上进行节能技改，投入的技改费用在一年内就能全部收回。所以，技术上可行，经济效益优良。