基于二氧化鈦熱工特性的偏鈦酸煅燒系統設計

羅武生 ，喻勝飛

（1.中南林業科技大學機電工程學院，湖南長沙410004；2.中南大學能源科學與工程學院；3.中南林業科技大學材料科學與工程學院）

在硫酸法二氧化鈦生產中，原料鈦鐵礦（FeTiO3）或含鈦爐渣經硫酸分解成松散的TiOSO4及硫酸亞鐵。經浸取，硫酸亞鐵和硫酸氧鈦溶解于水，后通過沉降、過濾除雜、真空或冷凍結晶除去七水硫酸亞鐵，其余的TiOSO4液經濃縮后再加入蒸汽水解形成約5～15 nm的銳鈦礦型微晶沉淀，由于有—OH基團吸附在晶粒表面上，晶體由氧化鈦組合物TiO（OH）2來體現（俗稱偏鈦酸）。由于水解的不完全， 約 5%～10%的鈦仍以 TiOSO4·H2O和 TiOSO4·2H2O形式存在。水解產物是通過真空轉鼓過濾器脫水到水質量分數約為55%的濾餅，糊狀濾餅用轉窯烘干脫水、熱分解脫硫、煅燒形成銳鈦型或金紅石型二氧化鈦。煅燒是硫酸法生產二氧化鈦發生化學變化或晶型轉變的最后過程步驟，對二氧化鈦的質量影響很大，是二氧化鈦生產3個關鍵工序之一，同時，煅燒過程的能耗也是二氧化鈦生產綜合能耗指標高低的關鍵。因此，合理設計二氧化鈦生產過程中的煅燒系統與恰當地調節煅燒參數，對提高二氧化鈦質量、產量，降低能耗起到至關重要的作用。

1 二氧化鈦煅燒的熱工參數及影響因素

進入轉窯的物料包括 TiO（OH）2、H2O、TiOSO4·H2O和TiOSO4·2H2O，它們在轉窯內發生的反應如下：

煅燒是將偏鈦酸轉變成具有基本顏料性能的二氧化鈦的過程，該過程主要是除去偏鈦酸中的水分和硫，同時使二氧化鈦轉變成具有特定顏料性能所需要的晶型［1］。偏鈦酸煅燒過程的TG-DTA（熱重-差熱分析）曲線見圖1。從圖1可以看出，脫水和脫硫發生在不同的溫度范圍內，脫水是在低于500℃下進行，而完成脫硫要高于600℃。在800℃后脫水、脫硫已完全，窯內二氧化鈦物料質量基本保持不變，吸收熱量主要是用來晶型轉換。

圖1 煅燒物料揮發分與煅燒溫度關系曲線

2 煅燒回轉窯系統基本參數

二氧化鈦煅燒回轉窯的主要技術參數包括窯的規格、轉速、斜度、設計負荷等。根據生產線額定產量G要求，確定最大連續產量Gmax=1.1G，最小連續產量Gmin=0.95G；根據工藝技術要求，確定窯型、規格及窯內輔助熱交換裝置等；然后計算窯所有部件（耐火磚、窯皮及物料負荷等）。

2.1 回轉窯工藝技術參數

設備規格：筒體尺寸為 φ1.8 m×38 m，產能為1 000 kg/h，筒體轉速為0.1～0.3 r/min，筒體斜度為3%，電機功率為22 kW（采用電磁無級調速方式，其額定轉速為 132～1320 r/min）。

物料特性：加入物料量為 2.7 t/h，堆密度為1 460 kg/m3，料漿濕度為50%～60%。

熱煙氣特性：進氣溫度為950～1 050℃，出氣溫度為200～350℃，排出氣體流量為14 480 Nm3/h。

2.2 回轉窯傳動系統的選用

傳動系統采用單面傳動方式，考慮到減速比太大，窯體最高轉速只有0.3 r/min，因此選用具有較高啟動轉矩的電磁調速電動機。減速系統一級傳動比采用圓柱齒輪式減速器來實現，次級減速是通過聯接在一級圓柱減速器的輸出軸上的開式齒輪與回轉窯上的開式齒輪嚙合傳遞較大扭矩，這樣可增加傳動的可靠性及穩定性?；剞D煅燒窯增加了保安電源的輔助傳動裝置是為了保證主電源中斷或傳動系統發生故障時仍能使回轉窯緩慢轉動，不至于使回轉窯局部溫度過熱導致回轉窯變形。

2.3 二氧化鈦煅燒帶長度確定

根據二氧化鈦煅燒過程的熱工特性，回轉窯長度的計算應分帶進行。把窯劃分為干燥帶，脫硫、脫水、分解帶和燒成帶（晶型形成帶），從二氧化鈦燒成物顏料特性和傳熱特性來看，窯長度的計算以燒成帶最為重要，因此以它作為回轉窯長度的定量基準。以靳太安［2］的煅燒帶長度數學模型來確立煅燒帶長度。

式（1）為計算回轉窯燒成帶長度的公式。R為導出熱阻 m2·h·K/kJ；K 為溫度不均勻性系數，K 值是與回轉窯內煙氣、物料和窯內襯的實際溫度場有關聯系數；A是與填充系數及回轉窯燒成帶空間換算黑度有關的經驗系數，由窯內燒成帶氣流初溫決定；經驗系數B取0.013；lc為 回轉窯燒成帶長度,m；lh、la為窯橫截面上物料占據的弓形弦長和弧長,m；Tg為燒成帶窯氣絕對溫度,K；Ts為燒成帶物料絕對溫度,K； ts為燒成帶物料溫度,℃；t′g為流出燒成帶窯氣溫度,℃；ts0為進入燒成帶物料溫度,℃；Ws為物料水質量,kg；Wg為窯氣水質量,kg；wg為窯氣流速,m/s；λ為窯氣導熱系數,kJ/（Nm3·℃）；σ為絕對黑體輻射系數,2.04×10-7kJ/（m2·h·K4）；ν為窯氣動力粘度,m2/s。根據二氧化鈦煅燒的條件參數，可確定二氧化鈦煅燒帶長度為12 m。

2.4 回轉窯煅燒控制系統

對二氧化鈦煅燒回轉窯來講，煅燒控制系統主要有3個：煅燒溫度控制系統、燃料空氣比值控制系統、窯頭負壓控制系統。

2.4.1 回轉窯溫度串級控制系統設計

回轉窯煅燒溫度的主要擾動是煅燒物料負荷的變化和燃料量的波動，回轉窯各段的溫度梯度可由二次風、三次風來實現，溫度及溫度梯度的實現是通過自動監控系統調控，利用燃燒裝置和溫度在線自動檢測系統，對物料煅燒過程窯頭、窯中、窯尾區域溫度進行實時檢測，把溫度與設定的溫度進行比較，出現偏差時自動調節燃燒裝置的供油量和助燃風量，使窯內軸向溫度按預定的曲線分布，使物料干燥、分解、脫硫并完成晶型轉化［3-5］。自動控制功能是以提高產品品質，增加產能，降低能耗，減少污染為目的。經過對生產工藝的研究，認為在回轉窯多參數控制系統中，采用串級控制是穩定工藝參數較為有效的方法。具體采用以窯頭負壓為主變量，二、三次風量為副變量的三級調節器串級控制系統，各級調節器有其自己的溫升狀態響應，分別承擔不同的任務，采用的調節規律也不相同。這種串級調節的控制系統適宜對產品品質要求很高的工藝，能實現快速、及時、穩定的調節。三次風調節器主要承擔物料波動時的粗調，是前端的控制，要求快速反應，因此采用比例調節；而二次風調節器承擔其他干擾較大情況下的調整，目的是使其快速穩定在工藝允許的范圍內，對無差不作要求，因此在該級也采用比例調節；負壓主調節器的任務是不允許被調量存在偏差而準確保持被調量符合生產要求，因此主調節器采用比例積分 （PI）調節器，目的是實現無差控制。這樣當操縱變量發生擾動時，就能快速地把煅燒溫度調節到所需要的數值上?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2 回轉窯溫度控制串級調節原理

2.4.2 煅燒控制系統硬件配置

回轉窯控制系統硬件配置如圖3所示，通過采用計算機、可編程序邏輯控制器（PLC）、變頻器等控制器實現回轉窯的煅燒過程自動調節、遠程監控和多種操作等功能。

圖3 煅燒控制系統硬件配置

3 回轉窯煅燒過程的熱工測試

以正常生產量的回轉窯作為測試對象進行了熱工測試，揭示回轉窯的設計效果及其能量利用情況，對測試結果進行了分析：一方面，優化設計方案為今后的設計提供借鑒；另一方面，通過熱工分析、優化煅燒過程，達到高效、優質和低消耗生產的目的。

3.1 回轉窯內軸向溫度分布

窯體內表面溫度沿窯長方向上的分布如圖4所示（自窯尾起）。在現場熱平衡測試中發現，在距窯尾14 m的范圍內，溫度低于500℃，屬干燥區域，在這個區域內主要是脫去偏鈦酸中的游離水，在該處取樣在150℃下干燥不失重；在14.5～25.5 m，溫度為500～750℃，這階段主要是脫去結合水與脫硫的過程；在25.5～38 m的區間內，溫度基本保持在800℃左右，只是在距窯頭1 m左右時，溫度才有上升趨勢，說明這時晶型已完全發生轉化，該區域應當為偏鈦酸煅燒帶的終止位置。

圖4 轉窯內溫度分布

3.2 煅燒帶溫度的控制

通過上述自動控制，測得煅燒帶的溫度變化曲線如圖5所示。從圖5可看出，由于干擾存在，煅燒帶的溫度一旦發生變化能在較短的時間內達到穩定，而且無超調，說明控制及時，轉窯溫度波動不大，參數控制方法的穩態、動態性能較好，可以實現系統無超調，產品質量穩定有保障。

圖5 煅燒帶溫度自調整變化

4 結論

1）通過煅燒過程的TG-DTA測量，脫水是在低于500℃下進行，而完成脫硫要高于600℃，在800℃進行晶型轉化。2）煅燒帶的長度由模型確定為12 m，設計的煅燒系統完全可控制煅燒帶，脫水、脫硫帶及干燥帶的區域長度及溫度梯度。3）回轉窯燃燒優化系統實現了參數的在線自調整功能，數據采集準確，調節精度高。該溫度控制器具有無超調量、調節時間短的特點，表現了很高的安全性和可靠性，使回轉窯自動燃燒系統整體性能良好，有利于穩定產品質量和提高產品的一致性。

［1］Ginsberg T，Modigell M，Wilsmann W.Thermochemical characterisation of the calcinations process step in the sulphate method for production of titanium dioxide［J］.Chemical Engineering Research and Design，2011，89（7）：990–994.

［2］靳泰安.焙燒活性石灰爐設計探討［J］.無機鹽工業，1984（1）：19-24.

［3］楊高.回轉窯溫度自動控制系統［C］∥中國有色金屬學會.2011中國有色金屬行業儀表自動化學術會議論文集.北京，2011.

［4］陳文仲，王春華，田遠航，等.回轉窯熱工狀況影響參數的數值模擬［J］.化工學報，2011，62（1）：47-52.

［5］馬愛純，周孑民，孫志強，等.氧化鋁熟料窯內一維傳熱模型［J］.冶金能源，2004，23（1）：23-26.