鈦白生產中連續與間歇酸解比較及評述

唐文騫 劉 麗 中海油山東化學工程有限責任公司 250013

酸解是硫酸法鈦白生產中的重要工序之一，酸解的方法有間歇和連續兩種。全球硫酸法生產鈦白的工廠約有100 家，絕大部分采用間歇酸解法，采用連續酸解的僅有7 家。

連續酸解從上個世紀60年代問世以來，已有50 余年，現已發展至總產量325kt/a，約占全球硫酸法鈦白總產量的7%，發展區域限于亞洲和拉美地區。連續酸解與間歇酸解相比較具有酸解尾氣易處理的優勢。而間歇酸解其主反應在短時間內所產生的尾氣量相當大，處理困難。在環保處理標準要求日益苛刻的今天，為何廠家仍然沒有放棄間歇酸解轉而去選擇連續酸解呢?

1 酸解技術比較

1.1 工藝流程介紹

鈦鐵礦的酸分解(簡稱“酸解”)方法有干法和濕法，濕法又分為固相法、液相法、加壓法、兩相法和連續法。工業生產采用固相法，而固相法又分為間歇酸解和連續酸解。

1.1.1 間歇酸解

將所需用約80%的硫酸量放入帶攪拌并設置冷卻夾套的鋼制預混罐(預混和器)內，在攪拌條件下加入計量的鈦鐵礦粉，攪拌混合，同時冷卻夾套通入冷水進行冷卻，防止混合料漿溫度升高產生過早的水解反應。攪拌均勻后，放入酸解罐中，另20%的硫酸在放完混合料，沖洗預混罐后放入酸解罐。在酸解罐中依次開啟壓縮空氣進行攪拌，加入稀釋水或稀酸，通入蒸汽，生成固相硫酸氧鈦、硫酸鈦等硫酸鹽，經熟化后用小度水浸取。浸取后的鈦液經過沉降、過濾等步驟得到鈦液。酸解尾氣處理隨后介紹。

1.1.2 連續酸解

硫酸和鈦鐵礦按比例進入預混合罐，攪拌均勻后放入反應器，加入稀釋水或稀酸引發反應。反應物在反應器中固相物料逐漸熟化，并被攪籠推出反應器后，分別進第一、第二溶解槽浸出，經還原、沉降和過濾等工序，生成稀鈦液。反應酸解尾氣通過設在反應器頂部的管道引至尾氣處理系統，處理合格的煙氣由風機抽出經煙囪外排。

1.2 反應過程

現工業中無論間歇酸解或連續酸解，其鈦鐵礦和硫酸的化學反應:

酸解過程中，兩者有差異。間歇酸解，以142m3酸解罐為例，投入鈦鐵礦量約為28t，在鈦鐵礦與硫酸充分混合之后，開壓縮空氣，加入啟動水引發反應。主反應在5 ～15min 完成［3］，反應過程中放出大量熱和含硫尾氣，瞬時氣量按小時計為十幾萬m3，氣量大難控制，若處理不好會危及廠區周圍的環境，這成為間歇酸解的難題。而連續酸解在反應器內與硫酸混合的鈦鐵礦量僅有1 ～2t，在廢酸的引發下，鈦鐵礦和硫酸發生反應，反應物料一般在5min 左右就固化形成粉末狀物料，在螺旋攪拌下，反應物料緩慢熟化，直達反應器的兩端，進溶解槽進行溶解。因連續酸解在反應器內的物料連續釋放酸解尾氣，以單套20kt/a 反應器為例，釋放酸解尾氣量為3000 ～3500Nm3/h，經洗滌塔處理就方便多了，這是連續酸解所具有的優勢。

1.3 兩者的比較

以120kt/a 鈦白裝置為例，以15t/h 的產能對兩工序進行對比分析。間歇酸解采用V =142m3酸解罐18 臺及其附屬設備，連續酸解采用7 臺酸解反應器及其附屬設備(實際運行開6 備1)。

1.3.1 建設費用

間歇、連續酸解建設費用比較見表1。

表1 間歇、連續酸解建設費用比(萬元)

1.3.2 運行能耗

間歇酸解折算每噸鈦白用電量為83kWh，而連續酸解折算每噸鈦白用電量為229.4 kWh，則連續酸解比間歇酸解要多耗電146.4 kWh，電價以0.7 元/kWh 計，要多花費102.5 元。

1.3.3 酸解尾氣處理

(1)間歇酸解

國內間歇酸解采用的酸解罐從30m3、50m3，一直發展為130m3、142m3。隨著酸解罐容積的加大，酸解能力的提升，酸解尾氣處理的難度也在增加。2004年武漢某公司開發一種專利技術，該技術已成功應用于江蘇某廠。

用該技術處理后的酸解尾氣符合廢氣排放執行國標GB16297 -1996 (大氣污染物綜合排放標準，以空氣質量二類區標準二氧化硫最高允許排放濃度限值700mg/m3，硫酸霧為70mg/m3)。

間歇酸解尾氣處理的主要設備有文丘里、緩沖管、文丘里噴淋環管、引風機、噴淋水泵等，120kt/a 鈦白選用三套尾氣處理裝置，單套投資約100 萬元。處理費用每噸鈦白耗電約12.8kWh，費用約9 元。

(2)連續酸解

連續酸解瞬時氣量小且均勻，穩定，因而易于處理。

主要設備有復噴器、尾氣洗滌塔、引風機及堿液循環泵，工程造價已列入表1 建設投資內，噸鈦白運行用電量約2.5kWh，運行費用1.75 元(未計入堿的費用)。

1.3.4 酸解率

連續酸解應用初期，酸解率僅為93.5%［1］，經歷了多年的實踐和改進，現已解決了連續酸解率低的問題。從國內山東、廣東等企業實際情況來看，認為連續酸解工藝比間歇酸解工藝的酸解率略高，高出1% ～2%，酸解率大于96%［3］，間歇酸解噸鈦白用礦量為2.4t，連續酸解因酸解率提高1.5%，節省鈦鐵礦量約36kg，按每噸鈦鐵礦1000 元計，價值約36 元。

1.3.5 蒸汽消耗

連續酸解不需用蒸汽加熱。

間歇酸解在主反應過程中需要蒸汽加入，當冬季氣溫較低的時候用蒸汽升溫來引發反應;夏季氣溫高，則不需蒸汽加入，以免引起主反應過于劇烈導致冒鍋等事故的發生，或者導致穩定性的降低而影響一系列的指標和成品質量。

主反應時加入的蒸汽為0.6MPa，對于142m3的酸解罐，加礦量為28t，加蒸汽量為1t/h 的速度加入，總的蒸汽加入時間為50min。折算到全年每噸鈦白耗用蒸汽量約50kg。

1.3.6 主要設備的維護費用

間歇酸解的主要設備是酸解罐，現場安裝就位之后，即可投入使用，全年幾乎不需要維修。

連續酸解反應器是從雙螺旋捏合機為基礎設計的，采用雙螺旋布置，包括兩套平行軸漿葉，介質是硫酸和礦粉，軸和漿葉易損壞。以20kt/a的反應器為例，約半年漿葉損壞一次，軸的壞損周期略為長些，半年維護費約20 萬元，折算至每噸鈦白約20 元。

1.3.7 綜合經濟分析

以120kt/a 鈦白為例，運行費用見表2。

2 評述

2.1 投資與效益

以年產120kt 鈦白為例，間歇酸解的投資4774萬元，間歇酸解比連續酸解要多用526 萬元。

表2 運行費用(以噸鈦白計)

間歇酸解噸鈦白運行費用92 元，連續酸解運行費用156.73 元，全年節省776.76 萬元，因此，間歇酸解比連續酸解新增加投資不到1年可收回。

2.2 酸解尾氣治理

連續酸解的酸解尾氣，單位時間釋放的氣量不大且均勻、穩定，易處理，處理費用噸鈦白僅為1.75 元。

間歇酸解的酸解尾氣，短時間內釋放的氣量很大，氣又不均勻，處理難度大，曾一度成為困擾鈦白企業的難題，現采用多管文丘里處理技術，能達到國家新環保法的要求，解決了間歇酸解的難題。尾氣處理費用噸鈦白約9 元。

2.3 自動控制與人員

連續酸解自動化水平較高，從硫酸與鈦鐵礦的配比，預混合器的加料和出料，溫度及反應器，第一、二溶解罐的溫度等均可自動控制，確保各設備操作指標，生產環境好，每天操作人員僅12 人。

間歇酸解自動化水平較低，硫酸和鈦鐵礦加料，引發反應，加蒸汽，加空氣，熟化時間直至反應結束出料等過程都是人工操作，每天需要操作人員20 人。

2.4 發展方向

連續酸解與間歇酸解相比較，具有酸解尾氣易處理，占地面積小，自動化水平高、操作環境好等優勢，是一種可供選擇的工藝路線，但當前運行中出現能耗高，噸鈦白比間歇酸解多用電146.4kWh，反應器內兩套平行軸漿葉易磨損，影響運行時間和需要增加維護費用，上述二個問題影響到連續酸解的推廣和應用。據國外文獻介紹［1］有鈦礦多級循環多段連續酸解、鈦礦雙循環兩段連續酸解和鈦礦兩級循環連續一段酸解工藝等，也許其方法對降低噸鈦白能耗等會有帶動，應予以關注。

3 結語

連續酸解在國內應用有近十年，現在運行的生產企業有3 家。本文對間歇酸解與連續酸解兩種工藝進行比較，期望能取長補短，降低能耗，提高技術水平。

困擾傳統間歇酸解工藝的酸解尾氣的處理問題，現應用武漢某公司專利技術，能得到較為滿意的解決。間歇酸解雖然一次投資高一些，而能耗低，總的產品成本低，因此仍被國內外鈦白企業采用，做為主流生產工藝;但存在占地面積大，自動化水平較低和生產環境較差的缺陷，還有待解決。

連續酸解工藝具有生產連續性，生產效率高，尾氣處理簡便，自動化水平高和占地面積小等優點，是酸解工藝未來的發展方向，當前要解決能耗高和設備易損問題，才能被更多業主接受。

1 龔家竹. 硫酸法鈦白生產酸解工藝技術的回顧與展望［J］. 無機鹽工業，2014，(7).

2 唐振寧. 鈦白粉的生產與環境治理［M］. 北京:化學工業出版社，2000.

3 羅志強. 連續酸解技術在硫酸法鈦白中的應用［J］. 無機鹽工業，2012，(3).

4 唐文騫，侯益民. 鈦白生產工藝設備技術分析及進展［J］.化工設計，2005，(5).

5 張益都. 硫酸法鈦白粉生產技術創新［M］. 北京:化學工業出版社2010.