新型熱管技術在鈦白粉轉窯煅燒尾氣余熱利用上的應用

高增麗，李化全

(1.山東理工大學 材料科學與工程學院 山東 淄博 255000；2.山東東佳集團股份有限公司，山東 淄博 255049)

目前，我國鈦白粉生產過程中，偏鈦酸在回轉窯煅燒時，產生大量的高硫、高濕的尾氣，其中的硫氧化物與水蒸氣結合后即形成硫酸蒸汽。當轉窯尾部受熱面的金屬壁面溫度低于硫酸蒸汽的凝結點(稱為酸露點)，就會在其表面形成液態硫酸(稱為結露)。長期以來，換熱器的受熱面由于結露而引起的腐蝕時常發生[1]。以至目前在轉窯設計時不得不通過提高排煙溫度或使用傳熱極差的非金屬材料(如搪瓷管)來緩解結露和腐 蝕現象的產生。而單純提高排煙溫度又勢必造成大量能源的浪費[2]。盡管如此，因為在運換熱器實際運行過程中生在鈦白粉生產工藝過程中，偏鈦酸需要在回轉窯內完成煅燒，形成鈦白粉，在煅燒的過程中，產生高溫、高濕的廢氣，并伴隨酸霧、硫氧化物、鈦白粉粉塵、水蒸氣以及一些不凝性氣體等，尾氣在高溫段(>400℃)的余熱利用后，煙氣的溫度降至280～320℃左右，對于此溫度段的尾氣余熱，由于溫度較高，尾氣量較大，每生產1 t鈦白粉，尾氣排放量約有15000 m3，所含熱量非常可觀。但是由于尾氣中含有酸性氣體二氧化硫，因此尾氣的露點上升，一般在200℃[3]左右，隨著露點溫度的升高，尾氣很容易在金屬產線負荷的調整導致溫度的變化，往在運行一到兩年后依舊會出現腐蝕孔。

鈦白粉煅燒尾氣在金屬換熱器上凝結成霧后，加劇對換熱器的腐蝕，縮短換熱器的壽命，本文介紹了一種徑向熱管技術在鈦白粉煅燒轉窯尾氣余熱利用上的應用。

1 傳統鈦白粉煅燒轉窯高硫、高濕尾氣利用方式

為了充分利用鈦白粉煅燒轉窯280～320℃左右的尾氣余熱，企業嘗試了多種方法。

1.1 煅燒尾氣余熱用于濃縮工藝生產過程產生的廢酸

在鈦白粉的生產過程中，產生廢酸，由于產生的廢酸濃度較低，如果讓廢酸具有使用價值，需要進行濃縮。在鈦白粉的生產工藝中，企業嘗試利用280～320℃左右的煅燒尾氣余熱來進行濃縮廢酸，但是由于濃縮后的廢酸不能重新用于鈦白粉的生產工藝，盡管其具有使用價值，但是需要另外尋客戶，因此，這種余熱利用方式，對于鈦白粉生產企業來說，經濟價值不大。

1.2 煅燒尾氣余熱用于產生蒸汽

由于在鈦白粉的生產過程中需要使用大量的蒸汽，一方面煅燒尾氣余熱利用存在難度，直接進入下一工序噴水除酸、除塵，直接浪費，或者用于產生經濟價值不大濃縮廢酸[4]，另一方面又必須為產生大量使用的蒸汽付出巨額的能源支出代價，因此，一些企業開始嘗試將煅燒尾氣余熱用于產生蒸汽，主要的利用方式為導熱油技術和重力熱管技術[5]。

導熱油工質換熱技術[6]是利用導熱油作為取熱工質，在圖1中的去熱器中，將鈦白粉煅燒尾氣的余熱取出用于加熱導熱油，加熱后的導熱油通過循環油泵打入蒸發器，在蒸發器中導熱的熱量用于產生蒸汽，導熱油自身的熱量降低后，在通過循環油泵進入取熱器，如此循環。這種技術實現了鈦白粉轉窯煅燒尾氣的大部分余熱的利用，但是由于導熱油工質的導熱能力有限，導致余熱回收設備龐大，同時，由于必須存在導熱油的循環管路，因此，管路與設備比較復雜。

圖1 導熱油工質換熱技術

熱管換熱技術是利用工質相變完成熱量傳遞的過程，由于在相變的過程中工質釋放或者吸收大量的熱量，因此這種熱管換熱技術比普通的換熱器具有更高的換熱效率。考慮這種熱管技術的高效換熱，企業開始利用重力熱管技術的高效相變換熱進行鈦白粉煅燒尾氣余熱的回收，用于產生蒸汽，具體過程見圖2[7]，鈦白粉煅燒尾氣垂直橫掠過豎直放置的熱管的蒸發段，熱管內的介質受熱后變成氣態后通過熱管上升至熱管的冷凝段，在冷凝段沒外邊流動的水冷卻，重新凝結成液體后在重力的作用下回到蒸發段，如此循環，而在冷凝段外邊流動的水被熱管內工質相變釋放出的熱加熱，用于產生鈦白粉生產工藝所需的蒸汽，完成鈦白粉煅燒尾氣的余熱利用。

圖2 重力熱管技術

通過熱管技術的換熱過程我們可以看出，在熱管的冷凝段和蒸發段，溫度的變化較大，因此，熱管承受的溫度應力比較大，這是影響熱管壽命的一個原因；另一方面，由于這種熱管具有單層管壁，一旦溫度的控制低于尾氣的露點，尾氣就開始在熱管外壁上凝結，形成酸，開始對單層管壁的腐蝕，一旦某一部位被腐蝕穿透，熱管就報廢，因此單層管壁容易被蝕穿，是熱管縮短壽命的另一個原因。因此，盡管這種技術在換熱方面的高效性，但是由于壽命短，更換頻繁，在更換熱管時，為了不影響尾氣的正常排放，還需要設置排煙旁路，增加了現場煙道布置的復雜性。

2 新型徑向熱管換熱技術

對于重力熱管換熱技術，換熱工質的運動路徑是沿軸向的，因此這種熱管換熱在軸向方向上溫度變化比較大。為了解決軸向方向上溫度變化的問題，一種新型徑向熱管開始應用在鈦白粉煅燒轉窯尾氣的余熱利用上，見圖3。這種徑向熱管換熱器是由兩根直徑不同的管道套裝在一起，內管和外管之間存在空隙，換熱工質存在于此空隙，內管內流動取熱介質，熱風從下側橫掠過熱管，將液池內的換熱工質加熱氣化后上升，在上升過程中橫掠內管內的取熱介質，冷卻后凝結，在重力作用下重新回流到液池，在凝結的過程中釋放潛熱，加熱內管流動的取熱介質-水，最終產生鈦白粉生產工藝所需的水蒸氣。從換熱的原理上看，這種熱管換熱與重力熱管換熱原理相似，但是從溫度分布上，這種熱管換熱要均勻的多，不會產生大的溫度應力，而且由于是雙層管，即使外層管被蝕穿，內層管取熱還可以運行，壽命更長；此外，這種換熱器可以相互連接，形成蛇形管狀，見圖4，蛇形管的直管段為熱管套管，連接彎頭為單層內管，單層彎頭不接觸煅燒尾氣，減少蝕穿風險，各直管套管彼此獨立，一段套管出現問題，不影響另一段套管的運行。這種熱管熱管換熱器安裝也比較靈活，可以適用于水平煙道，也適用于豎直煙道，如果做成抽屜式，在更換時更為方便。

圖3 徑向熱管換熱技術

圖4 蛇形管式徑向熱管換熱器

3 結論

(1)鈦白粉煅燒尾氣因為高硫、高濕，其余熱的利用一直存在很大的難度，將尾氣余熱用于濃縮廢酸，因為濃縮后的廢酸對鈦白粉生產工藝意義不大，逐漸被淘汰。企業開始嘗試將尾氣余熱用于產生蒸汽，主要的利用技術為導熱油技術和重力熱管利用技術，導熱油技術由于導熱油的傳熱能力有限，設備龐大；重力熱管技術因為其高效的換熱能力，開始用于鈦白粉煅燒尾氣的余熱利用，但是壽命短，更換頻繁，安裝受到場地的限制。

(2)徑向熱管換熱技術是一種新型的熱管換熱技術，具備雙層管，因而壽命比單層管的壽命要長的多，在管的軸向上，溫度均勻，蛇形管式徑向熱管換熱器安裝不受煙道限制，抽屜式蛇形管徑向熱管換熱器更換方便，不影響生產，也不必另外設置尾氣排放旁路。