機械閃蒸式降溫結晶技術在鈦白粉生產中的應用

尹海蛟 夏君君， 全曉宇 彭 濤 唐 昊 于會滿

（1.天津樂科節能科技有限公司；2.江蘇樂科節能科技股份有限公司）

我國是鈦白粉的生產與消費大國，2018 年全國鈦白粉總產量近340 萬噸，產量雄踞世界首位［1］。鈦白粉生產工藝包括硫酸法和氯化法，我國的鈦白粉生產主要以硫酸法為主。 鈦白粉生產是一個高耗能過程，生產能耗約占鈦白粉生產總成本的20%～25%［2］，節能降耗已成為鈦白粉生產企業重點關注的問題。 鈦白粉生產過程能耗主要集中于亞鐵真空結晶、鈦液濃縮、廢酸濃縮及水解等工序［3～5］。傳統的鈦液結晶大多采用蒸汽噴射真空結晶法，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晶新方法，旨在解決傳統鈦液結晶方法中存在的弊端，降低鈦白粉生產企業的能源費用，促進鈦白粉行業的清潔與可持續發展。

1 傳統鈦液降溫結晶方法及存在的問題

1.1 蒸汽噴射真空降溫結晶法

傳統的蒸汽噴射真空降溫結晶系統（圖1）由噴射器、大氣冷凝器及真空泵等組成［6］。為了維持系統內的高真空， 系統采用雙級蒸汽噴射方式，系統運行時通過高壓（3～7bar，1bar=0.1MPa）產生蒸汽驅動蒸汽噴射泵運行，在噴射泵的文丘里效應下，高壓蒸汽引射結晶釜內的二次蒸汽，結晶器內壓力降低，當釜內壓力降至鈦液溫度對應的飽和壓力時，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晶系統示意圖

鈦液的常壓沸點一般在10～13℃， 鈦液降溫至18℃時結晶器內部壓力僅1kPa 左右， 蒸汽噴射泵在此工況下的引射系數僅為0.30～0.35，即蒸汽噴射泵從結晶釜內每抽吸出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 冷凍水降溫結晶法

鈦液冷凍水降溫結晶法通常采用吸收式或機械壓縮式冷水機組制取冷凍水，將冷凍水通至結晶器夾套或內置盤管中，通過間壁冷卻方式對鈦液進行降溫結晶。 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，導致系統降溫速率變慢，同時壁面晶垢還需人工清理，降低了降溫結晶生產效率，冷凍水法降溫結晶時間通常為每釜8～10h。

2 機械閃蒸式真空降溫結晶技術原理及核心裝備

2.1 機械閃蒸真空降溫結晶技術原理

機械閃蒸降溫結晶方法本質上屬于真空閃蒸降溫結晶，其系統如圖2 所示。 系統采用大流量容積式壓縮機作為結晶器的抽氣閃蒸設備，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內的不凝性氣體。結晶器內的溶劑在真空條件下絕熱閃蒸汽化，溶液降溫放熱和溶質結晶放熱由溶劑蒸發汽化吸熱所平衡。

圖2 機械閃蒸式鈦液降溫結晶系統示意圖

2.2 機械閃蒸式降溫結晶技術特點

與傳統降溫結晶方法相比，機械閃蒸式降溫結晶技術具有如下特點：

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

b. 系統乏汽冷卻負荷小，系統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變的熱量，冷卻水消耗量少，冷卻水配套設備運行能耗低。

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

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

e. 系統采用壓縮機變頻調速技術，可根據硫酸亞鐵結晶特性對鈦液降溫速率進行精確控制，系統具備較強的變容量調控能力，操作彈性強。

2.3 系統核心裝備

壓縮機是機械閃蒸降溫結晶系統的核心設備，其性能優劣直接關系到系統降溫速率和系統能耗水平。 降溫結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、進汽質量、壓縮比及壓縮功等參數均在時刻變化，二次蒸汽的流態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，這要求系統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 為天津樂科節能科技有限公司研發的LC200 型機械閃蒸式降溫結晶系統專用配套壓縮機，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 機械閃蒸降溫結晶系統配套的羅茨壓縮機

3 項目案例及應用效果分析

3.1 項目基本情況

采用機械閃蒸降溫結晶技術對某大型鈦白粉生產企業的傳統蒸汽噴射降溫結晶系統進行了節能改造。采用LC200 型粘滯流壓縮機替代原系統二級蒸汽噴射泵，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，在壓縮機前設置高效氣液分離器。 圖4 為本項目改造完成后的項目現場情況。

圖4 鈦液機械閃蒸降溫結晶項目實景

改造前、后系統的主要設備及其相關參數見表1。

表1 改造前、后系統主要設備及其相關參數

3.2 項目運行情況

本項目于2018 年初改造完成并投運， 自投運以來系統運行穩定。 夏季工況 （環境溫度約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，單釜物料降溫結晶總耗時約2h，較原蒸汽噴射系統每釜用時平均縮短約20～30min。改造后系統平均日處理9～10 釜，單套系統鈦白年產量約11 000t。

3.3 項目節能效果

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

3.3.1 節能改造前

經測試，原蒸汽噴射系統單釜降溫結晶的耗汽量為7.56t， 附屬配套設備總耗電功率為165kW，單釜運行平均用時為每批2.5h。

單釜鈦液降溫結晶總耗費：

7.56×150+165×2.5×0.75=1443.4 元

每噸鈦白降溫結晶耗費：

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 節能改造后

經測試，節能改造后機械閃蒸降溫結晶系統的單釜運行時間約2h， 附屬配套設備總功率為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。

單釜鈦液降溫結晶總耗費：

（150×1.5+125×2）×0.75=356.3 元

每噸鈦白降溫結晶耗費：

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

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

4 結束語

近年來我國鈦白粉產業發展迅猛，但傳統生產工藝存在能耗高、污染大等問題，隨著環保問題的日益嚴峻，探索節能環保型鈦白生產工藝已成為鈦白粉行業的重要課題。 機械閃蒸式降溫結晶技術為鈦白粉行業提供了一種節能環保的鈦液降溫結晶新途徑，該技術以電力作為系統驅動能源，這在環保壓力逐步增大、蒸汽能源供應日趨緊張的環境下，可使鈦白粉生產企業擺脫蒸汽供應、蒸汽價格等問題的困擾。 工程實踐結果表明， 鈦液機械閃蒸降溫結晶技術具有運行能耗低、降溫速率快、生產效率高及無二次水污染等優勢，在以鈦白粉為代表的無機鹽行業具有廣闊的市場應用前景。