攀西鈦精礦浮選試驗(yàn)生產(chǎn)線熱泵烘干工序優(yōu)化及其環(huán)境技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

周道選，黃洋清，張文凱

(1.攀枝花鋼城集團(tuán)瑞通制冷設(shè)備有限公司，四川 攀枝花 617023；2.西安大音環(huán)保科技有限公司，陜西 西安，710065)

攀西地區(qū)蘊(yùn)藏的鈦資源極其豐富，現(xiàn)已探明鈦資源儲(chǔ)量（以TiO2計(jì)算）約占全國(guó)鈦資源總儲(chǔ)量的90.5%。近年來(lái)，隨著浮選藥劑不斷升級(jí)換代，攀西地區(qū)鈦精礦產(chǎn)量出現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，浮選烘干工序同步面臨著諸多問(wèn)題亟待改進(jìn)。目前浮選鈦精礦常用干燥設(shè)備有回轉(zhuǎn)干燥機(jī)、豎式干燥器和隧道窯等，一般使用煤炭、生物質(zhì)、煤氣、天然氣等作為燃料，燃燒的煙氣排放前需要進(jìn)行脫硫和脫硝處理；同時(shí)，直接烘干過(guò)程中因物料翻動(dòng)產(chǎn)生的大量粉塵,需要進(jìn)行除塵處理，導(dǎo)致收塵布袋更換頻繁，無(wú)形中增加了烘干運(yùn)行成本；此外，因烘干過(guò)程溫度較高，不僅造成物料中的浮選藥劑遇熱分解或揮發(fā),嚴(yán)重污染當(dāng)?shù)丨h(huán)境;而且高溫干燥熱能會(huì)通過(guò)煙氣、回轉(zhuǎn)窯筒體和物料大量流失，因無(wú)法有效回收利用而白白浪費(fèi)。故在滿足鈦精礦產(chǎn)品低成本、高品質(zhì)、含水率低的市場(chǎng)需求基礎(chǔ)上，現(xiàn)階段生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中摸索出一套新型節(jié)能環(huán)保烘干工藝流程，達(dá)到既可提高熱能利用率，又能除塵、降低尾氣異味，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，推動(dòng)行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫。

基于此，本文從浮選藥劑的組成和理化特性、水源熱泵的工作原理以及應(yīng)用于鈦精礦烘干工藝原理、理論計(jì)算、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、能耗及尾氣處理方式等方面著手進(jìn)行分析研究，利用高效節(jié)能水源熱泵的低溫真空連續(xù)干燥技術(shù)，通過(guò)攀鋼集團(tuán)瑞通公司自建生產(chǎn)線進(jìn)行烘干工藝流程試驗(yàn)所得驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行分析比較，從中優(yōu)化出一套能夠提高浮選鈦精礦烘干熱利用效率及節(jié)能除味減排的環(huán)保工藝流程，以期為攀西鈦精礦的綜合回收利用成功探索出一條新的可行途徑[1]。

1 攀西地區(qū)鈦精礦浮選藥劑主要組成及理化特性分析

攀西地區(qū)鈦精礦的浮選工藝[2]，傳統(tǒng)工序流程一般順序是先浮硫化物，再浮鈦鐵礦。通常選擇H2SO4作為pH調(diào)整劑、黃原酸鹽（俗稱(chēng)黃藥）作為捕收劑、松醇油作為起泡劑，用于浮選硫化物；以H2SO4作為pH調(diào)整劑或活化劑，使用烴油與MOS或R2作為捕收劑，用于浮選鈦精礦。在浮選過(guò)程中，硫酸與鈦精礦捕收劑MOS或R2藥劑用量雖較大，但因易溶于水，氣味較小；而其他浮選藥劑盡管用量相對(duì)較少，但異味較重。因此，在低溫真空密閉條件下烘干浮選鈦精礦，必須相應(yīng)減少浮選藥劑的蒸發(fā)量或?qū)⑸倭空舭l(fā)藥劑冷凝溶于水中才能消除或降低尾氣排出異味。

2 水源熱泵的工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

水源熱泵是依據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，采用電能驅(qū)動(dòng)，通過(guò)制冷劑吸收地下水、江湖水、海水、城市生活污水和工業(yè)廢水等低品位熱能，提升為可用的高品位熱能加熱處理水的設(shè)備。其主要技術(shù)特點(diǎn)在于能從自然界的空氣、水、土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過(guò)少量電能做功轉(zhuǎn)為可被利用的高位熱能。與常規(guī)烘干技術(shù)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）節(jié)能高效。熱泵烘干系統(tǒng)加熱介質(zhì)的熱量主要來(lái)源于室外空氣和回收高溫高濕的干燥廢氣的顯熱和潛熱，只需消耗較少的功就可以獲得較多的熱量，通常能效比在4以上，可比傳統(tǒng)的電烘干節(jié)省60%～70%的能耗成本。

（2）溫濕度可調(diào)，烘干物料品質(zhì)佳。一般熱泵烘干系統(tǒng)溫度在20℃～65℃，相對(duì)濕度在15%～80%之間可調(diào)。較寬的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍能夠滿足不同的熱泵干燥環(huán)境條件，根據(jù)干燥對(duì)象特性，相應(yīng)調(diào)節(jié)出烘干系統(tǒng)合適的蒸發(fā)和冷凝溫度，使其干燥過(guò)程接近自然干燥，從而能夠保證被烘干物料的品質(zhì)。

（3）衛(wèi)生環(huán)保。熱泵烘干設(shè)備可做成不直接與室外環(huán)境接觸的密閉式結(jié)構(gòu)，從而不僅能夠防止物料中的粉塵、有毒和揮發(fā)性異味物質(zhì)泄漏污染周邊環(huán)境。而且可保證物料的清潔衛(wèi)生。

（4）結(jié)構(gòu)形式多樣。熱泵干燥裝置既可與對(duì)流型和導(dǎo)熱型干燥室等相結(jié)合，也能與熱風(fēng)干燥、微波干燥以及紅外干燥等組合成混合式干燥裝置，以滿足不同的干燥物料所需的烘干環(huán)境。

（5）環(huán)境技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合效益佳[4]。具體對(duì)比如表1所示。

表1 熱泵與其它熱源烘干工藝設(shè)備環(huán)境技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益比較：每千克（kg）水

3 水源熱泵-低溫真空連續(xù)烘干工藝原理及理論計(jì)算

3.1 工藝原理

本文介紹的水源熱泵連續(xù)烘干礦粉工藝是熱泵-低溫真空連續(xù)干燥技術(shù)在攀西鈦精礦烘干工藝中的具體推廣應(yīng)用，其運(yùn)行設(shè)備主要由水源熱泵、能量平衡系統(tǒng)、真空干燥機(jī)、冷凝器、緩沖罐、真空泵和冷熱循環(huán)泵等組成。該工藝通過(guò)熱泵消耗少量電能可生產(chǎn)出50℃～60℃熱水及10℃～28℃冷水（熱源水）。其中熱水進(jìn)入真空干燥機(jī)加熱鈦精礦至50℃～60℃，隨著真空干燥機(jī)內(nèi)氣壓降至絕對(duì)壓力3kPa～10kPa，鈦精礦中的水分不斷被汽化。水蒸氣伴隨真空泵吸力進(jìn)入蒸汽冷凝器，依靠熱泵冷水（熱源水）不斷將水蒸氣進(jìn)行冷凝析出。

3.2 系統(tǒng)理論計(jì)算

一般情況下，浮選鈦精礦濕料含水率為10%，干料要求含水率小于0.5%。水源熱泵消耗少量電能生產(chǎn)60℃熱水，熱水經(jīng)干燥機(jī)與鈦精礦濕料換熱后降至50℃，此時(shí)浮選鈦精礦溫度可從20℃上升至50℃，含水率降至0.5%。根據(jù)所選鈦精礦的溫度對(duì)應(yīng)的水的汽化潛熱和比熱容，分別如表3、4所示，理論計(jì)算分析出浮選鈦精礦干燥處理量1000kg/h時(shí)所需的熱量變化。

表2 比熱容表

表3 水的汽化潛熱表

顯熱：Q1=C·M（t2-t1）

式中Q1—物體吸收顯熱熱量（J），M—物體的質(zhì)量（kg），

t1—物體的起始溫度（℃），t2—物體的終了溫度（℃），

C——物體的比熱容{J/（Kg·℃）}

潛熱：Q2=M·R

式中M——物體的質(zhì)量（kg），R——汽化熱（KJ/kg）

總熱：Q=Q1+Q2

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)鈦精礦烘干產(chǎn)量為1000kg/h時(shí)，小時(shí)所需總熱量186347.5kJ。換算為制熱功率為51.76kw。

按換熱效率80%、能效比4計(jì)算，熱泵的輸入功率：16.2kw，熱泵烘干過(guò)程中噸礦電能耗：17.33kWh/t。

理論計(jì)算數(shù)據(jù)分析顯示：

（1）在50℃恒溫水浴、10kPa絕對(duì)壓力的低溫真空干燥試驗(yàn)下，鈦精礦最終含水率可以降至0.5%以下。

（2）熱源溫度、干燥真空度、熱質(zhì)傳遞效率是提高干燥效率的重要因素。

（3）依據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，系統(tǒng)制熱能效6.9375，系統(tǒng)制冷能效5.9375。

4 工藝試驗(yàn)應(yīng)用案例

4.1 工藝流程

以瑞通公司自建鈦精礦烘干處理量300kg/h熱泵連續(xù)烘干礦粉試驗(yàn)生產(chǎn)線為例，其工藝流程如圖1所示。

圖1 浮選攀西鈦精礦電驅(qū)動(dòng)水源熱泵系統(tǒng)低溫真空連續(xù)烘干試驗(yàn)生產(chǎn)線工藝流程示意圖

系統(tǒng)采用一臺(tái)制熱量69.6kw水源熱泵機(jī)及一套烘干能力300kg/h真空干燥機(jī)組。在-0.08MPa真空工作壓力下，水源熱泵消耗少量電能生產(chǎn)60℃熱水及12℃冷水。熱水經(jīng)熱水循環(huán)泵、水源熱泵及干燥機(jī)換熱系統(tǒng)，加熱烘干干燥機(jī)中浮選鈦精礦的物料，并將物料含水率降至0.5%以下，水源熱泵熱水進(jìn)出水溫分別為50℃/60℃。冷水經(jīng)冷水循環(huán)泵、水源熱泵、冷凝器換熱，降溫冷卻冷凝蒸發(fā)水蒸氣，凝結(jié)水收集至冷凝器及緩沖罐底部?jī)?chǔ)液罐，少量不凝氣體外排。水源熱泵冷水進(jìn)出水溫12℃/28℃。在真空干燥過(guò)程中，系統(tǒng)充分利用水源熱泵的熱水和冷水熱量用于加熱烘干浮選鈦精礦，以及冷卻冷凝蒸發(fā)水蒸氣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。

4.2 工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性、可靠性及浮選鈦精礦烘干能力，在-0.08MPa真空條件下，生產(chǎn)線分別進(jìn)行了批次和連續(xù)烘干工藝對(duì)比試驗(yàn)研究，其中試驗(yàn)1為批次烘干試驗(yàn)，試驗(yàn)2～5為連續(xù)烘干試驗(yàn)。按照當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.5CNY/（kw·h）計(jì)算，運(yùn)行能源成本分別如表4、5、6所示。

表4 烘干系統(tǒng)能源總成本

表5 水源熱泵及泵能源成本

表6 輔助機(jī)械系統(tǒng)能源成本

4.3 節(jié)能影響因素分析

由上述工藝試驗(yàn)運(yùn)行能源成本數(shù)據(jù)可知，在系統(tǒng)設(shè)置固定不變的條件下，水源熱泵能耗、輔助機(jī)械設(shè)備能耗、濕料含水率是影響連續(xù)烘干能耗的三個(gè)主要因素。

在能耗方面，水源熱泵噸礦烘干能耗略高于理論值，趨近于設(shè)計(jì)值。整個(gè)系統(tǒng)中的主要能耗體現(xiàn)在水源熱泵，占比高達(dá)55%～61%。生產(chǎn)試驗(yàn)線熱泵配置功率偏大且無(wú)變頻調(diào)節(jié)。現(xiàn)場(chǎng)熱泵制熱量能滿足1T/h干燥需求，在無(wú)變頻調(diào)節(jié)的情況下，將會(huì)造成熱泵啟停頻繁，電耗增加（熱泵啟動(dòng)電流是運(yùn)行電流的6～7倍）。試驗(yàn)生產(chǎn)線熱泵能效較低。現(xiàn)場(chǎng)水源熱泵能效只有3.1，而大型螺桿式水源熱泵能效一般在5.1以上，因此在規(guī)模化運(yùn)行生產(chǎn)后，水源熱泵噸礦電耗還有40%節(jié)能空間。試驗(yàn)線配置的小型干燥機(jī)機(jī)體長(zhǎng)度不夠，物料在機(jī)體內(nèi)停留時(shí)間短，存在反復(fù)運(yùn)行烘干時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致熱泵低工況運(yùn)行能耗增加。浮選鈦精礦濕料含水率一般為7%～13%，濕料含水率越高，系統(tǒng)烘干所需的能耗也會(huì)同步提高。

此外，真空泵無(wú)法變頻且超過(guò)產(chǎn)量匹配，以及上料端氣動(dòng)閥開(kāi)關(guān)頻率影響到系統(tǒng)真空度，均會(huì)增加系統(tǒng)機(jī)械能耗。

5 結(jié)果分析與討論

從上述理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果分析比較可看出，浮選攀西鈦精礦試驗(yàn)生產(chǎn)線能夠根據(jù)不同需求方便快捷地調(diào)整烘干水分，自動(dòng)化程度高，因而可大幅降低人工成本。烘干工序基于電驅(qū)動(dòng)水源熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)，工藝安全可靠，能耗明顯低于以燃?xì)夂陀妥鳛楹娓蔁嵩吹膫鹘y(tǒng)烘干工藝，同時(shí)避免了煤氣或燃料煙氣泄露及爆炸風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)直接烘干工藝相比，生產(chǎn)線工藝流程有效利用低溫真空連續(xù)烘干技術(shù)，由于采用間接烘干方式，不存在煙氣或熱氣與物料直接接觸，熱傳導(dǎo)不會(huì)影響物料組分，因而能夠保證被烘干處理物料的品質(zhì)。其工藝干燥處理設(shè)備選取低溫真空全密閉式結(jié)構(gòu)，可使浮選鈦精礦加熱烘干和蒸發(fā)水蒸氣的冷卻冷凝，能夠充分利用水源熱泵的熱水和冷水所含的熱量。這樣不僅可有效地減少空氣流通需消耗的熱能和機(jī)械能，進(jìn)一步提高設(shè)備能源利用率，而且不排放污染物及異味，尾氣無(wú)需脫硫脫氮處理，從而可大幅度降低除塵及尾氣處理工序的生產(chǎn)成本。此外，低溫水汽經(jīng)冷凝產(chǎn)生的凝結(jié)水也可循環(huán)利用。以攀西地區(qū)鈦精礦烘干能源費(fèi)約56.5元（不含稅和運(yùn)費(fèi)）計(jì)，該試驗(yàn)生產(chǎn)線新工藝流程能源總成本節(jié)能率可達(dá)到44.4%。與盡管同屬于間接烘干方式，但工序流程采用低溫真空批次烘干工藝相比，由于批次烘干屬于間歇干燥，需要頻繁進(jìn)行人工加料、抽真空、供熱、調(diào)溫、破真空、出料等操作，當(dāng)浮選鈦精礦干燥過(guò)程需要維持較長(zhǎng)時(shí)間真空狀態(tài)時(shí)，則需額外配置真空抽泵和維持泵。基于上述的比較，可知低溫真空連續(xù)烘干技術(shù)具有浮選鈦精礦品質(zhì)和產(chǎn)量高、能耗和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，浮選攀西鈦精礦試驗(yàn)生產(chǎn)線選擇電驅(qū)動(dòng)水源熱泵系統(tǒng)，采用低溫真空連續(xù)烘干工藝流程，可取得良好的節(jié)能減排效果。不足之處在于當(dāng)前公司生產(chǎn)線新工藝流程設(shè)備占用面積比較大，初期投資成本相對(duì)較高，在真空狀態(tài)下，由于其低溫干燥機(jī)無(wú)法大型化，致使其單臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能相對(duì)有限。不過(guò)我們相信隨著真空低溫干燥技術(shù)的不斷發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，未來(lái)能源價(jià)格上漲而引起系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)一步攀升，上述設(shè)計(jì)缺陷將會(huì)逐漸得到彌補(bǔ)，新工藝流程的綜合競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)必更趨凸顯。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文推薦的一套基于電驅(qū)動(dòng)水源熱泵系統(tǒng)低溫真空連續(xù)烘干生產(chǎn)線工藝流程，立足區(qū)域特色，采用間接烘干方式浮選攀西鈦精礦，技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合效益良好，環(huán)保節(jié)能降耗減排效果顯著，具有重要的行業(yè)應(yīng)用推廣價(jià)值。