氯化鈦白關(guān)鍵技術(shù)分析

余 洋

（神華工程技術(shù)有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230001）

鈦白粉是當(dāng)前我國(guó)染料中應(yīng)用較為廣泛的物質(zhì)之一，被廣泛應(yīng)用于涂料業(yè)和塑料業(yè)。世界上大多數(shù)鈦白礦均用來生產(chǎn)鈦白粉，以滿足涂料業(yè)和塑料業(yè)的發(fā)展需求。生產(chǎn)鈦白粉的方式一共有兩種，本研究專注于氯化法，此方法在生產(chǎn)鈦白方面更有優(yōu)勢(shì)，因此得到廣泛應(yīng)用，成為世界范圍內(nèi)生產(chǎn)鈦白的主要方法之一。當(dāng)前，國(guó)外的氯化鈦白生產(chǎn)技術(shù)較為先進(jìn)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鈦白的方式還處于發(fā)展階段，只能滿足我國(guó)3%的需求。因此，此項(xiàng)技術(shù)需要得到優(yōu)化，確保我國(guó)鈦白粉的質(zhì)量可滿足社會(huì)的需求，進(jìn)而順利開展后續(xù)工作。

1 氯化鈦白技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工藝特點(diǎn)

1.1 氯化鈦白技術(shù)發(fā)展

氯化法生產(chǎn)鈦白的方式主要包括水解法、氣相水解法、氣相氧化法3類，目前，形成規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)的方法為氣相氧化法。該技術(shù)最早出現(xiàn)在德國(guó)，美國(guó)公司參與了研究。在實(shí)驗(yàn)過程中，日產(chǎn)可以達(dá)到35 t，后來的30年陸續(xù)有企業(yè)加入鈦白生產(chǎn)工作，該技術(shù)也得到了穩(wěn)定發(fā)展。氯化法生產(chǎn)鈦白相比硫酸提取的方式更有優(yōu)勢(shì)，可以生產(chǎn)出高端的鈦白原料，且整體產(chǎn)生的廢物較少。如果選擇硫酸法提取，后續(xù)產(chǎn)生的廢物較多。此外，采用氯化法生產(chǎn)鈦白的流程較短、整體技術(shù)含量較高，產(chǎn)品較為優(yōu)異，市場(chǎng)前景廣闊[1]。

1.2 氯化鈦白生產(chǎn)工藝特點(diǎn)

鈦白粉的生產(chǎn)設(shè)備體積較小，但是生產(chǎn)力較強(qiáng)，可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；生產(chǎn)時(shí)間不受限制，但是中間不能停止工作，也不能儲(chǔ)存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。此工藝的可靠性較強(qiáng)，自動(dòng)化程度較高，協(xié)調(diào)控制能力較強(qiáng)，精準(zhǔn)度也能保證，符合目前的工業(yè)發(fā)展需求；缺陷在于技術(shù)難度較高。在應(yīng)用氯化鈦白生產(chǎn)工藝的過程中，動(dòng)力和原料可形成自動(dòng)化管理目標(biāo)，無需人工操作。如果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)故障，后續(xù)流程很難順利進(jìn)行。由此可見，此項(xiàng)生產(chǎn)工藝處于完全自動(dòng)化的狀態(tài)，在開展工作前，應(yīng)該確保設(shè)備的質(zhì)量。

2 氯化鈦白生產(chǎn)方法

2.1 氯化鈦白生產(chǎn)工藝流程

采用硫酸法生產(chǎn)鈦白時(shí)，首先，要將濃度較高的硫酸溶液與鈦礦或鈦渣混合，讓其進(jìn)行綜合分解，將鈦礦轉(zhuǎn)化為鈦液；其次，結(jié)合凈化加工工序，對(duì)其進(jìn)行水解，生成偏鈦酸和少量硫酸氧鈦，偏鈦酸煅燒后產(chǎn)生需要的晶型鈦白粉。

氯化法的具體使用流程：首先，要準(zhǔn)備好生產(chǎn)鈦白的原料，可以是天然金紅石、人造金紅石，也可以是高鈦渣；其次，進(jìn)行氯化反應(yīng)，得到純度較高的四氯化鈦，此類四氯化鈦的精度較好；最后，進(jìn)行氧化反應(yīng)，得到二氧化鈦成品。

2.2 氯化鈦白的制備原理

2.2.1 氯化精制

外購(gòu)石油焦儲(chǔ)存于石油焦庫(kù)內(nèi)，噸包石油焦由自動(dòng)開包機(jī)開包后暫存，然后送至干燥機(jī)內(nèi)烘干，再經(jīng)倉(cāng)泵送至氯化工序的石油焦儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)暫存，最后經(jīng)石油焦計(jì)量秤送至混合槽。從界區(qū)外運(yùn)進(jìn)的高鈦渣儲(chǔ)存于4臺(tái)筒倉(cāng)和高鈦渣庫(kù)內(nèi)，高鈦渣通過大傾角皮帶機(jī)送至氯化工序的鈦渣倉(cāng)內(nèi)，再由高鈦渣計(jì)量秤送到混合槽內(nèi)與原料石油焦混合，而后通過倉(cāng)泵將石油焦和高鈦渣混合物氣力輸送至氯化爐，此處氣力輸送的介質(zhì)為氮?dú)狻?/p>

在氯化爐內(nèi)，加入的富鈦料和石油焦、氧化返回的循環(huán)氯氣以及補(bǔ)充的新鮮氯氣在高溫下反應(yīng)生成含TiCl4的混合氣體。在輸送混合氣體的管線內(nèi)多點(diǎn)噴入氯化及精制泥漿使其降溫，并在其后的兩級(jí)旋風(fēng)分離器中分離出固體雜質(zhì)；含TiCl4的混合氣體進(jìn)入后續(xù)四級(jí)淋洗冷凝系統(tǒng)，用粗TiCl4循環(huán)冷卻液將氣態(tài)TiCl4冷凝，廢氣進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)處理，尾氣達(dá)標(biāo)后通過80 m高的煙囪高點(diǎn)排放，粗TiCl4送至精制工序。氯化反應(yīng)的主反應(yīng)式如下：

在精制工序中，在粗TiCl4中加入一定比例的礦物油，經(jīng)強(qiáng)制外循環(huán)加熱后進(jìn)入再沸器，控制溫度和壓力，通過閃蒸使礦物油和粗TiCl4中的VOCl3反應(yīng)生成不溶性VOCl2，TiCl4蒸汽進(jìn)入裝有填料的提純塔，塔頂排出的TiCl4氣體經(jīng)冷凝回收后得精TiCl4，送入精TiCl4貯槽，不凝性氣體送尾氣處理工序處理，含釩泥漿返回氯化工序。

2.2.2 氧化

從精制工序來的精TiCl4用泵連續(xù)送入TiCl4預(yù)熱器，用天然氣間接加熱，預(yù)熱后的TiCl4氣體進(jìn)入AlCl3發(fā)生器，TiCl4和AlCl3混合物進(jìn)入氧化反應(yīng)器。

氧氣經(jīng)氧氣預(yù)熱器用天然氣間接加熱，預(yù)熱后的氧氣導(dǎo)入氧化爐，加入甲苯燃燒，進(jìn)一步提高氧氣溫度。熱氧流進(jìn)入氧化反應(yīng)器與熱TiCl4流迅即混合，反應(yīng)生成TiO2和氯氣。為防止反應(yīng)器壁結(jié)疤，采取“氣幕+噴鹽”防疤、除疤措施。反應(yīng)生成的TiO2懸浮在含氯尾氣中，經(jīng)冷卻導(dǎo)管快速冷卻后，進(jìn)入高溫袋濾器收集，含氯尾氣全部回到氯化工序回收利用。

將收集的TiO2送入打漿槽，用脫鹽水再漿，脫氯后經(jīng)半成品儲(chǔ)庫(kù)緩存后送至后處理工序。

氧化反應(yīng)的主反應(yīng)式如下：

3 氯化鈦白生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備要求

氯化鈦白的生產(chǎn)技術(shù)包括5個(gè)流程和2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，無論是技術(shù)還是流程，都會(huì)對(duì)最終的質(zhì)量造成影響。因此，在生產(chǎn)過程中，相關(guān)操作人員應(yīng)該不斷結(jié)合實(shí)際需求，按照相應(yīng)的步驟操作，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。從5個(gè)工藝環(huán)節(jié)的角度進(jìn)行分析，首先需要注意原料的制取方法，包括離子法、電流法、氯化法，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是氯化法。氯化法還可以分為流態(tài)氯化或者豎爐氯化，氯化的要求較高，因此，在前期選料時(shí)，應(yīng)該選擇質(zhì)量較高的產(chǎn)品，以此通過工藝參數(shù)調(diào)節(jié)氯化過程，改善鈦白生產(chǎn)效果。其次是凈化過程，凈化的主要目的是排除雜質(zhì)。最后是供氧環(huán)節(jié)，供氧的主要目的是為反應(yīng)創(chuàng)造條件。

4 氯化鈦白關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 氧化反應(yīng)器壁面的結(jié)疤處理

當(dāng)前，在我國(guó)氯化鈦白生產(chǎn)技術(shù)中，困擾研究人員的難題是氧化反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)疤問題。此類問題的形成原因是生產(chǎn)過程中的二氧化鈦會(huì)形成細(xì)小的沉淀物，此類物質(zhì)長(zhǎng)期積累就會(huì)形成內(nèi)壁的結(jié)疤現(xiàn)象，后續(xù)還會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器出現(xiàn)各類堵塞問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)工作中斷，同時(shí)內(nèi)部結(jié)疤的情況還會(huì)造成混合料的流動(dòng)問題，后續(xù)鈦白粉的質(zhì)量也會(huì)受到一定影響。鈦白粉在長(zhǎng)時(shí)間燒灼后，產(chǎn)品質(zhì)量不能滿足后端的用戶需求。為了解決此類問題，相關(guān)試驗(yàn)人員可以應(yīng)用噴砂法處理，或者選擇保護(hù)性較強(qiáng)的設(shè)備，以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求[2]。

4.2 氧化反應(yīng)器中的氣流混合

在氯化鈦白生產(chǎn)工作中，控制氧化器的工作極為重要。氧化器是提供生產(chǎn)動(dòng)力的主要設(shè)備，同時(shí)也是影響氯化鈦白質(zhì)量的關(guān)鍵因素。為了加快氧化反應(yīng)速度，很多操作人員會(huì)選擇在其內(nèi)部提高溫度或者增加氧氣，以達(dá)到快速融合的目的。在融合過程中，反應(yīng)器局部會(huì)出現(xiàn)高溫，導(dǎo)致結(jié)疤速度加快。為了規(guī)避以上問題并且使四氯化鈦能以最佳狀態(tài)存在，工作人員需要結(jié)合實(shí)際情況盡可能調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)入的位置，針對(duì)結(jié)疤問題作出改變，提高整體混合效果，滿足混合需求。此方式更適用于氧氣的補(bǔ)給，也符合實(shí)際工作需求。

4.3 控制鈦白粉的產(chǎn)品形態(tài)

鈦白粉一般被應(yīng)用在顏料領(lǐng)域，是目前世界上最好的白色顏料之一。在生產(chǎn)鈦白粉顏料時(shí)，相關(guān)操作人員應(yīng)該結(jié)合實(shí)際需求，盡可能地控制鈦白粉的形態(tài)，以達(dá)到最好的質(zhì)量。鈦白粉顆粒是否細(xì)致會(huì)直接影響其使用性能，還會(huì)影響鈦白粉的特性，因此，需要對(duì)其顆粒度加以控制。高檔次的鈦白粉原料較為高級(jí)，光澤度較高，并且整體穩(wěn)定性較強(qiáng)。所以在應(yīng)用氯化法進(jìn)行鈦白生產(chǎn)時(shí)，首先應(yīng)該了解產(chǎn)品的形成過程和原理，以此作出后續(xù)的分析。

5 氯化鈦白產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)問題分析

5.1 平衡問題

在氯化鈦白生產(chǎn)過程中，氧化技術(shù)和氯化技術(shù)的應(yīng)用是難以平衡的問題，二者同時(shí)應(yīng)用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熱激發(fā)反應(yīng)（也可以將其簡(jiǎn)稱為熱反應(yīng)）。在氯化過程中，滿足穩(wěn)定流態(tài)化具有重要意義，同時(shí)在進(jìn)料方面也要達(dá)到平衡狀態(tài)，后續(xù)物料進(jìn)入爐內(nèi)可以發(fā)生反應(yīng)，維持壓差，此過程需要細(xì)化操作，保證最終的輸出物品質(zhì)良好，并且減少粘黏問題；還需掃除多余熱量，避免物流方向和反應(yīng)產(chǎn)物之間存在差異。規(guī)避以上問題，即可達(dá)到平衡狀態(tài)，規(guī)避不穩(wěn)定情況。

5.2 適應(yīng)性問題

在大規(guī)模的氯化鈦白生產(chǎn)中，氯化鈦白技術(shù)起到了決定性作用，此類技術(shù)的應(yīng)用效果決定了整體生產(chǎn)效果，技術(shù)的參數(shù)和動(dòng)態(tài)控制平衡問題直接由系統(tǒng)和精密設(shè)備操控，技術(shù)控制的準(zhǔn)確度是決定控制結(jié)果是否穩(wěn)定平衡的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是確保大型設(shè)備可以高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。在工作中，有關(guān)人員需要應(yīng)用氯化和氧化技術(shù)，為生產(chǎn)流程提供穩(wěn)定操作的空間，一旦發(fā)生故障，出現(xiàn)問題，還可以緊急處理，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，確保穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

5.3 控制性問題

設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行既是氯化鈦白工藝技術(shù)發(fā)揮效果的支撐，也是生產(chǎn)水平以及能力的體現(xiàn)。因此，在控制方面應(yīng)該實(shí)現(xiàn)技術(shù)點(diǎn)的平衡和有效性，無論是物料的傳輸還是反應(yīng)系統(tǒng)的切換，都應(yīng)該滿足實(shí)際需求。針對(duì)控制模型問題，各類參數(shù)和程序應(yīng)該自動(dòng)運(yùn)行，以提高配套設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，最大限度地降低系統(tǒng)故障的發(fā)生概率，并且結(jié)合實(shí)際需求適當(dāng)協(xié)調(diào)各類子系統(tǒng)之間的關(guān)系。

5.4 原料需求問題

當(dāng)前，在我國(guó)氯化鈦白生產(chǎn)工作中，天然金紅石較為稀缺。拓展原料的需求和生產(chǎn)規(guī)模成為此項(xiàng)工作的一大難點(diǎn)。基于此，相關(guān)研究人員應(yīng)該不斷開發(fā)天然金紅石原料，站在優(yōu)化原料質(zhì)量的角度對(duì)其進(jìn)行處理，提高整體循環(huán)使用效率，滿足生產(chǎn)過程對(duì)原料的需求。在此過程中，操作人員應(yīng)選用高品位的鈦渣，使其成為較為穩(wěn)定的原料。在原料使用方面，相關(guān)操作人員也應(yīng)該提高循環(huán)利用的效率。

5.5 產(chǎn)品多樣化問題

包膜問題是鈦白生產(chǎn)過程中的常見問題，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際需求合理選擇包膜，同時(shí)結(jié)合不同的產(chǎn)品性能需求，有針對(duì)性地選擇包膜物料和包膜技術(shù)，盡可能提高穩(wěn)定性和均勻性。

5.6 三廢處理問題

在生產(chǎn)鈦白粉時(shí)，由于操作環(huán)節(jié)不同，在操作過程中會(huì)形成不同類別的廢料，包括氯化鹽、氯化氣、廢水這三廢。氯化鹽在后期其他生產(chǎn)工作中可以通過不同途徑加以應(yīng)用，達(dá)到廢物利用的目的，提高材料的利用率。針對(duì)氯化氣而言，尾氣中的CO、CO2、N2、HCl、微量Cl2、SO2及未完全冷凝的TiCl4、SiCl4進(jìn)入尾氣洗滌系統(tǒng)，該系統(tǒng)由二級(jí)酸洗塔、一級(jí)水洗塔和兩級(jí)堿洗塔組成。尾氣中的HCl、SiCl4和TiCl4被洗滌生成28%的HCl液體和廢酸水。SO2和微量Cl2通過堿洗塔洗滌，生成亞硫酸鈣和次氯酸鈣；尾氣與惰性氣體CO、CO2、N2從煙囪排放。各類廢水也要結(jié)合實(shí)際需求處理后進(jìn)行排放，按照不同的程度對(duì)其作出不同的處理，控制其有毒有害物質(zhì)后，便可開始下一個(gè)循環(huán)[4]。

6 氯化鈦白生產(chǎn)應(yīng)該注意的問題

6.1 確定研究框架

為了更好地運(yùn)用氯化鈦白生產(chǎn)技術(shù)，工作人員應(yīng)確定工序，在國(guó)外現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)其作出分析，確保此項(xiàng)工作后續(xù)可以滿足相應(yīng)的需求；還需建立技術(shù)交流互動(dòng)機(jī)制，確保不同地區(qū)的技術(shù)人員可以互動(dòng)交流，提高此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展水平，推動(dòng)技術(shù)優(yōu)化。在研究過程中，要盡量使用現(xiàn)代化方法和工具，優(yōu)化氯化鈦白的生產(chǎn)工作，追蹤相關(guān)工藝的進(jìn)展，使其在功能方面更好地適應(yīng)行業(yè)發(fā)展規(guī)律。

6.2 引進(jìn)核心技術(shù)

當(dāng)前，我國(guó)的氯化技術(shù)和氧化技術(shù)屬于核心技術(shù)，驅(qū)動(dòng)了我國(guó)氯化鈦白粉的生產(chǎn)工作，也讓生產(chǎn)質(zhì)量和效率有所提升，同時(shí)結(jié)合了其他技術(shù)的特點(diǎn)。為了確保相關(guān)工作整體技術(shù)水平得到提升，技術(shù)人員還應(yīng)該在自身認(rèn)知方面不斷拓展，完善自身知識(shí)架構(gòu)，掌握不同技術(shù)之間的差異，以此滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。此外，技術(shù)使用過程中出現(xiàn)的漏洞和問題也應(yīng)該得到解決，積極引進(jìn)核心技術(shù)[5]。

6.3 確立目標(biāo)

為了確保氯化鈦白生產(chǎn)技術(shù)獲得更好的發(fā)展前景，產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)的確立必不可少。同時(shí)，近期目標(biāo)和終級(jí)目標(biāo)之間要存在一定的差異，以循序漸進(jìn)的方式，緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。另外，有關(guān)領(lǐng)域還需要結(jié)合市場(chǎng)需求，站在宏觀和微觀的角度開展技術(shù)分析，不斷開展技術(shù)調(diào)研工作，積極進(jìn)行技術(shù)交流，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，提升整體工作質(zhì)量。

7 結(jié)語

為了滿足社會(huì)對(duì)鈦白粉的生產(chǎn)需求，相關(guān)研究人員首先需要了解鈦白粉的生產(chǎn)流程，其次結(jié)合需求選擇恰當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝和方式落實(shí)生產(chǎn)工作，以此提高鈦白粉的生產(chǎn)質(zhì)量。在實(shí)際的鈦白粉生產(chǎn)過程中，相關(guān)操作人員還應(yīng)該注意各類問題，盡量規(guī)避。未來，相關(guān)人員需要不斷努力研發(fā)符合實(shí)際需求的生產(chǎn)技術(shù)，改善生產(chǎn)工藝，提高我國(guó)氯化鈦白的生產(chǎn)技術(shù)水平。