李亮,鄧剛

(1.攀枝花學(xué)院材料工程系,四川攀枝花617000;2.四川釩鈦材料工程技術(shù)研究中心,四川攀枝花617000)

噴霧濃縮鈦白廢酸半工業(yè)試驗(yàn)

李亮1,2,鄧剛1,2

(1.攀枝花學(xué)院材料工程系,四川攀枝花617000;2.四川釩鈦材料工程技術(shù)研究中心,四川攀枝花617000)

在探索試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了噴霧濃縮鈦白廢酸半工業(yè)試驗(yàn)?？疾炝诵卵兄频膰婌F濃縮廢酸裝置的穩(wěn)定性、耐腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性及酸回收率,確定了濃縮廢酸最優(yōu)工藝參數(shù)。結(jié)果表明,用新研制的噴霧濃縮裝置處理鈦白廢酸具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。

噴霧濃縮;鈦白廢酸;裝置;工業(yè)試驗(yàn)

鈦白粉具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì),優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)以及優(yōu)異的顏料性能,在涂料、塑料、造紙、化纖、油墨、橡膠、電子工業(yè)、化妝品、電焊條、搪瓷、陶瓷和冶金等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前,國(guó)內(nèi)鈦白生產(chǎn)除攀鋼集團(tuán)錦州鈦業(yè)有限公司采用氯化法生產(chǎn)外,其余均采用硫酸法生產(chǎn)。硫酸法的優(yōu)點(diǎn)是原料資源豐富、廉價(jià)易得、設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟,缺點(diǎn)是工藝流程長(zhǎng)、廢副(硫酸亞鐵、廢酸和廢水)排放量大,平均每生產(chǎn)1 t鈦白粉要產(chǎn)生6～8 t廢酸(酸度20%左右)。鈦白廢酸中還含有大量FeSO4、TiO2、Al2(SO4)3、MgSO4等物質(zhì),因此,廢酸的治理與綜合利用是解決硫酸法鈦白生產(chǎn)環(huán)境污染和企業(yè)生存的一項(xiàng)勢(shì)在必行的工作[1]。

針對(duì)傳統(tǒng)廢酸處理工藝中的不足,設(shè)計(jì)了噴霧濃縮新裝置[2]。實(shí)驗(yàn)室探索試驗(yàn)結(jié)果表明,利用此裝置,鈦白廢酸可一步濃縮至酸度≥80%,硫酸回收率≥90%。在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了半工業(yè)試驗(yàn),重點(diǎn)考察噴霧濃縮裝置的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、酸回收率,并確定最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 半工業(yè)試驗(yàn)流程及設(shè)備

1.1 半工業(yè)試驗(yàn)流程

半工業(yè)試驗(yàn)流程如圖1所示[3]。

硫酸法鈦白水解工序產(chǎn)生的濃度為20%左右的廢酸進(jìn)入噴霧濃縮流程,濃縮后經(jīng)貯存、過(guò)濾,濃度提高至60%以上,可返回酸解工序。硫酸在流程中閉路循環(huán),徹底解決了鈦白水解廢酸對(duì)環(huán)境的污染問題。該流程的另一個(gè)特點(diǎn)是,噴霧濃縮工藝可以充分利用硫酸法鈦白工藝回轉(zhuǎn)窯的煅燒尾氣(溫度300～400℃),對(duì)于降低能耗具有重要意義。

圖1 噴霧濃縮鈦白廢酸聯(lián)合試驗(yàn)流程

1.2 試驗(yàn)所需主要設(shè)備

試驗(yàn)所需主要設(shè)備有：噴霧濃縮裝置(自制);離心機(jī)(SS300,張家港國(guó)華機(jī)械有限責(zé)任公司);加熱爐(自制);噴淋塔(自制);全自動(dòng)控制柜(自制)。

2 理論計(jì)算

2.1 適宜濃縮終點(diǎn)的確定

為了將濃縮后的酸全部返回鈦白生產(chǎn)工藝,進(jìn)行了酸平衡計(jì)算,以確定較佳的濃縮濃度。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 鈦白廢酸濃縮平衡圖

從圖2看出：要使?jié)饪s廢酸全部返回主流程,應(yīng)將廢酸至少濃縮至67.63%?？紤]到濃縮度越高,成本就越大,試驗(yàn)確定廢酸濃縮終點(diǎn)為70%。

2.2 物料衡算

根據(jù)鈦白廢酸濃縮平衡圖,將廢酸濃縮至70%,則每生產(chǎn)1 t鈦白產(chǎn)生廢酸7.15 t;硫酸的收率按85%計(jì),則廢酸濃縮前后的化學(xué)成分見表1,物料衡算結(jié)果見表2?？梢钥闯觯簩⑸a(chǎn)1 t鈦白產(chǎn)生的廢酸經(jīng)噴霧濃縮至70%,可以得到濃廢酸2 t,需要蒸發(fā)水4.04 t,析出硫酸亞鐵等固相物約0.86 t。

表1 鈦白廢酸主要成分%

表2 濃縮7.15 t廢酸所得各物料的量

2.3 熱量衡算

蒸發(fā)溫度為100℃。硫酸、水和硫酸亞鐵的比熱容分別為1.47,4.183和0.66 kJ/(kg·K)。水在100℃下的汽化潛熱為2 257.2 kJ/kg。噴霧濃縮7.15 t廢酸需標(biāo)準(zhǔn)大氣壓空氣3.1×103m3。水蒸氣露點(diǎn)為65℃,露點(diǎn)狀態(tài)下飽和水蒸氣中的水分為168.9 g/kg。噴霧濃縮過(guò)程中,硫酸亞鐵不斷以一水硫酸亞鐵晶體形式析出,析出是一個(gè)變化過(guò)程,無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)其量,故以硫酸亞鐵熱容近似計(jì)算,少量成分省去不計(jì)。根據(jù)廢酸的成分(表1)及物料衡算結(jié)果(表2)計(jì)算濃縮所需理論熱耗,結(jié)果見表3。理論溫度范圍為25～100℃,在計(jì)算過(guò)程中比熱容Cp按平均值計(jì)算。從表3看出,濃縮噸鈦白廢酸理論上需熱量1.7×107kJ。

表3 噴霧濃縮噸鈦白廢酸所需熱量計(jì)算結(jié)果

2.4 噴霧濃縮塔設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算

噴霧濃縮裝置噴霧塔的設(shè)計(jì)采用干燥強(qiáng)度法,噴霧濃縮塔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值見表4[2]。

表4 噴霧塔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值

半工業(yè)試驗(yàn)噴霧濃縮裝置的處理能力取值500 kg/h,廢酸濃縮濃度以70%計(jì),則蒸發(fā)水量為282.5 kg/h。qA值取6,熱風(fēng)入口溫度為300～400℃,則噴霧塔體積為：

根據(jù)塔高(h)和塔徑(d)的關(guān)系,取h/d為5,計(jì)算塔的直徑和高度分別為2.3 m和11.5 m。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 設(shè)備防腐

稀硫酸對(duì)鋼鐵材質(zhì)的設(shè)備有腐蝕性,熱稀硫酸對(duì)設(shè)備的腐蝕性更強(qiáng)?？梢杂米鞣浪岣g的材料有工程塑料、玻璃、石墨、耐酸混凝土、耐酸涂料、陶瓷、搪瓷和鈦板等[3]。設(shè)備防腐分常溫狀態(tài)下的防腐,如聯(lián)結(jié)噴霧塔的進(jìn)酸管道、閥門和廢酸泵等,和一定溫度下的防腐,如噴霧塔(工作溫度200～300℃)、出風(fēng)管道等。常溫狀態(tài)下的防腐可以選用工程塑料做配件,而一定溫度下的防腐則較難。噴霧濃縮的主體設(shè)備為濃縮塔,濃縮塔的防腐即為半工業(yè)試驗(yàn)防腐研究的重點(diǎn)。

玻璃、石墨、耐酸混凝土和陶瓷均可用于濃縮塔的防腐材料,但制作工藝復(fù)雜,不利于產(chǎn)業(yè)化實(shí)施;鈦板在常溫和高溫狀態(tài)下都防硫酸腐蝕,但價(jià)格較貴,制作成本較高;耐酸涂料是一種制作防腐層的最簡(jiǎn)便的方法,但運(yùn)行一段時(shí)間后有脫落現(xiàn)象,不適宜于濃縮塔防腐。而搪瓷工藝防腐,具有較好的效果,而且制作工藝簡(jiǎn)便。

3.2 正交試驗(yàn)

條件試驗(yàn)確定的處理能力為10 kg/h左右噴霧濃縮裝置的最佳運(yùn)行參數(shù)為：熱空氣入口溫度240～270℃,熱空氣入口流量90～108 m3/h,廢酸流量9～11 kg/h,廢酸濃縮濃度65%～70%。半工業(yè)試驗(yàn)裝置處理能力增大至500 kg/h左右,應(yīng)重新確定工藝參數(shù)。熱風(fēng)溫度以低于硫酸的分解溫度為宜,硫酸的分解溫度為338℃,則熱空氣入口溫度選擇250～300℃;隨著廢酸蒸發(fā)量的增大,所需的蒸發(fā)熱量也增大,根據(jù)同比放大效應(yīng),熱空氣入口流量調(diào)整為4 500～5 500 m3/h;廢酸流量選擇450～550 kg/h。為了確定最佳工藝參數(shù),進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn),試驗(yàn)條件及結(jié)果見表5?？梢钥闯?3個(gè)因素對(duì)噴霧濃縮裝置濃縮效果的影響依次為：熱空氣入口溫度＞廢酸流量＞熱空氣入口流量;最優(yōu)噴霧濃縮工藝參數(shù)為：熱空氣入口溫度270℃,廢酸流量450 kg/h,熱空氣入口流量5 500 m3/h。

表5 試驗(yàn)條件及結(jié)果

3.3 穩(wěn)定試驗(yàn)

為了驗(yàn)證噴霧濃縮裝置及優(yōu)化工藝參數(shù)的穩(wěn)定性,進(jìn)行了穩(wěn)定試驗(yàn)。共進(jìn)行6批次,每批此投料500 kg。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果

從表6看出：在設(shè)定工藝參數(shù)下,6組試驗(yàn)的廢酸濃縮濃度值波動(dòng)不大,穩(wěn)定性較好;廢酸回收率≥90%,回收率較高。

穩(wěn)定性試驗(yàn)后,拆開噴霧濃縮塔,檢查其腐蝕情況,結(jié)果表明,塔內(nèi)結(jié)垢較少,大部分結(jié)垢主要集中在分離器后蒸發(fā)尾氣的入口,因?yàn)樵摱螞]有防腐措施,但該結(jié)垢物容易清理。

3.4 經(jīng)濟(jì)成本

根據(jù)熱量衡算可知,濃縮噸鈦白廢酸理論需熱量為1.7×107kJ。將該熱量折算成煤,可以計(jì)算出濃縮鈦白廢酸所需的燃料成本。

煤的熱值為20 943 kJ/kg,價(jià)格為850元/t,噸鈦白濃縮廢酸所需煤812 kg,則燃燒成本為690元。

采用燃料作熱源,廢酸濃縮燃料成本在700元左右。而采用煅燒尾氣作熱源,則可以降低濃縮成本,具有潛在的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

半工業(yè)試驗(yàn)獲得最佳噴霧濃縮工藝參數(shù)為：熱空氣入口溫度270℃,廢酸流量450 kg/h,熱空氣入口流量5 500 m3/h。噴霧濃縮廢酸裝置運(yùn)行穩(wěn)定,采用搪瓷工藝處理可以有效解決防腐問題。廢酸回收率≥90%。廢酸濃縮的燃料成本在700元左右,采用煅燒尾氣作熱源,可以進(jìn)一步降低濃縮成本。該裝置具有潛在的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]龔家竹,江秀英,袁豐波.硫酸法鈦白廢酸濃縮技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè),2008,40(8)：1-3.

[2]李亮.鈦的廢酸噴霧濃縮裝置的研發(fā)[J].濕法冶金,2010,29(2)：130-133.

[3]何章亮.鈦白廢酸的綜合利用[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè),2002,34(6)：31-33.

Abstract:The semi-industrial test on concentrating waste acid from titanium dioxide production by spray concentration method based on pilot tests was carried out.The stability,corrosion resistance,economy and acid recovery of the new spray concentrated device were examined,and the optimal parameters of concentrating waste acid were determined.The Result showed that using the new spray concentration device to deal with titanium white waste acid had a good industrial prospect.

Key words:spray concentration;titanium dioxide waste acid;device;sem-industrial test

Semi-industrial Test on Spray Concentrating Titanium White Waste Acid

LI Liang1,2,DENG Gang1,2
(1.Department of Materials Engineering,Panzhihua University,Panzhihua,Sichuan 617000,China;2.Sichuan V anadium Titanium Material Engineering Research Center,Panzhihua,Sichuan 617000,China)

X788

A

1009-2617(2011)01-0078-04

2009-12-09

李亮(1970-),男,大學(xué)本科,副教授,主要從事釩鈦資源綜合利用和鈦白廢酸綜合利用研究工作。