李亮,鄧剛

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

噴霧濃縮鈦白廢酸半工業(yè)試驗

李亮1,2,鄧剛1,2

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

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

噴霧濃縮;鈦白廢酸;裝置;工業(yè)試驗

鈦白粉具有穩(wěn)定的物理、化學性質,優(yōu)良的光學、電學性質以及優(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、陶瓷和冶金等領域有廣泛的應用。目前,國內鈦白生產除攀鋼集團錦州鈦業(yè)有限公司采用氯化法生產外,其余均采用硫酸法生產。硫酸法的優(yōu)點是原料資源豐富、廉價易得、設備簡單、技術成熟,缺點是工藝流程長、廢副(硫酸亞鐵、廢酸和廢水)排放量大,平均每生產1 t鈦白粉要產生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,因此,廢酸的治理與綜合利用是解決硫酸法鈦白生產環(huán)境污染和企業(yè)生存的一項勢在必行的工作[1]。

針對傳統(tǒng)廢酸處理工藝中的不足,設計了噴霧濃縮新裝置[2]。實驗室探索試驗結果表明,利用此裝置,鈦白廢酸可一步濃縮至酸度≥80%,硫酸回收率≥90%。在此基礎上又進行了半工業(yè)試驗,重點考察噴霧濃縮裝置的穩(wěn)定性、經濟性、酸回收率,并確定最優(yōu)工藝參數。

1 半工業(yè)試驗流程及設備

1.1 半工業(yè)試驗流程

半工業(yè)試驗流程如圖1所示[3]。

硫酸法鈦白水解工序產生的濃度為20%左右的廢酸進入噴霧濃縮流程,濃縮后經貯存、過濾,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環(huán)境的污染問題。該流程的另一個特點是,噴霧濃縮工藝可以充分利用硫酸法鈦白工藝回轉窯的煅燒尾氣(溫度300～400℃),對于降低能耗具有重要意義。

圖1 噴霧濃縮鈦白廢酸聯(lián)合試驗流程

1.2 試驗所需主要設備

試驗所需主要設備有：噴霧濃縮裝置(自制);離心機(SS300,張家港國華機械有限責任公司);加熱爐(自制);噴淋塔(自制);全自動控制柜(自制)。

2 理論計算

2.1 適宜濃縮終點的確定

為了將濃縮后的酸全部返回鈦白生產工藝,進行了酸平衡計算,以確定較佳的濃縮濃度。計算結果如圖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,應將廢酸至少濃縮至67.63%。考慮到濃縮度越高,成本就越大,試驗確定廢酸濃縮終點為70%。

2.2 物料衡算

根據鈦白廢酸濃縮平衡圖,將廢酸濃縮至70%,則每生產1 t鈦白產生廢酸7.15 t;硫酸的收率按85%計,則廢酸濃縮前后的化學成分見表1,物料衡算結果見表2?？梢钥闯觯簩⑸a1 t鈦白產生的廢酸經噴霧濃縮至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廢酸需標準大氣壓空氣3.1×103m3。水蒸氣露點為65℃,露點狀態(tài)下飽和水蒸氣中的水分為168.9 g/kg。噴霧濃縮過程中,硫酸亞鐵不斷以一水硫酸亞鐵晶體形式析出,析出是一個變化過程,無法準確估計其量,故以硫酸亞鐵熱容近似計算,少量成分省去不計。根據廢酸的成分(表1)及物料衡算結果(表2)計算濃縮所需理論熱耗,結果見表3。理論溫度范圍為25～100℃,在計算過程中比熱容Cp按平均值計算。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算結果

2.4 噴霧濃縮塔設計尺寸計算

噴霧濃縮裝置噴霧塔的設計采用干燥強度法,噴霧濃縮塔設計經驗值見表4[2]。

表4 噴霧塔設計經驗值

半工業(yè)試驗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,則蒸發(fā)水量為282.5 kg/h。qA值取6,熱風入口溫度為300～400℃,則噴霧塔體積為：

根據塔高(h)和塔徑(d)的關系,取h/d為5,計算塔的直徑和高度分別為2.3 m和11.5 m。

3 試驗結果與討論

3.1 設備防腐

稀硫酸對鋼鐵材質的設備有腐蝕性,熱稀硫酸對設備的腐蝕性更強?？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]。設備防腐分常溫狀態(tài)下的防腐,如聯(lián)結噴霧塔的進酸管道、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。噴霧濃縮的主體設備為濃縮塔,濃縮塔的防腐即為半工業(yè)試驗防腐研究的重點。

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

3.2 正交試驗

條件試驗確定的處理能力為10 kg/h左右噴霧濃縮裝置的最佳運行參數為：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)試驗裝置處理能力增大至500 kg/h左右,應重新確定工藝參數。熱風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,根據同比放大效應,熱空氣入口流量調整為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,進行3因素3水平正交試驗,試驗條件及結果見表5?？梢钥闯?3個因素對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 試驗條件及結果

3.3 穩(wěn)定試驗

為了驗證噴霧濃縮裝置及優(yōu)化工藝參數的穩(wěn)定性,進行了穩(wěn)定試驗。共進行6批次,每批此投料500 kg。試驗結果見表6。

表6 穩(wěn)定試驗結果

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

穩(wěn)定性試驗后,拆開噴霧濃縮塔,檢查其腐蝕情況,結果表明,塔內結垢較少,大部分結垢主要集中在分離器后蒸發(fā)尾氣的入口,因為該段沒有防腐措施,但該結垢物容易清理。

3.4 經濟成本

根據熱量衡算可知,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,具有潛在的推廣應用價值。

4 結論

半工業(yè)試驗獲得最佳噴霧濃縮工藝參數為：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,可以進一步降低濃縮成本。該裝置具有潛在的推廣應用價值。

[1]龔家竹,江秀英,袁豐波.硫酸法鈦白廢酸濃縮技術研究現狀及發(fā)展方向[J].無機鹽工業(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].無機鹽工業(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。