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        硫酸法制二氧化鈦生產(chǎn)中廢酸濃縮技術(shù)的述評(píng)

        2014-04-12 01:52:28儲(chǔ)俊峰任輝輝
        化工環(huán)保 2014年1期
        關(guān)鍵詞:廢酸硫酸亞鐵二氧化鈦

        儲(chǔ)俊峰,任輝輝,聶 傲

        (1. 北京化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100029;2. 北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,北京 100029;3. 中國(guó)科學(xué)院 化學(xué)研究所,北京 100190;4. 北京生產(chǎn)力學(xué)會(huì),北京 100029)

        工業(yè)生產(chǎn)中的廢酸主要是以硫酸為主的酸類物質(zhì)。硫酸是工業(yè)上常用的原料酸之一,廣泛用于化工、冶金等多種行業(yè)[1]。廢酸如果未經(jīng)處理直接排放到環(huán)境中,不僅浪費(fèi)資源,而且會(huì)造成水體或土壤酸化,嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境。

        二氧化鈦生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢酸是工業(yè)生產(chǎn)中廢酸問(wèn)題的典型代表?,F(xiàn)階段我國(guó)二氧化鈦生產(chǎn)主要采用硫酸法,每生產(chǎn)1 t二氧化鈦產(chǎn)生廢酸8 t以上,廢酸中硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~23%[2]。2012年我國(guó)二氧化鈦年產(chǎn)量為1.9×106t[3],廢酸產(chǎn)生量已達(dá)千萬(wàn)噸以上。該廢酸的主要特點(diǎn)為:酸濃度低、成分復(fù)雜、排放量大[4]。國(guó)內(nèi)已有廢酸處理的相關(guān)專利、文獻(xiàn),但現(xiàn)有方法沒(méi)有從根本上解決廢酸處理問(wèn)題。目前我國(guó)部分二氧化鈦廠采用石灰石或白云石將廢酸中和后排放,雖然方法簡(jiǎn)單卻易造成二次污染。在國(guó)家環(huán)保力度日益加大、原料價(jià)格不斷上漲的形勢(shì)下,傳統(tǒng)的末端治理不符合廢酸處理發(fā)展的需要[5]。減少?gòu)U酸產(chǎn)生量、循環(huán)利用廢酸,已成為國(guó)內(nèi)廢酸處理技術(shù)的研究焦點(diǎn)。

        本文介紹和評(píng)價(jià)了國(guó)內(nèi)外硫酸法制二氧化鈦生產(chǎn)中廢酸的濃縮技術(shù),從工藝、設(shè)備及材質(zhì)3方面分析了國(guó)內(nèi)在二氧化鈦廢酸處理中存在的問(wèn)題,針對(duì)問(wèn)題給出了合理化的對(duì)策與建議。

        1 硫酸法制二氧化鈦生產(chǎn)中廢酸的產(chǎn)生

        硫酸法制二氧化鈦生產(chǎn)中的廢酸主要在酸解和水解過(guò)程中產(chǎn)生[6]。酸解時(shí)硫酸進(jìn)入了生產(chǎn)流程,1 t二氧化鈦產(chǎn)品約消耗4 t硫酸(折合成質(zhì)量分?jǐn)?shù)100%的硫酸計(jì)算),但落窯料(煅燒成品)中基本不含硫,大部分的硫以硫酸鈣等不溶物的形式進(jìn)入酸解反應(yīng)殘?jiān)?,其余的硫一部分以SO2和SO3的形式進(jìn)入酸解廢氣和窯爐尾氣中,另一部分進(jìn)入廢酸中。

        硫酸法制二氧化鈦的工藝流程[7]見(jiàn)圖1。

        圖1 硫酸法制二氧化鈦的工藝流程

        2 廢酸濃縮技術(shù)的介紹及評(píng)價(jià)

        2.1 國(guó)外廢酸濃縮技術(shù)

        2.1.1 芬蘭諾瑪技術(shù)

        芬蘭諾瑪技術(shù)采用四級(jí)蒸發(fā)技術(shù),將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的廢酸經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入一級(jí)蒸發(fā)器進(jìn)行汽液分離,分離后的蒸汽進(jìn)入二級(jí)蒸發(fā)器作為加熱介質(zhì);分離后的廢酸分為兩個(gè)部分:小部分進(jìn)入二級(jí)蒸發(fā),大部分作為一段循環(huán)介質(zhì)。隨后的過(guò)程與一級(jí)蒸發(fā)相似,不同的是二級(jí)、四級(jí)蒸發(fā)利用一級(jí)、三級(jí)蒸發(fā)的二次蒸汽在負(fù)壓下蒸發(fā),而三級(jí)蒸發(fā)采用外來(lái)蒸汽加熱。從四級(jí)蒸發(fā)器流出的廢酸進(jìn)行冷卻、過(guò)濾,濾渣是含酸的七水硫酸亞鐵,濾液即為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的再生酸。芬蘭諾瑪技術(shù)的工藝流程[8]見(jiàn)圖2。

        芬蘭諾瑪技術(shù)經(jīng)過(guò)四級(jí)濃縮,經(jīng)冷卻、過(guò)濾后得到的清潔再生酸可以返回二氧化鈦生產(chǎn)系統(tǒng)或出售。該技術(shù)是最先開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于二氧化鈦生產(chǎn)廢酸濃縮的主流工藝技術(shù)。但從目前的裝置運(yùn)行情況來(lái)看,廢酸濃縮設(shè)備容易發(fā)生一級(jí)蒸發(fā)器堵塞、三級(jí)和四級(jí)蒸發(fā)器因腐蝕嚴(yán)重影響使用壽命等問(wèn)題。

        圖2 芬蘭諾瑪技術(shù)的工藝流程

        2.1.2 德國(guó)拜耳技術(shù)

        德國(guó)拜耳技術(shù)將預(yù)處理過(guò)的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的廢酸導(dǎo)入預(yù)蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā),然后導(dǎo)入真空蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行第二次蒸發(fā)。經(jīng)過(guò)真空蒸發(fā)的廢酸經(jīng)硫酸鹽過(guò)濾,獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為65%的硫酸,然后用煅燒尾氣進(jìn)一步濃縮得到硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%的再生酸。德國(guó)拜耳技術(shù)的工藝流程[9]見(jiàn)圖3。該工藝采用煤、黃鐵礦或硫磺與硫酸鹽混合進(jìn)行熱分解反應(yīng),產(chǎn)生熱能和SO3,熱能可循環(huán)利用,SO3氣體被吸收后制成發(fā)煙硫酸,與再生酸一起可作為原料酸使用。

        圖3 德國(guó)拜耳技術(shù)的工藝流程

        德國(guó)拜耳技術(shù)能充分利用熱能,廢熱和蒸汽可循環(huán)使用至工藝最后一步,環(huán)保節(jié)能。濃縮分離出來(lái)的硫酸鹽可作為生產(chǎn)硫酸的原料。

        2.2 國(guó)內(nèi)廢酸濃縮技術(shù)

        2.2.1 噴霧技術(shù)

        噴霧技術(shù)是采用熱風(fēng)爐加熱的空氣與廢酸(硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%左右)在濃縮塔內(nèi)進(jìn)行直接逆流接觸,通過(guò)使廢酸中的部分水分蒸發(fā)進(jìn)行提濃,流出噴霧濃縮塔的濃縮廢酸經(jīng)過(guò)冷卻、過(guò)濾,分離出硫酸鹽等雜質(zhì),最后得到較高濃度的再生酸。噴霧技術(shù)的工藝流程[10]見(jiàn)圖4。

        噴霧技術(shù)具有傳熱效率高、設(shè)備費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[11],但該技術(shù)設(shè)備體積龐大、生產(chǎn)效率低且能耗高。

        2.2.2 三圣技術(shù)

        三圣技術(shù)利用煅燒尾氣余熱濃縮廢酸。將來(lái)自水解、漂洗工序的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為23%的廢酸噴入文丘里洗滌器,與回轉(zhuǎn)窯的窯爐尾氣(350~400 ℃)直接接觸,在文丘里洗滌器內(nèi)進(jìn)行熱量和能量交換,流出文丘里洗滌器的廢酸濃度增大。廢酸經(jīng)過(guò)冷卻、過(guò)濾,除去硫酸鹽等雜質(zhì)后,經(jīng)過(guò)三級(jí)蒸發(fā)得到進(jìn)一步濃縮,最后經(jīng)過(guò)冷卻、熟化結(jié)晶,分離硫酸亞鐵后得到清潔的成品再生酸。三圣技術(shù)的工藝流程[12]見(jiàn)圖5。

        圖4 噴霧技術(shù)的工藝流程

        圖5 三圣技術(shù)的工藝流程

        三圣技術(shù)的特點(diǎn)[13]:1)廢酸濃縮工藝采用三級(jí)濃縮技術(shù),再生酸濃度得到提高,硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到68%[10],但與國(guó)外技術(shù)(再生酸的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)能達(dá)到80%)相比,還存在一定差距;2)廢酸濃縮設(shè)備采用石墨材質(zhì)作為防腐蝕材質(zhì),提高了設(shè)備的使用壽命和使用效果,但廢酸濃縮配套設(shè)備不完善,部分配件在高溫強(qiáng)酸環(huán)境下腐蝕嚴(yán)重,石墨換熱器存在堵塞問(wèn)題;3)廢酸濃縮工藝?yán)没剞D(zhuǎn)窯的窯爐尾氣余熱濃縮廢酸,節(jié)省了蒸汽的使用量,但廢熱利用率不高。

        3 國(guó)內(nèi)廢酸濃縮技術(shù)存在的問(wèn)題

        3.1 工藝問(wèn)題

        3.1.1 原料篩選工藝

        原料篩選工藝存在的問(wèn)題是礦石的鐵鈦比較大,原料礦石中雜質(zhì)的含量過(guò)高會(huì)消耗更多的硫酸,同時(shí)導(dǎo)致廢酸中殘留大量TiO2+,F(xiàn)e2+,Mg2+,Mn2+等雜質(zhì)離子,其中Fe2+的存在會(huì)在濃縮過(guò)程中以一水、二水、四水或七水硫酸亞鐵晶體的形式析出,在設(shè)備器壁上大量結(jié)垢,堵塞管路和換熱器,影響換熱效果,造成生產(chǎn)的不連續(xù)等問(wèn)題。

        3.1.2 二氧化鈦生產(chǎn)工藝

        二氧化鈦生產(chǎn)工藝存在的問(wèn)題是硫酸濃度及加入量的選擇問(wèn)題。如果酸解時(shí)硫酸濃度過(guò)高,雖然反應(yīng)迅速但易“結(jié)鍋”,使鈦鐵礦反應(yīng)不完全。另外,雖然增加硫酸加入量可提高鈦液的穩(wěn)定性,也可提高酸解率,但若硫酸加入量過(guò)大,將造成原料成本增加,廢酸量也增加。

        3.1.3 廢酸處理工藝

        國(guó)內(nèi)廢酸處理工藝的主要問(wèn)題是再生酸濃度較低,沒(méi)有達(dá)到可循環(huán)利用的標(biāo)準(zhǔn)。目前,國(guó)內(nèi)二氧化鈦生產(chǎn)企業(yè)一般只能將廢酸中硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃縮至40%,由于多重因素很難突破50%~60%的瓶頸,而沒(méi)有達(dá)到回收利用所需的80%。此外,廢酸濃縮過(guò)程中溫度和酸度提高后,廢酸中的硫酸鹽和可溶性鈦鹽會(huì)形成大量成分非常復(fù)雜的結(jié)晶物質(zhì),堵塞設(shè)備和管路,從而導(dǎo)致生產(chǎn)的停頓。

        3.2 工藝參數(shù)問(wèn)題

        在設(shè)定工藝參數(shù)時(shí)考慮不周將影響廢酸的濃縮效果。如在設(shè)定反應(yīng)溫度時(shí),沒(méi)有充分考慮整個(gè)反應(yīng)容器的導(dǎo)熱和散熱能力、反應(yīng)流體的導(dǎo)熱能力,導(dǎo)致實(shí)際反應(yīng)溫度與理論反應(yīng)溫度不一等問(wèn)題,以致實(shí)際反應(yīng)結(jié)果與理論反應(yīng)結(jié)果有偏差。

        3.3 配套設(shè)施問(wèn)題

        鈦鐵礦酸解過(guò)程中產(chǎn)生大量SO2和SO3。由于現(xiàn)階段廢酸和熱量的回收利用配套設(shè)施不完善,造成二次廢氣的產(chǎn)生和能源利用率的低下。因此,改進(jìn)配套設(shè)施,循環(huán)利用酸性廢氣是提高硫元素利用率的關(guān)鍵。此外,廢酸濃縮過(guò)程中水分的蒸發(fā)需要耗費(fèi)大量能源,因此,充分有效地利用配套設(shè)施循環(huán)利用二次蒸汽是降低廢酸濃縮成本的關(guān)鍵。

        3.4 設(shè)備材質(zhì)問(wèn)題

        廢酸處理設(shè)備材質(zhì)存在的問(wèn)題是耐酸腐蝕性不足。工業(yè)上普遍認(rèn)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的硫酸的腐蝕性最強(qiáng)。國(guó)內(nèi)廢酸濃縮難以突破質(zhì)量濃度50%~60%瓶頸的原因在于,此時(shí)硫酸的腐蝕行為最復(fù)雜,對(duì)設(shè)備材質(zhì)的耐酸腐蝕要求較高?,F(xiàn)在廢酸處理設(shè)備的材質(zhì)大多是碳鋼、高硅鐵或聚四氟乙烯浸漬石墨等,雖然在一定程度上緩解了設(shè)備受酸腐蝕的狀況,但設(shè)備的使用壽命與國(guó)外相比仍然較短。因此,只有選擇新型的耐腐蝕材料才能從根本上解決設(shè)備腐蝕的問(wèn)題。

        4 對(duì)策與建議

        4.1 改善原料篩選工藝,提高鈦鐵礦質(zhì)量

        改善現(xiàn)階段鈦鐵礦的篩選工藝,如引入國(guó)外先進(jìn)的電選、磁選技術(shù),提高礦石的鈦含量,降低氧化鐵及其他雜質(zhì)的含量。鈦含量的提高將減少硫酸加入量,同時(shí)減少?gòu)U酸產(chǎn)生量以及副產(chǎn)物硫酸亞鐵的產(chǎn)生量。此外,若以提煉金屬鈦生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的高鈦渣為原料,雖然能提高原料中的鈦含量,但鈦渣成本較高,價(jià)格一般為普通鈦鐵礦礦石的4~5倍,完全使用鈦渣實(shí)不可取。

        4.2 綜合考慮物料最佳配比

        現(xiàn)階段很多化工企業(yè)在廢酸回收中僅單一考慮廢酸濃度的提高,追求高的廢酸回收率;在生產(chǎn)中也主要關(guān)心鈦鐵礦礦石與新硫酸的配比,而忽視了再生酸與新硫酸混合后混合酸的最佳配比,以及混合酸濃度與礦石鈦含量的最佳配比。在工業(yè)生產(chǎn)中,應(yīng)該綜合考慮礦石鈦含量、新酸濃度、再生酸濃度的最佳配比,而不是一味追求高的廢酸回收率。當(dāng)三者的配比達(dá)到使二氧化鈦生產(chǎn)能耗最低時(shí),才是廢酸回收與利用的真正要求。國(guó)外企業(yè)一般將廢酸濃縮成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的再生酸,與新酸通過(guò)最佳配比混合成為工藝所需的混合酸,再與二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%左右的鈦鐵礦混合,真正達(dá)到廢酸的合理利用。

        4.3 改進(jìn)工藝及工藝參數(shù),減少?gòu)U酸的產(chǎn)生

        二氧化鈦生產(chǎn)工藝中減少?gòu)U酸產(chǎn)生量的最重要的原則是以防為主,即從源頭遏制廢酸的產(chǎn)生。通過(guò)引入先進(jìn)的二氧化鈦生產(chǎn)工藝和廢酸濃縮工藝,提高硫酸利用率和二氧化鈦收率,減少?gòu)U酸產(chǎn)生量。德國(guó)拜耳技術(shù)將熱能循環(huán)利用至最后一步,環(huán)保節(jié)能,屬于國(guó)際先進(jìn)技術(shù)。國(guó)內(nèi)應(yīng)推廣德國(guó)拜耳技術(shù),并結(jié)合企業(yè)自身的實(shí)際情況,因地制宜,才能從根本上解決國(guó)內(nèi)廢酸濃縮技術(shù)存在的能耗高、再生酸濃度低的問(wèn)題。

        此外,精確控制反應(yīng)條件可減少?gòu)U酸的產(chǎn)生。如酸解反應(yīng)中必須用壓縮空氣來(lái)攪拌和冷卻反應(yīng)物料,但空氣中的氧會(huì)與硫酸共同作用,使亞鐵氧化成三價(jià)鐵、三價(jià)鈦氧化成四價(jià)鈦,因此,需控制壓縮空氣的使用量。

        4.4 完善配套設(shè)施,循環(huán)利用硫資源

        酸解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的SO2和SO3廢氣,如果不經(jīng)處理直接排放,不僅浪費(fèi)硫資源而且污染環(huán)境。完善配套設(shè)施,使硫循環(huán)參與反應(yīng),可以減少?gòu)U氣的產(chǎn)生。使用廢氣回收裝置應(yīng)注意:酸解過(guò)程中廢氣的排放量并不是很高,但瞬時(shí)排放量很大,且溫度高達(dá)160~180 ℃。高排放量和高溫對(duì)設(shè)備材質(zhì)有較高要求。此外,在濃縮過(guò)程中會(huì)有大量的蒸汽以及廢熱產(chǎn)生,通過(guò)完善配套設(shè)施可充分利用蒸汽中的熱量,有效降低濃縮成本。如德國(guó)拜耳公司將二次蒸汽充分利用到廢酸濃縮過(guò)程中。國(guó)內(nèi)可適當(dāng)引進(jìn)國(guó)外的設(shè)備,提高二次蒸汽的熱量利用率。

        4.5 采用化工新材料,提高設(shè)備耐腐蝕性能

        采用化工新材料提高設(shè)備的耐溫性、耐腐蝕性是延長(zhǎng)廢酸濃縮設(shè)備使用壽命和提高使用效果的必要途徑。如鈦材作為優(yōu)良的耐腐蝕性材料和重要的結(jié)構(gòu)材料,具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天、制鹽工業(yè)、氯堿工業(yè)等領(lǐng)域。鈦的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,常溫下其表面會(huì)與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成一層致密堅(jiān)固的氧化膜,保護(hù)其不受強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的腐蝕[14]。諸如此類,還有活性金屬鉭材、高性能石墨、工程塑料等化工新材料可以選用。

        4.6 拓展硫酸亞鐵利用途徑,制備高效無(wú)污染副產(chǎn)品

        硫酸法制二氧化鈦生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物,每生產(chǎn)1 t二氧化鈦將產(chǎn)生3.5~4.0 t的七水硫酸亞鐵。為此需要開(kāi)發(fā)硫酸亞鐵制備新技術(shù),并拓展硫酸亞鐵利用途徑,綜合利用副產(chǎn)物。通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有的硫酸亞鐵生產(chǎn)工藝,可使七水硫酸亞鐵以大晶體的形式析出。大晶體便于處理和儲(chǔ)存,且鉻、釩雜質(zhì)含量較低。硫酸亞鐵除用于凈水劑及肥料外,可加工成土壤調(diào)節(jié)劑或水處理劑等。還可探索在生產(chǎn)鐵精粉的同時(shí)回收硫,或以硫酸亞鐵、碳酸銨和氯化鉀為原料制備硫酸鉀,同時(shí)副產(chǎn)氯化銨和氯化鐵紅。將硫酸亞鐵合理加工成副產(chǎn)物,不僅可為企業(yè)帶來(lái)良好的效益,同時(shí)也能很好地降低其對(duì)環(huán)境的污染。

        5 結(jié)語(yǔ)

        為建立環(huán)保節(jié)約型社會(huì),國(guó)家的環(huán)保力度日益加大,廢酸處理已成為社會(huì)和企業(yè)必須解決的問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)廢酸處理技術(shù)的現(xiàn)狀要求企業(yè)必須加強(qiáng)自主創(chuàng)新,學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù),解決現(xiàn)階段廢酸濃縮技術(shù)所存在的工藝、設(shè)備及材質(zhì)3方面的問(wèn)題。最有效的解決措施是:以防為主,改善工藝條件;使硫完全參與反應(yīng),減少硫的損失和對(duì)環(huán)境的破壞;完善配套設(shè)施,提高設(shè)備質(zhì)量;綜合考慮廢酸、新酸和鈦鐵礦的物料配比;選擇耐腐蝕性較好的復(fù)合材料作為設(shè)備材質(zhì);最終使廢酸少產(chǎn)生或無(wú)產(chǎn)生。

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