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，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，無形中增加了烘干運(yùn)行成本；此外，因烘干過程溫度較高，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)通過煙氣、回轉(zhuǎn)窯筒體和物料大量流失，因無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??；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變頻調(diào)節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)熱泵制熱量能滿足1T/h干燥需求，在無變頻調(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?，F(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，真空泵無法變頻且超過產(chǎn)量匹配，以及上料端氣動(dòng)閥開關(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)無法大型化，致使其單臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能相對(duì)有限。不過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

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。