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    钛白生产中转窑尾气热能利用方法选择及评述.pdf

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    钛白生产中转窑尾气热能利用方法选择及评述.pdf

    唐文骞等钛白生产中转窑尾气热能利用方法选择及评述 9 钛白生产中转窑尾气热能利用方法 选择及评述 唐文骞 张友森 中海油山东化学工程有限责任公司 济南250013 摘要 摘要转窑煅烧是钛白生产中能耗最大的工序,同时也是节能挖潜能力最大的工序。本文分析转窑 尾气热利用的多种方法,提出高温电除尘一废酸预浓缩、热管式余热锅炉、利用余热闪蒸进窑湿物料是当前具 有竞争力的三种生产方法。并对三种方法进行分析,找出适合企业的最优工艺,达到节能、减排和增效的目的。 关键词 钛白窑尾气煅烧预浓缩闪蒸 煅烧是钛白生产中能耗最大的工序,占吨钛 白总能耗约20%。20世纪80年代前后,有关部门 曾组织对以叶滤机脱水的偏钛酸进d1600mm的转 窑进行过测定,其吨钛白的能耗约为1.410 kJ。 近二十多年来,由于转窑系统综合性的技术进步, 如对进转窑的偏钛酸的过滤,由原先采用的叶滤 机、真空转鼓过滤机,到现在采用压滤机的三种 过滤方法,其含固量分别为30%一32%、40%~ 42%、50%~60%,压滤机的使用减少了转窑偏钛 酸含水量,在转窑中蒸发水量所用的热量就发生 了变化。现在窑体采用二层砖砌筑,一层为耐火 砖厚度150ram,另一层为保温砖厚度45mm,两层 之间灰缝5ram,与原先用单层200mm厚的耐火砖 相比,经工业生产验证,两层砖减少了散热损失, 具有一定的节能效果;天然气或煤气燃烧喷 嘴的改进及主燃烧系统自动化水平的提高,使燃 料的利用率和系统的安全性也随之得到提高。高 温落窑品钛白粉经空气冷却器,用于进窑煅烧的 空气加热,从而回收了热能。以年产40kt/a规模 吨钛白消耗天然气260Nm 计天然气含甲烷 97%,对现有qb360055000转窑建立新的热平 衡,其数据见表1。 表1转窑热量平衡表吨锐钛型钛白 从表1可见,偏钛酸水份带走热量和烟气带走 热量分别为20.10%和39.58%,如何有效地利用 转窑输出的热量和减少转窑偏钛酸含水量,是钛 白节能的重要课题。 以天然气为燃料经计算吨钛白转窑尾气量为 8587Nm’,其中水蒸汽含量为1523Nm ,温度约 350℃,这部分气体性能,其显热温度高,潜热大。 热能的利用方法各企业差别很大,主要有①用 水直接喷淋,只回收钛白粉不回收热量;②将钛 白二次洗涤水30t/h直接喷入文丘里,除回收 钛白粉外,还可将二次洗涤水温度从40qC提高到 55%,用做一次水洗之用;③用于废酸预浓缩;④ 唐文骞教授级高级工程师,副总工程师。1963毕业于福州大学化学工程系。发表论文110篇,曾获山东省、原化学工业部优秀设 计一、二、三等奖,获三项专利、二项专有技术。任全国钛白专家组成员,享受国家政府特殊津贴。联系电话053183195224。 10 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,235 用于低压锅炉或热管锅炉副产低压蒸汽;⑤ 利用转窑尾气的热量闪蒸干燥进窑的湿物料等。 本文着重介绍转窑尾气简称“窑尾气”热能用 于废酸预浓缩或浓缩、热管低压锅炉和闪蒸干燥 进窑湿物料三种方法。 1废酸预浓缩或浓缩的应用 每吨钛白副产浓度23%质量分率下同的 废酸约8t,废酸中含有硫酸、TiO 和七水硫酸亚 铁以及其他硫酸盐,废酸要经浓缩至55%一80% 方可返回钛白酸解工序或做配酸使用。这里介绍 窑尾气的热能,采用文丘里洗涤的方法,对废酸 进行浓缩或预浓缩,其工艺方案有如下三种。 1.1窑尾气废酸预浓缩技术 经初步重力沉降处理后含TiO的窑尾气温度 约350C直接进文丘里洗涤器,同时往文丘里喷入 含硫酸23%的废酸,该技术在有效回收窑尾气显 热温度降至90℃之后,再将窑尾气送至后处理工 序,使废酸浓度从23%提升至28%,经管式过滤 器,分离出回收液后将28%的废酸送至废酸浓缩 工序,完成废酸预浓缩。回收液含有TiO 、FeSO 7H2O、FeSO44H2O、FeSO42H2O及其他硫 酸盐的回收液送去一次水洗回收处理,因回收液 中含FeSO 等杂质多,对产品TiO 的影响一直存 在争议。另外,提出对回收液应该进行单独处理 的建议,回收的TiO 以次品价出售。该工艺存在 的主要问题是废酸中含有数量不少的TiO 、FeSO 7H O等对文丘里洗涤器产生堵塞,应用和运行 操作有待进一步提高。 1.2窑尾气高浓度废酸浓缩技术 工艺过程同1.1节所述,所不同是往文丘里喷 人已除去硫酸盐的浓度为65%的废酸。该技术原 德国拜尔公司已在工业中应用,利用窑尾气的热 量把酸的浓度从65%浓缩至82%。装置有效地回 收利用了窑尾气的热量;饵决了蒸汽浓缩加热器 和蒸发器等设备对材质的问题;湿法回收的TiO 无污染,很干净,返回水洗工序处理,对产品质 量不产生影响。存在问题是窑尾气热量只回收了 可回收热量的43%,出文丘里的窑尾气温度高, 后处理较费事,另外对文丘里的材质有特殊要求。 1.3高温静电除尘一废酸预浓缩技术 窑煅烧尾气先经重力沉降室,除去60%一 70%气体所夹带的TiO ,再经高温静电除尘器, 除去气体夹带的TiO ,至出口TiO 含量为220~ 300mg/m ,其效率在99.5%以上,出高温静电除 尘器的气体分为两部分,一部分经高温风机将高 温气体送至窑头,作为转窑煅烧的热源;另一部 分进文丘里洗涤器,同时往文丘里洗涤器内喷入 浓度23%的废酸,在文丘里洗涤器中废酸和窑尾 气进行质量和热量交换,使废酸的浓度从23%浓 缩至28%,再送去废酸蒸发浓缩工序,此时窑尾 气的温度从350oC降至90℃,再经空塔和填料塔喷 淋降温至6570C之后,去电除雾器除去酸雾, 再进入碱洗塔除去SO 、SO 等,最终使窑尾气达 标排放,其工艺流程见图1。 28%废酸去 偏钛钛 23%.废酸 废酸浓缩 商 H囊 L_ ]厂二二一_ I 回收含.Tio2的 莓 磊 1_『歪 阐回收液去水洗 空 啊而 图1高温窑尾气利用技术流程图 高温窑尾气热量回收利用技术,已成功应用 于武汉某公司20kt/a钛白装置的设计中,经工业 验证,已取得良好的经济效益,利用文丘里进行 废酸浓缩使酸浓度从23%提到28%,可蒸发1.4t/ t啪,的水份,对废酸浓缩而言,吨钛白可节省1.6t 蒸汽,又解决原窑尾气中夹带TiO造成文丘里喷 头堵塞的问题,确保文丘里安全运行,同时又能 回收未经污染的干净的TiO 。另外从高温静电除 尘器出口抽出一股气体经高温风机送进窑头作为 煅烧热能,吨钛白可节省天然气80Nm 。 上述三种废酸浓缩技术,经比较后认为,高 温静电除尘与文丘里组合的废酸预浓缩技术除具 有废酸浓缩的功能外,还可回收未经污染的TiO , 又可节约燃料的用量,是值得推广的节能技术。 2热管式余热锅炉的应用 2.1工艺流程 有的企业不愿搞废酸浓缩,而是将高温窑尾 气直接送去余热锅炉产生低压蒸汽再送回系统使 用,最初的余热锅炉是普通列管式锅炉,存在很 多缺点和弊端,如易被腐蚀、漏水、堵灰、维修 工作量大等,严重影响正常生产。现天津某公司 开发的新型设备热管式余热锅炉已经诞生, 唐文骞等钛白生产中转窑尾气热能利用方法选择及评述 11 并在多家钛白企业转窑煅烧生产线成功运行,工 艺流程为转窑出来温度350~400C的尾气,经多 管旋风除尘器后进热管式余热锅炉,使尾气温度 降至240oC,再进两级水喷淋塔使温度降至70℃, 进电除雾器,再进碱洗塔,使窑尾气中sO的浓度 达40mg/Nm 以下,经尾气风机抽引,尾气达标排 放,工艺流程见图2。 蒸汽外供 图2热管余热锅炉工艺流程图 2.2结构特点 1采用高科技一热管技术,废气侧热管翅 片化,传热系数得到大幅提高。 2冷热流体通过隔板完全隔开,有效防止 水汽系统泄漏。在运行时,即使废气侧管子一端 被腐蚀穿孔,也不会造成气水互串,确保安全运 行,彻底解决了设备泄漏问题。 3热管具有等温性和热源分汇的特点,通 过调节热管冷热段受热表面的比例来调整管壁温 度,避开最大腐蚀区,可以避开或减轻露点腐蚀。 4热管与换热器单支点焊接,避免由热胀 冷缩造成的应力。 5阻力损失小,余热锅炉阻力约300Pa。 6热管具单管做业性,单根或多根热管的 损坏不影响设备整体使用。 7采用了新型镍基钎焊技术,表面防腐、 耐磨且光滑,减少积灰、磨损和腐蚀,延长设备 的使用寿命。 2.3设计参数 热管余热锅炉的设计参数见表2年产40kt钛 白粉。 2.4经济效益 热管式余热锅炉在煅烧窑尾气余热回收中得 到了广泛应用,以40kt/a钛白粉生产线为例,煅 烧窑尾气约50000Nm /h,回收至240oC时可产 1.25MPa蒸汽4.1t/h,按蒸汽价格130 Yr/t计,每 年运行330d计,扣除需要补充除盐水费用和新增 电气设备的电费,年经济效益约390万元,240 d左 表2烟气余热回收系统设计参数 注设备耐温按400C考虑 右回收全部投资。 3 窑尾气闪蒸干燥进窑物料的应用 3.1工艺流程 目前所采用的回转窑湿法煅烧工艺,一般是 将含水量较大的偏钛酸湿物料从窑尾送人回转窑, 通过窑体倾斜和旋转,使湿物料自窑尾向窑头移 动,在窑头处高温煅烧物料逆流干燥、煅烧,成 品料从窑头取出,尾气经降温、除尘、除雾等工 序达到排放标准后从窑尾排空。该工艺热利用率 和回转窑设备利用率低。为解决上述问题,先利 用窑尾高温烟气采用闪蒸干燥设备对湿物料进行 干燥和粉碎,再送回转窑煅烧,可以有效提高热 利用率、降低尾气温度、提高煅烧料收率、增加 回转窑设备产能。工艺流程见图3。 泥饼 墨搴笪 享 墨 墨苎H皇堕墨墨I I l L 塑堕堕壹箜 查旦 工艺水 三级分离器 二级分离器 一级分离 塑 成品钛自粉 图3 回转窑湿法煅烧工艺流程简图 3.2 闪蒸干燥机和转窑为同一体系的热量衡算 以每吨钛白转窑煅烧用天然气200Nm ,天 然气含CH 平均97%V,下同,含CO 平均 3%,偏钛酸湿料含水量45%wt。因窑外设有 偏钛酸湿物料干燥系统,故转窑的性能可由原来 的干燥一脱硫煅烧三段改为仅有脱硫和煅烧二 段,转窑出口气体温度高达400~450oC,经高温 风机送至闪蒸干燥机,出闪蒸干燥机气体温度约 150oC,后经分离、复喷、复挡、电雾等处理工序, 对闪蒸干燥机一转窑热量平衡调整见表3。 12 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,235 从上述分析可见,该工艺具有如下特点。 3.2.1热能得到有效利用 从表1、表3的天然气燃烧热可见,表3利用 出窑尾气温度400~450oC进闪蒸干燥机,用于干 燥进料的湿物料,温度降至10012,每煅烧1t钛白 产品可节约天然气约20%。 3.2.2转窑产能增加 转窑原功能有干燥一脱硫一煅烧三段,现干 燥段移至转窑外,相同生产规模可节约1/3的转窑 长度,或者相同的转窑可增加30%的产能。同时, 由于煅烧产品细度降低,使后续的细磨生产能力 提高。 3.2.3钛白收率提高 转窑带出物料和闪蒸带出物料经三级干法分 离和湿法洗涤,回收率比原钛白干法自然沉降提 高1.5%。 3.2.4节约用水 原转窑尾气处理1t产品耗水10t,现工艺得到 6O℃左右的热清水可用做前道工序水洗的工艺水。 既节约用水,又节约加热用的蒸汽。 4 评述 转窑尾气热能利用方法多,路子宽。本文列 出三种利用方法,如采用高温电除尘,部分高温 气体返回使用,以节省燃料用量,其余气体去废 酸预浓缩;第二种方法采用热管余热锅炉副产 1.25MPa的蒸汽送至管网使用;第三种方法采用高 温窑尾气闪蒸进转窑的湿物料,以减少转窑的长 度,又可节约燃料的用量,在同等生产规模下 40kt/a钛白三种方法比较见表4。 从表4可见,转窑尾气用于进窑物料闪蒸干燥 的方法,比其他两种方法具有投资省、产品收益高 表4三种窑尾气热能利用方法技术经济比较 貅 臻 蓁 名称 尘与废酸 热锅炉 鬈 预浓缩技术 技术 。 ’ 转窑g03600转窑3600转窑3600 主要设备 55000 55000 40000 文丘里 余热锅炉 闪蒸干燥机 转窑出VI温度,℃ 350 350 400 文丘里出口温度,℃ 9O 余热锅炉出口温度,℃ 240 闪蒸干燥出口温度,qc 150 蒸发水量,t/trio2 0.96 0.82 产蒸汽量1.25MPa,t/trio2 1.025 钛白晋然气用 220 260 200 量.Nm 。 热回收率,% 74.7 40 63.3 投资,万元 1200 900 600 吨产品增加收益,元 235.2 169.5 298.4 注①投资仅为主要设备的费用;②投资折旧按l5年计;③ 蒸发水按每吨120元计;④产1.25MPa蒸汽按每吨180元计;⑤煅 烧钛白天然气用量以260Nm /t为基准态计算节省量,每1m 天然 气按3.5元计。 的优势。其他两种方法仍有发展空间,如热管式 余热锅炉出口温度为240C,可用于废酸预浓缩或 加热温水等。至于选用何种热利用的方法,企业 可根据自己工艺配置、公用工程能力的情况,酌 情选择。 5 结语 2001年,我国钛白行业总体规模达到280~ 290kt/a,超过日本,位居全球第二,2009行业总 产能提高到1500~1600kt/a,超过美国,成为世界 最大钛白粉生产国,2009年以后,仍保持世界最 大钛白粉生产国的地位。按照国家石油和化学 “十二五”发展战略目标,要求“节能环保跃上新 下转第2O页 20 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,235 集罐的底部,所以在丙烯收集罐底部设置了积油 包,当取样分析检测出液相丙烯中含有润滑油时, 将积油包内底部阀门打开排入丙烯蒸发排放罐, 丙烯蒸发排放罐经自带的水浴槽加热蒸发出气相 丙烯,回到一段入口分离罐内进丙烯循环,润滑 油从罐底排出后收集处理。 2.6开车氮气置换、充压及丙烯置换 对于系统开车,首先需要用氮气置换,以保 证系统中的氧含量小于0.5%wt。从丙烯温度 一压力相图图2看出,在环境温度下,如果引入液 态丙烯,压力至少为1.8MPaG左右。如果用 低压氮气置换,系统内压力为0.4MPaG,引入 液态丙烯进装置后会闪蒸,温度会急剧下降,致 使排人火炬管线的丙烯气温度低于0C,会引起火 炬管内的其它含水介质结冰等潜在问题。 对系统内的不同压力下,引入液态丙烯,假 设火炬系统的背压为0.005MPaG,丙烯气排人 火炬系统温度做了模拟分析,见图5。 1 2 1O 8 6 4 2 0 一-2 . 赠.6 .8 .10 12 .14 16 压力MPaG 图5不同压力下丙烯气排放温度图 从图5可知,如果要保证排入火炬管线的丙烯 气温度不低于O℃,系统内压力应不低于0.8MPa G。建议开车时系统用低压氮气置换后,再用中 压氮气充压至正常操作压力的70%左右,约 1.3MPaG,然后引入液相丙烯,使压力衔接较 为稳定,避免排至火炬系统丙烯气温度较低。因 为火炬气管线采用碳钢材质,应在大于一20C的温 度下使用,所以开车时用中压氮气充压保持系统 一定压力是必要的。 3 结语 1针对煤制氢装置气化原料的多样性,酸 性气体脱除单元对应各工况下冷量需求范围变化 较大,提出了采用蒸汽透平驱动的离心压缩机和 电机驱动的螺杆压缩机并联的设置方案,两台压 缩机组合运行,满足各种原料变化以及炼油初期 装置运行时制冷系统,避免蒸汽额外损耗。 2结合炼油化工装置一体化的特点,选用 丙烯作制冷剂,通过流程模拟等对丙烯物性基础 参数的分析,确定了制冷压缩机出口压力,设置 不凝气回收,冷凝器换热管破裂工况现场的操作 措施,开车时先用低压氮气置换再用中压氮气充 压等,为系统运行提供了相关依据。 3系统防喘振线设置了气体分布器,保证 气相良好的分布,达到稳定的换热效果;系统设 置了润滑油在线分离,保证系统的稳定性。 4为装置向炼厂供氢提供了可靠的保障。 参考文献 1朱延煜.氨吸收制冷及压缩制冷工艺比较[J].广州化 工,2010,387220221. 2张占一.合成氨装置中制冷方式的选择与优化[J].化肥 设计,2011,494l621. 3渠兵,李春兰.丙烯制冷装置丙烯消耗高的原因及改造 [J].中氮肥,2011,34142. 修改日期20130815 上接第12页 台阶”,要求“2015年万元工业增加值能源消耗和 二氧化碳排量比‘十一五’末下降15%,COD和 氨氮排放总量减少12%”。转窑煅烧是钛白工业生 产耗能大户,占钛白总能耗约20%,本文列举的 转窑尾气热能利用的三种方法,都有工业生产应 用实例,企业可根据自身的情况进行选择。以年 产40kt/a金红石型钛白粉企业为例,仍用qb3600 55000的转窑,采用窑尾气闪蒸进窑的湿物料的 工艺,其生产能力可提高1/3,达53kt/a,转窑的 能耗和CO 减排量约降低25.9%,吨钛白的成本 约降低300元,具有可观的经济、环保和社会效 益。三种窑尾气热能利用方法不失为钛白工业发 展技术创新、提高科学技术的好路子。 参考文献 1郭焦星.利用窑尾废热干燥人室料以节能提效[J].无机 盐工业,2012,448. 收稿日期20130313

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