硫酸法钛白粉生产能耗分析与降耗对策

硫酸法钛白粉生产能耗分析与降耗对策
李庆;赵昕;张修臻
【摘要】我国是钛白粉的生产大国,每年的钛白粉产量堪称天文数字.当前我国钛白粉生产方式主要应用的是硫酸法,这一方式优点众多,适合我国当前的国情.但随着我国高度重视环境保护工作,节能减排的要求及企业降低生产成本的需要,如何有效地降低硫酸法钛白粉生产能耗已成为钛白粉生产企业重要的研究方向.因此,相关单位必须从分析硫酸法钛白粉生产能耗入手,针对硫酸法钛白粉生产中耗能较高的环节加以分析,以此减少硫酸法钛白粉生产成本.
【期刊名称】《节能与环保》
【年(卷),期】2019(000)005
【总页数】3页(P87-89)
【关键词】钛白粉生产;能耗分析;降耗对策;生产成本
【作者】李庆;赵昕;张修臻
【作者单位】安徽金星钛白(集团)有限公司;安徽金星钛白(集团)有限公司;安徽金星钛白(集团)有限公司
【正文语种】中文
硫酸法是我国当前生产钛白粉的主要方式，这一方式优点众多，例如工艺成熟、原材料来源充足等。

但由于生产方式的原因，产生的废酸、废水较多，并对能源形成了较大的浪费。

伴随我国当前的环境保护压力，国内的环境保护力度正逐渐加大。

因此，国内的钛白粉生产行业受到了较大的影响，一方面需要支出更大的废物处理费用，另一方面过高的生产能耗使其整体成本居高不下，企业的利润降低。

基于这一状况，降低硫酸法钛白粉生产能耗对于相关企业具有深刻的现实意义。

1 钛白粉生产用能现状及成本分析
1.1 钛白粉生产用能现状
硫酸法钛白粉生产工艺中，每吨钛白粉的天然气消耗为200～230m3，且天然气的消耗随季节温度的变化及煅烧模式的调节而波动，这部分的成本基本上被限定在了590～679元（以当前2.95元/m3的单价核算）。

如果每吨钛白的天然气消耗量能够降低10%，即降低20m3，一个产能10万t/a的工厂，一年下来可以节约燃气成本590万元，经济价值可观。

如何降低天然气的消耗水平，是近年来各个钛白粉厂家关注和研究的课题之一。

1.2 钛白粉生产成本分析
钛白粉的生产成本主要由几方面构成，具体包括：原材料、人力成本、能耗费用、定额辅材、废物处理费用等。

伴随钛矿开采成本的一路上涨，原材料的成本也正在逐年上涨，加之我国的钛矿品质较低，使用该种钛矿的综合生产成本较为高昂，不少企业选择使用国外的高品质钛矿作为原材料。

其次，伴随国内劳动力资源的日趋紧张，劳动力的成本也正在逐年上涨，这一部分的费用只能通过技术升级的成果所抵消，并不可能降低。

而且钛白粉生产还有着众多的定额辅材，这些辅材在2012年价格上涨，这也带来了相关成本的上升。

能耗费用也是钛白粉生产成本中的一大支出，这一部分的费用通过改变原先相对粗放的生产方式能够降低。

传统的钛白废酸处理技术是应用生石灰中和处理，这一处理方式并不能达到较好的处理效果。

而且由于钛白废酸含有多种不同的成分，生石灰中和处理并不能对其中的重金属离子成分进行有效的处理。

由于部分钛白废酸的浓度过高，它的处理成本将高于废酸的平均处理成本。

传统的钛白废酸处理技术是应用生石灰中和处理，这一处理方式反
应剧烈、成本高昂，必须同步使用石粉、电石渣等碱性物质分段处理。

主要杂质及重金属进入钛石膏中，中性水达标排放，需要平衡成本、水质、环保等各方面因素，整体技术难度较大。

由于钛白废酸浓度有波动，虽然总酸度一定，理论上需要消耗的碱量一定，但瞬间较高的废酸浓度影响反应效果，造成不必要的浪费，成本增加。

2 钛白粉生产用能分析
2.1 蒸汽
蒸汽需要消耗大量的能源，而钛白粉生产企业在生产过程中离不开蒸汽的使用，它用于真空结晶、钛液浓缩、水解、废酸浓缩等生产工序。

不同企业之间蒸汽消耗存在较大的差距，这一方面是企业之间厂内余热综合利用程度差异，另一方面则是各个企业之间的生产设备存在较大的差异，这也导致企业之间的生产成本存在一定的差异。

2.2 燃料
对于金红石型钛白粉生产而言，偏钛酸浆料在进入转窑后，是由锐钛型向金红石型转化的一个过程，由低温段到高温段会依次进行脱水、脱硫、晶种转化及粒子成长等三个阶段。

当前的工艺水平下，进窑物料的水分含量一定，偏钛酸由锐钛型转化成金红石型，所需要的煅烧温度在900℃左右，也就是说转窑的窑头部分，要消
耗一定的燃气，才能提供这个转化温度，这就限定了天然气的最低消耗。

2.2.1 物料水分含量
进窑前的浆料含有大部分的游离水，整体固含量水平只有20%，必须尽量多地去
除多余水分，避免不必要的燃气消耗。

通过计算，进窑滤饼中的固含量每提高1%，吨钛白的天然气消耗会降低1.5m3。

行业中常用的是隔膜板框压榨方式，该设备
在钛白粉制造行业中属于成熟装备，应用时间较长，一般控制在1.0～1.6MPa的
压榨压力，滤饼固含量50%左右。

由于配套的隔膜压榨板框还停留在当时的制造
水平上，压榨压力已达上限，就算能提高压榨压力，板框、滤布的承压能力也跟不
上。

2.2.2 设备热损失
工业回转窑是钛白粉生产中必须用到的煅烧设备，钢筒内壁衬上不同功能的高铝砖型。

大多数的转窑在当时设计时，更多的是考虑物料的酸性和窑砖的耐热性，故窑尾低温段是耐酸耐腐砖，窑头高温段是耐热砖。

从工艺的角度看，这类转窑能够满足生产的需要，但是节能性一般，钢体外壳最高温度能达到250℃，这部分的热
损耗极大。

3 钛白粉生产的降耗对策
3.1 使用活性更高的四氯化钛晶种
传统的硫酸法钛白粉生产时，需要在转窑煅烧前加入煅烧晶种，即金红石型晶种，它是一种二氧化钛的溶胶，也是金红石转化的促进剂。

偏钛酸浆料在进入转窑后，是由锐钛型向金红石型转化的一个过程，由低温段到高温段会依次进行脱水、脱硫、晶种转化及成长等三个阶段。

从产品质量的角度考虑，终点转化温度越低越好，但是偏钛酸在由锐钛型向金红石型转化的过程中，必须达到一定的温度，也就是说必须要达到一定的燃气消耗，才能提供这个转化温度，由此，产品质量、转化温度（燃气消耗）和晶种活性之间形成了一个动态平衡关系。

现有的工艺通过金红石晶种的制备，得到一定活性的金红石晶种，加入产品中，受限于该晶种的制造成本，添加比例大概在3%～6%，且该晶种制备流程长，制备
过程复杂。

如果制备过程控制不好，晶种自身转化率较低的话，其活性和促进作用明显降低。

同时作为晶种制备的原料，偏钛酸和液碱、盐酸中存在的杂质，就会直接进入成品晶核中，造成后期煅烧产品时的晶格缺陷，影响产品色相指标。

而采用无水四氯化钛为原料，经过脱盐水的稀释、酸碱中和、沉降洗涤后所得的晶种，存在晶核数量比例稳定、活性高、存储时间长、杂质影响极低的优点。

因此，使用无杂质的无水四氯化钛取代碱溶工序使用的含杂质的水洗偏钛酸，得到的晶种
成品更为优异。

依靠其更高的活性，在相差不多的成本条件下，能够更多地降低转窑高温段的转化温度，以达到节约燃气的效果，详见表1。

表1 晶种折钛占比窑头温度窑尾温度燃气单耗产品指标% ℃ ℃Nm3/t L b TCS SCX R水解晶种+煅烧晶种6～8 930 375 223 95.2 1.85 1800 3.02 99.1四氯化
钛晶种1.8～2.2 898 385 215 95.1 1.90 1830 3.45 99.0
3.2 表面活性剂促使固液分离
表面活性剂是指加入少量能使其溶液体系的界面状态发生明显变化的物质。

具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列。

表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为疏水基团。

亲水基团常为极性基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐羟基、酰胺基、醚键等也可作为极性亲水基团。

疏水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。

通过加入合适的表面活性剂，使得偏钛酸絮团更加均匀地分散，体系中的游离水在亲水集团的作用下聚集、分离，降低脱水速度和效果。

3.3 隔膜压滤机的优化选型及压榨压力的提升
进窑前的浆料含有大部分的游离水，整体固含量水平只有20%，必须尽量多地去
除多余水分，避免不必要的燃气消耗。

目
3.4 更新的窑砖选型来减少热损失
根据回转窑设计规范，选用砖设计为等大端竖楔形砖型，等大端尺寸为112mm，长度为198mm。

为使所用砖具有耐用且经济保温的效果，采用复合材质以及镶嵌纤维毡的设计。

砖型示意图见图1。

图1
为增强其整体稳固性，窑头、窑尾部位，采用高强耐磨浇前行业使用较多的是隔膜压滤机，依靠更高的压榨压力，使得游离水最大限度地脱除，提高了进窑滤饼的固含量，节约了窑内脱水段的热能消耗，节约燃气。

根据以往的数据，叶滤机和转鼓过滤机由于以真空为动力，因此得到的进窑偏钛酸的游离水含量一般都在60%以上。

离心机的分离因数较高，游离水含量比前面两
者都要低，但也超过了50%。

而隔膜压榨得到的偏钛酸水分含量则还要低，压滤
机按批次循环操作过程，分为：进料-过滤-预压榨(可选)-中心反吹-滤饼水洗(可选)-后压榨-滤饼吹扫(可选)-卸饼，以及滤布清洗(周期可调)。

以10min的压榨时
间为例，当压榨压力在1.0MPa时，一般水分含量不高于50%。

当压榨压力达到1.5MPa以上时，水分含量甚至可以低至40%。

隔膜压滤机是滤板与滤布之间加装了一层弹性膜的压滤机。

使用过程中，当入料结束，可将高压流体或气体介质注入隔膜板中，这时整张隔膜就会鼓起压迫滤饼，进而实现滤饼的进一步脱水，就是通常讲的压榨过滤。

目前钛白行业使用的隔膜压滤机，压滤机的设计压榨压力可达2.0MPa，使用压榨压力大多为1.6MPa的水平，压榨后滤饼中游离水+结合水的比例仍达到50%。

与此同时，3.0MPa压榨压力的压滤机也开始普遍应用于除钛白粉生产以外的各行业，由于压力的提高，滤饼的含固率也有明显的提高，相比1.6MPa的压榨固含量，提高了5%～10%，钛白行业值得借鉴。

通过上文中的计算可知，滤饼固含量提高5%的下限值，吨钛白也能节约燃气7.5m3，经济效益较明显。

最近兴起的膜过滤技术，可以最大程度地回收压榨滤液中的盐分，可能降低生产成本，值得深入探究和借鉴。

注料。

同时为解决表皮温度偏高问题，设计采用多层复合结构：热端采用磷酸盐不烧高铝砖（砖致密、体密高、导热强）和冷端为隔热砖（体密低、隔热好），并镶嵌纤维毡进行绝热，减少热量传导，达到节能降耗目的。

采用最新窑砖工艺的工业回转窑，桶体温度下降明显，吨钛白能够节约天然气20m3，经济效益显著。

3.5 钛矿的综合选择
在今后的一段时间内，我国还将是选择应用硫酸法生产钛白粉。

而钛铁矿作为钛白
粉生产的原材料，钛铁矿自身的品质与质量对于钛白粉生产具有重要的意义，甚至在某种程度上决定了企业的生产成本。

因此，相关企业应根据自身的条件，降低运输成本，充分利用国内优质攀西矿的低杂质、国外优质矿的高品位低价格等优势，选择恰当的矿种搭配以达到最佳的生产效果。

相关企业可进口一些高品质的钛铁矿作为补充，每吨矿粉的价格差异乘以2.3倍，可直接体现在吨钛白用矿成本上，经济效应十分可观。

3.6 提高节能意识，强化水电气管理
在我国当前的钛白粉生产当中，水、电、气的成本甚至占了总成本十分之一。

因此，降低这一部分的成本对于降低整体的生产成本具有重要的意义。

相关企业应树立节能意识，从管理、生产上高度重视节能。

例如选用能耗较低的生产设备或是加大水的循环利用，减少对于相关资源的浪费。

此外通过利用下料余热等减少对于燃料的浪费。

4 结语
综上所述，由于我国所使用的钛白粉的生产方式会消耗大量的能源，这些能源本身能够通过提升技术、树立节能意识等多重措施而减少。

因此，我国相关单位必须从分析硫酸法钛白粉生产能耗入手，针对硫酸法钛白粉生产中耗能较高的环节加以分析，切实降低硫酸法钛白粉生产成本。

参考文献
【相关文献】
[1]丁浩,刘玉芹,周红.中国钛白粉生产环境效应及可持续发展[J].地学前缘,2014,21(5):294-301.。