喷雾浓缩钛白废酸半工业试验

李亮,邓刚

(1.攀枝花学院材料工程系,四川攀枝花617000;2.四川钒钛材料工程技术研究中心,四川攀枝花617000)

喷雾浓缩钛白废酸半工业试验

李亮1,2,邓刚1,2

(1.攀枝花学院材料工程系,四川攀枝花617000;2.四川钒钛材料工程技术研究中心,四川攀枝花617000)

在探索试验基础上进行了喷雾浓缩钛白废酸半工业试验。考察了新研制的喷雾浓缩废酸装置的稳定性、耐腐蚀性、经济性及酸回收率,确定了浓缩废酸最优工艺参数。结果表明,用新研制的喷雾浓缩装置处理钛白废酸具有较好的产业化前景。

喷雾浓缩;钛白废酸;装置;工业试验

钛白粉具有稳定的物理、化学性质,优良的光学、电学性质以及优异的颜料性能,在涂料、塑料、造纸、化纤、油墨、橡胶、电子工业、化妆品、电焊条、搪瓷、陶瓷和冶金等领域有广泛的应用。目前,国内钛白生产除攀钢集团锦州钛业有限公司采用氯化法生产外,其余均采用硫酸法生产。硫酸法的优点是原料资源丰富、廉价易得、设备简单、技术成熟,缺点是工艺流程长、废副(硫酸亚铁、废酸和废水)排放量大,平均每生产1 t钛白粉要产生6～8 t废酸(酸度20%左右)。钛白废酸中还含有大量FeSO4、TiO2、Al2(SO4)3、MgSO4等物质,因此,废酸的治理与综合利用是解决硫酸法钛白生产环境污染和企业生存的一项势在必行的工作[1]。

针对传统废酸处理工艺中的不足,设计了喷雾浓缩新装置[2]。实验室探索试验结果表明,利用此装置,钛白废酸可一步浓缩至酸度≥80%,硫酸回收率≥90%。在此基础上又进行了半工业试验,重点考察喷雾浓缩装置的稳定性、经济性、酸回收率,并确定最优工艺参数。

1 半工业试验流程及设备

1.1 半工业试验流程

半工业试验流程如图1所示[3]。

硫酸法钛白水解工序产生的浓度为20%左右的废酸进入喷雾浓缩流程,浓缩后经贮存、过滤,浓度提高至60%以上,可返回酸解工序。硫酸在流程中闭路循环,彻底解决了钛白水解废酸对环境的污染问题。该流程的另一个特点是,喷雾浓缩工艺可以充分利用硫酸法钛白工艺回转窑的煅烧尾气(温度300～400℃),对于降低能耗具有重要意义。

图1 喷雾浓缩钛白废酸联合试验流程

1.2 试验所需主要设备

试验所需主要设备有：喷雾浓缩装置(自制);离心机(SS300,张家港国华机械有限责任公司);加热炉(自制);喷淋塔(自制);全自动控制柜(自制)。

2 理论计算

2.1 适宜浓缩终点的确定

为了将浓缩后的酸全部返回钛白生产工艺,进行了酸平衡计算,以确定较佳的浓缩浓度。计算结果如图2所示。

图2 钛白废酸浓缩平衡图

从图2看出：要使浓缩废酸全部返回主流程,应将废酸至少浓缩至67.63%。考虑到浓缩度越高,成本就越大,试验确定废酸浓缩终点为70%。

2.2 物料衡算

根据钛白废酸浓缩平衡图,将废酸浓缩至70%,则每生产1 t钛白产生废酸7.15 t;硫酸的收率按85%计,则废酸浓缩前后的化学成分见表1,物料衡算结果见表2。可以看出：将生产1 t钛白产生的废酸经喷雾浓缩至70%,可以得到浓废酸2 t,需要蒸发水4.04 t,析出硫酸亚铁等固相物约0.86 t。

表1 钛白废酸主要成分%

表2 浓缩7.15 t废酸所得各物料的量

2.3 热量衡算

蒸发温度为100℃。硫酸、水和硫酸亚铁的比热容分别为1.47,4.183和0.66 kJ/(kg·K)。水在100℃下的汽化潜热为2 257.2 kJ/kg。喷雾浓缩7.15 t废酸需标准大气压空气3.1×103m3。水蒸气露点为65℃,露点状态下饱和水蒸气中的水分为168.9 g/kg。喷雾浓缩过程中,硫酸亚铁不断以一水硫酸亚铁晶体形式析出,析出是一个变化过程,无法准确估计其量,故以硫酸亚铁热容近似计算,少量成分省去不计。根据废酸的成分(表1)及物料衡算结果(表2)计算浓缩所需理论热耗,结果见表3。理论温度范围为25～100℃,在计算过程中比热容Cp按平均值计算。从表3看出,浓缩吨钛白废酸理论上需热量1.7×107kJ。

表3 喷雾浓缩吨钛白废酸所需热量计算结果

2.4 喷雾浓缩塔设计尺寸计算

喷雾浓缩装置喷雾塔的设计采用干燥强度法,喷雾浓缩塔设计经验值见表4[2]。

表4 喷雾塔设计经验值

半工业试验喷雾浓缩装置的处理能力取值500 kg/h,废酸浓缩浓度以70%计,则蒸发水量为282.5 kg/h。qA值取6,热风入口温度为300～400℃,则喷雾塔体积为：

根据塔高(h)和塔径(d)的关系,取h/d为5,计算塔的直径和高度分别为2.3 m和11.5 m。

3 试验结果与讨论

3.1 设备防腐

稀硫酸对钢铁材质的设备有腐蚀性,热稀硫酸对设备的腐蚀性更强。可以用作防酸腐蚀的材料有工程塑料、玻璃、石墨、耐酸混凝土、耐酸涂料、陶瓷、搪瓷和钛板等[3]。设备防腐分常温状态下的防腐,如联结喷雾塔的进酸管道、阀门和废酸泵等,和一定温度下的防腐,如喷雾塔(工作温度200～300℃)、出风管道等。常温状态下的防腐可以选用工程塑料做配件,而一定温度下的防腐则较难。喷雾浓缩的主体设备为浓缩塔,浓缩塔的防腐即为半工业试验防腐研究的重点。

玻璃、石墨、耐酸混凝土和陶瓷均可用于浓缩塔的防腐材料,但制作工艺复杂,不利于产业化实施;钛板在常温和高温状态下都防硫酸腐蚀,但价格较贵,制作成本较高;耐酸涂料是一种制作防腐层的最简便的方法,但运行一段时间后有脱落现象,不适宜于浓缩塔防腐。而搪瓷工艺防腐,具有较好的效果,而且制作工艺简便。

3.2 正交试验

条件试验确定的处理能力为10 kg/h左右喷雾浓缩装置的最佳运行参数为：热空气入口温度240～270℃,热空气入口流量90～108 m3/h,废酸流量9～11 kg/h,废酸浓缩浓度65%～70%。半工业试验装置处理能力增大至500 kg/h左右,应重新确定工艺参数。热风温度以低于硫酸的分解温度为宜,硫酸的分解温度为338℃,则热空气入口温度选择250～300℃;随着废酸蒸发量的增大,所需的蒸发热量也增大,根据同比放大效应,热空气入口流量调整为4 500～5 500 m3/h;废酸流量选择450～550 kg/h。为了确定最佳工艺参数,进行3因素3水平正交试验,试验条件及结果见表5。可以看出,3个因素对喷雾浓缩装置浓缩效果的影响依次为：热空气入口温度＞废酸流量＞热空气入口流量;最优喷雾浓缩工艺参数为：热空气入口温度270℃,废酸流量450 kg/h,热空气入口流量5 500 m3/h。

表5 试验条件及结果

3.3 稳定试验

为了验证喷雾浓缩装置及优化工艺参数的稳定性,进行了稳定试验。共进行6批次,每批此投料500 kg。试验结果见表6。

表6 稳定试验结果

从表6看出：在设定工艺参数下,6组试验的废酸浓缩浓度值波动不大,稳定性较好;废酸回收率≥90%,回收率较高。

稳定性试验后,拆开喷雾浓缩塔,检查其腐蚀情况,结果表明,塔内结垢较少,大部分结垢主要集中在分离器后蒸发尾气的入口,因为该段没有防腐措施,但该结垢物容易清理。

3.4 经济成本

根据热量衡算可知,浓缩吨钛白废酸理论需热量为1.7×107kJ。将该热量折算成煤,可以计算出浓缩钛白废酸所需的燃料成本。

煤的热值为20 943 kJ/kg,价格为850元/t,吨钛白浓缩废酸所需煤812 kg,则燃烧成本为690元。

采用燃料作热源,废酸浓缩燃料成本在700元左右。而采用煅烧尾气作热源,则可以降低浓缩成本,具有潜在的推广应用价值。

4 结论

半工业试验获得最佳喷雾浓缩工艺参数为：热空气入口温度270℃,废酸流量450 kg/h,热空气入口流量5 500 m3/h。喷雾浓缩废酸装置运行稳定,采用搪瓷工艺处理可以有效解决防腐问题。废酸回收率≥90%。废酸浓缩的燃料成本在700元左右,采用煅烧尾气作热源,可以进一步降低浓缩成本。该装置具有潜在的推广应用价值。

[1]龚家竹,江秀英,袁丰波.硫酸法钛白废酸浓缩技术研究现状及发展方向[J].无机盐工业,2008,40(8)：1-3.

[2]李亮.钛的废酸喷雾浓缩装置的研发[J].湿法冶金,2010,29(2)：130-133.

[3]何章亮.钛白废酸的综合利用[J].无机盐工业,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,大学本科,副教授,主要从事钒钛资源综合利用和钛白废酸综合利用研究工作。