钛白废酸浓缩装置设计优化

1钛白废酸浓缩装置的设计优化南通三圣石墨设备科技股份有限公司刘孝平一、前言钛白废酸不同于一般的工业废酸，除了排放量大之外，还含有大量的FeSO4、Al2（SO4）3、MgSO4、CaSO4等无机盐及TiO2，处理工艺复杂，难度大，许多企业虽然在“三废”综合治理上做了大量的工作，但环保问题依然严峻。为了解决这一难题，还工厂一片绿色，南通三圣石墨设备科技股份有限公司，倾心研究废酸回收再生技术十二年之久。向钛白行业提供了10多套废酸浓缩装置，为钛白行业的节能减排做出了贡献。最近的一些钛白废酸浓缩项目中，我们在总结原有装置运行经验的基础上，进行了设计优化，现与诸位共同探讨。二、钛白废酸浓缩装置的现状我国钛白废酸浓缩1989年引进了芬兰诺玛公司的技术及装置。2001年至2004年间，南通三圣在原德国拜耳钛白废硫酸回收厂厂长岗特•莱拉赫博士的指导下，开发了“尾气预浓缩”加“蒸汽双效三段浓缩”的工艺技术及装置。国内专业设计院及公司近几年也设计了几套钛白废酸蒸汽浓缩装置。归纳起来，我国钛白行业目前采用的废酸浓缩工艺及装置主要为以下三类：1、芬兰诺玛公司的“双效三段蒸汽浓缩”技术及装置；2、南通三圣开发的“尾气预浓缩+双效三段蒸汽浓缩”技术及装置；3、国内专业设计院（公司）的“双效二段蒸汽浓缩”技术及装置。三类废酸浓缩工艺及装置的比较项目①引进装置②南通三圣③其他备注工艺流程及成品酸浓度尾气预浓缩无有无蒸汽二段双效浓缩有有有蒸汽三段浓缩有有无成品酸浓度68-70%68-70%50-55%主要工艺设备石墨加热器列管式块孔式氟化酚醛树脂浸渍、块孔式列管式蒸发器玻璃钢衬氟化乙丙烯碳钢衬玻璃钢加氟化石墨板玻璃钢2及循环泵（管）循环泵进口高硅铸铁轴流泵大连耐酸泵厂高硅铸铁轴流泵钢衬氟轴流泵、哈氏D合金轴流泵循环管玻璃钢衬氟化乙丙烯碳钢衬玻璃钢加氟化石墨板玻璃钢从上面的对比表可知，1、南通三圣是在芬兰诺玛公司“双效三段蒸发浓缩”的基础上，开发了尾气预浓缩工艺技术及装置，充分利用了煅烧尾气的余热，能大幅度降低废酸浓缩的蒸汽消耗。2、由于国内还没有掌握玻璃钢衬氟化乙丙烯及耐负压的碳钢衬四氟生产技术，而单独使用玻璃钢制设备及管道，只能保证在酸浓＜60%、酸温＜100℃的工况下长期运行（酸浓低时使用温度可提高到110℃）。所以，国内专业设计院（公司）一般是采用双效二段浓缩，成品酸浓为50-55%；南通三圣开发了碳钢衬玻璃钢加衬氟化石墨板的专有技术，可以保证蒸发器及循环管在酸浓68-70%、酸温150℃的工况下长期稳定运行，因而与芬兰劳马公司一样，采用了双效三段蒸汽浓缩。3、浓缩加热用的石墨加热器，芬兰诺玛公司“列管式”、“块孔式”都采用。而我国尚未掌握“石墨管的全石墨化”的生产技术，采用压制成型的石墨管在急冷急热的工况下容易爆管、开裂。所以南通三圣是采用氟化酚醛树脂浸渍的“块孔式石墨加热器”；4、在酸浓为20-80%、酸温＜150℃且含有大量的硫酸盐晶体的工况下，高硅铸铁的耐腐、耐磨性能均优于四氟与哈氏D合金，采用高硅铸铁轴流泵更合理。我国引进芬兰诺玛公司的废酸浓缩装置，初期运行时一效加热器结垢堵塞严重，难于正常运行。经过多年的改进，现一效加热结垢情况有所改善，基本上能正常运行。南通三圣提供的废酸浓缩装置，有的运行很好。如最早的几套装置“武汉方圆钛白”、“东佳金虹钛白”、“二七二钛白”等，近几年的“云南大互通钛白”、“南京钛白”、“飞洋钛白”、“攀枝花大互通钛白”也运行很好。但是由于种种原因，有的装置出现了一效加热器结垢堵塞、系统小故障多，运行不够理想的情况。采用其他设计院（公司）设计的废酸浓缩装置，有的出现加热器石墨管爆管开裂、频繁损坏；有的既出现一效加热器结垢堵塞，又出现石墨管爆管开裂、频繁损坏等现象，运行不理想，蒸汽耗用量大。南通三圣开发的尾气预浓缩装置，在尾气含钛白粉尘少、操作中定时冲洗的厂家运行很好。而在尾气中钛白粉尘含量高、操作中未定时冲洗则出现堵塞、运行不理想。三、装置的设计优化南通三圣为我国钛白行业提供了10余套废酸浓缩装置，尽管工艺流程及主要工艺设备基本相同，而装置的运行却有差别。从对用户负责、服务于钛白的宗旨出发，通过分析、总结及论证。已对废酸浓缩装置从设计上进行了优化、硬件上予以保证。从而尽量减少运行中人为因素的影响，保3证装置的稳定运行。1、尾气预浓缩系统的设计优化详见“尾气预浓缩工艺流程示意图”。①、为了保证尾气预浓缩的连续稳定运行，在进入尾气预浓缩系统前采用“高温电除尘装置”，以确保进入预浓缩系统的尾气少夹带钛白粉尘。“旋风除尘”、“重力沉降室”与“高温电除尘”捕集粉尘的最小粒径见下表：重力沉降、旋风除尘与高温电除尘的比较装置型式捕集最小粒径（μm）压力损失（Pa）适用范围重力沉降室10050－150前级收尘旋风除尘器10300－1500前、中级收尘高温电除尘器0.0180－200中、后级收尘煅烧尾气夹带的钛白粉尘粒径很小，大部分小于10μm。所以，仅采用重力沉降或者重力沉降加旋风分离，其分离效率是非常低的。采用重力沉降加“高温电除尘器”，收尘效率可在96%以上，进入尾气预浓缩系统的钛白粉大大减少，为尾气预浓缩的稳定运行提供了保障。②、根据每个厂家的尾气量、组分、温度、湿含量、水蒸汽的露点温度、尾气中SO3含量及粉尘含量等等，分别进行详细的计算后，确定预浓缩器的结构尺寸，保证每套装置的预浓缩效果。③、将原来的汽液分离塔改为带搅拌的汽液分离槽，当系统带入少量钛白粉尘时，不会因沉4积在塔底而堵塞出口管道，影响正常运行。④、将“快开式热酸换热器”安装在二层，便于操作人员及时排放换热器内的沉积钛白粉。2、蒸汽浓缩系统的设计优化①、各段蒸发浓缩工艺参数的优化蒸发浓缩各段的工艺参数的选定非常重要。我国某钛白厂曾进行过多次废酸浓缩的小型试验，得出的结论是“在废酸浓缩至30-34%时，可溶性钛、Ca、Mg杂质极易造成加热器管（孔）结垢直至堵塞；在废酸温度＞115℃时，可溶性钛大量析出”。在浓缩过程中，硫酸盐的溶解度随酸浓提高、酸温提高而发生变化。所以，硫酸盐的析出是客观存在的。但是，不同的酸浓、不同的酸温，这些硫酸盐的析出量和组成是有区别的。通过采取工艺措施，可以减少它们的析出量或延缓它们的析出时间。根据废酸浓缩装置的运行实践及小型试验结论，我们认为当系统有亚铁晶体时，上述杂质绝大部分会吸附在亚铁晶体表面析出，而且可以随亚铁带出系统。所以，应根据进入蒸汽浓缩系统的不同浓度的废酸，合理的确定各段的工艺参数。通过控制各段的温度、压力及浓度，减少一段浓缩中可溶性钛、Ca、Mg等杂质的析出量，或者使它们后于亚铁晶体析出、使其附着亚铁晶体表面、并随亚铁晶体带出系统。②、蒸发设备的设计优化蒸发设备的设计优化就是合理的确定各段加热器的传热面积、循环酸流量及选择强制循环泵的有关技术参数，保证各段蒸发物料在设计的参数下运行。a、根据系统的热量平衡计算及实践总结的各段传热系数k值，确定各段加热器的传热面积。b、根据物料流经加热器的合理流速，选择循环酸流量。流速慢时达不到强化传热及将亚铁与硫酸盐杂质带出系统的目的；流速太快时会造成对石墨部件的冲刷，影响设备的使用寿命。c、正确选择强制循环泵的有关技术参数。废酸浓缩一般是采用化工轴流泵，而轴流泵的“Q—H曲线”（以大连耐酸泵厂的HZG350泵为例）比普通的离心泵要“陡”，也就是说轴流泵的实际流量随系统阻力变化非常明显，设计选型中必须考虑这一因素。否则，一旦系统稍有结垢、系统阻力增加时，泵的流量达不到要求。粘附在管孔壁的垢层因物料流速慢而冲刷不掉，并且会迅速累积而造成系统不能正常运行。南通三圣石墨设备科技股份有限公司，根据从事几十年石墨设备制作及运行的经验，总结了本公司的石墨换热设备在废酸浓缩装置上的传热系数与合理流速，较好的保证了石墨设备在钛白废酸浓缩装置上长期稳定运行。5四、结语目前我国钛白行业大部分是采用南通三圣提供的废酸浓缩工艺技术和设备，针对有些装置运行中存在的问题，通过分析论证后，进行了设计优化。在尾气预浓缩系统配置高温电除尘器、在蒸汽浓缩系统通过优化各段的工艺参数等等，能较好的解决钛白粉粉尘影响预浓缩器的运行、废酸中硫酸盐结垢堵塞一效加热器管（孔）的两大难题。通过装置的优化，能减少运行中人为因素的影响，保证装置的稳定运行。三废治理是制约硫酸法钛白发展的瓶颈之一，南通三圣愿与各钛白厂家密切合作，为钛白行业的节能减排、实现清洁生产做出贡献。