旋转闪蒸干燥系统在氯化法钛白粉生产中的应用与尾气余热的节能再利用

陶春雷，吴 琼，张 亮，陈美娜

（1.中信钛业股份有限公司，辽宁锦州 121000；2.中信锦州金属股份有限公司，辽宁锦州 121000）

1 闪蒸干燥系统在氯化法钛白粉生产中的应用

1.1 旋转闪蒸干燥器的特点

旋转闪蒸干燥器相比于传统的喷雾干燥具有以下特点：能处理不可泵送产品；干燥与产品处理结合进行；连续运转；最小的空间需求；热传递与物料输送效率高；热量损失微小；方便维护；提高了对物料性质变化的适应性；提高了装载容量；能够进行高温干燥；能干燥高热敏产品。

1.2 系统简介

图1 旋转闪蒸干燥器的系统构成示意图Figure 1 Schematic diagram of the system structure of the rotary flash dryer

旋转闪蒸干燥器的系统构成见图1。

系统A：进料系统，原料来自于进料罐。进料罐配备有旋转搅拌器，可确保以稳定的进料速度将物料送至干燥室内。进料罐底部装备有一台单螺杆螺旋定量加料器，用于将物料送到干燥室内。螺旋加料器由变频器控制的减速电机驱动，加料速度由干燥室出口的温度来控制。

系统B：进风系统。

系统C：加热系统。进口工艺气体在燃气加热器中被加热至650 ℃，加热器出口气体的温度由温度仪表控制。

系统D：旋转闪蒸干燥器，它由干燥室、空气分布器和粉碎器三部分组成。

系统E： 袋滤器及排风系统。干燥的产品在袋滤器中从废气中分离出来。首先含粉气体通过进风口进入粉尘室，产品被阻隔在过滤袋外表面，干净的尾气穿过过滤袋进入过滤袋内部，并从出口排出。运行过程中袋滤器通过间歇的压缩空气脉冲进行清洁，空气脉冲来自于过滤袋上部管道上的喷嘴，这些喷嘴在遍布整个过滤袋的开孔上产生压力波。这个冲击波使产品脱离布袋进入卸料室，然后通过振动下料器和出口处的旋转阀离开袋滤器。清洁过滤袋的压缩空气由一个时间控制器来进行控制。

1.3 干燥工艺简介

含水50%的滤饼经螺旋加料器进入进料罐，再由螺旋输送到闪蒸干燥塔内，在闪蒸干燥塔内，滤饼被粉碎叶片打碎成碎块，由底部进来的热风干燥，在一定的时间内，半干的物料不断被干燥，同时和叶片碰撞，粒径不断变小。当粒径和水分含量达到所需数值后，粉末混合蒸汽从干燥塔顶部随气流逸出，并进入袋滤器被收集，形成产品。该产品的主要性能参数包括粒度、水分含量和产能。

产品粒度：该系统的产品粒度首先取决于原料的粒度，这是由于该闪蒸系统采用高速旋转的叶片进行机械破碎，该机械破碎的程度相当于打散，即将团聚在一起的物料不断地打散，在干燥过程中去掉水分，形成细小的颗粒，由于并没有研磨的作用，所以最后的产品粒度不会小于物料颗粒的大小。其次，产品的粒度取决于叶片的外形设计和转速，转速越快，粉碎效果越好。原料滤饼的粒度范围在0.2～1 μm之间，相应的最终产品的粒度也在此范围内。

产品的水分含量：产品的水分含量取决于两点：一是物料在干燥塔中的停留时间，另一个就是干燥塔出口的温度。物料在干燥塔中的停留时间越长，水分蒸发就越多，产品的干燥程度就越高；干燥塔出口的温度越高，工艺风所能容纳饱和水蒸汽的能力就越大，从而导致物料水分含量的不同。

系统产能：系统产能首先取决于设备设计时的水蒸发量，对于该套系统而言，水蒸发量基本已限定，在生产中，产能的影响因素有两点：一是进风温度，进风温度越高，所能提供的热量越多，从而水蒸发量越大，单位时间内的进料量和产量就会越多，即系统的产能越大；另外产能还取决于原料滤饼的水分含量，原料滤饼的水分含量越高，在额定的水分蒸发量下，产能就越低。

根据以上工艺原理，该工艺的主要控制点在于干燥塔出口的温度和进料速度的联锁，一般维持干燥塔出口的温度为一设定值，当干燥塔的出口温度较高时，联锁就会提高进料螺旋器的转速，增加进料量，这样进入到干燥塔内部的物料增多，水分量增大，水蒸发量增大，从而吸收多余热量，降低出风温度。当干燥塔的出口温度低于设定值时，进料螺旋器相应的速度降低，减少进料量，进入到干燥塔中的物料量减少，水分蒸发量减少，出风温度相应提高。在该动态平衡中，产品可以保持稳定的水分含量，从而保证产品的质量稳定。

1.4 特殊设计

1.4.1 设备材料的选用

由于氯化法钛白粉的原料具有较强的腐蚀性，以及干燥过程中温度较高，所以设备的选材很关键。

针对强腐蚀性的原料，进料系统全部采用抗腐蚀的316L 不锈钢，可以有效防止设备的腐蚀。干燥塔中高速旋转的叶片，和硬粉料接触碰撞，磨蚀也很厉害，针对此优选了抗磨蚀性良好的双相钢作为核心动部件的材料，有效减少了磨蚀，提高了设备的使用寿命。针对650 ℃高温接触部件，采用了Avesta 253 高温合金。

1.4.2 设备内部的结构设计

闪蒸干燥设备的设计，不同的厂家各不相同，针对于干燥塔内部，由于热风是自下向上吹，物料从上向下进入，如果设备结构设计有问题，会导致物料坠落入空气分布器中，造成工艺风的堵塞。本研究选用的闪蒸干燥系统采用倒锥型设计，配合一定的角度，可以有效防止物料落入空气分布器中，减少生产过程中的故障和维护。

2 闪蒸干燥系统尾气余热的节能再利用

2.1 设计指导思想

后处理工序闪蒸干燥装置利用天然气燃烧加热冷空气，加热后的热空气完成物料干燥工艺过程的同时产生155 ℃的低温尾气排空，这部分低温尾气排放后产生余热浪费。为了回收低温余热，降低天然气的能源消耗，实现降本增效的目的，本设计采用新技术、新装备回收利用干燥低温尾气余热。这部分符合国家排放要求的低温尾气，如果采用常规换热器很难回收其余热，常规换热器的换热效率非常低，不能够形成经济规模。

高效真空相变能量回收换热装置采用国外新技术，可最大限度地回收低温尾气余热资源，提高能源的综合利用率，节省天然气消耗。本研究利用该技术回收闪蒸干燥低温尾气余热，将闪蒸干燥装置进口空气提前加热，从而节省天然气消耗，降低生产成本。

2.2 工艺设计思想

约17 000 Nm3/h 外界常温空气经过滤器过滤后进入鼓风机，鼓风机将新风送入热风加热炉，混风加热至满足闪蒸干燥工艺的温度。加热后的热风在干燥塔里干燥钛白粉（干燥蒸发量为2.5 t/h）。从引风机排出的约150 ℃的尾气未经任何回收直接排入大气。干燥塔中的压力由鼓风机、引风机共同控制，维持在微负压状态。

低温尾气余热回收的核心思想是：利用150 ℃的排空尾气预热新风，把从外界吸入的常温空气加热至88 ℃，节省天然气的消耗量。

2.3 工况参数设计

后处理厂房内平均气温为9 ℃，极限最高温度为42 ℃，极限最低温度为-23 ℃。因此本方案入口空气温度按9 ℃进行设计，并按-23 ℃/42 ℃进行校核。余热回收装置工况设计参数见表1。

表1 余热回收装置工况设计参数Table 1 Design parameters of waste heat recovery equipment

后处理闪蒸干燥装置，引风机：额定流量41 926 m3/h；全压9 375 Pa；工作温度80 ℃；主轴转速1 450 r/min；电机型号Y315L-4；电机满负荷频率60 Hz；皮带轮传动比2∶1；电机转速2 900 r/min。引风机运行状况：风门开度95%；电机频率50 Hz。尾气流量：34 483 m3/h（工况150 ℃）。干燥蒸发量为2.5 t 水，水蒸气体积流量≈3 200 Nm3/h。鼓风机新风工况流量：17 000 Nm3/h，新风流量受燃烧器、热风炉效率、空气过剩系数等因素影响。

2.4 低温余热回收装置设计

低温余热回收装置为一体式，150 ℃尾气进入余热回收装置后，释放的热量被传递给新风侧，加热新风至88 ℃。热端处在引风机前的管道内，冷端露出在管道外；尾气经过热端后，降温释放热量，释放的热量经过余热回收器传递给冷端新风；需增设新风管道，将预热后的新风引至鼓风机入口处，完成热量传递。

换热元件以304 不锈钢和铝材为主要材质，从而可以防止尾气凝结时，在受热面生锈，影响钛白粉的质量；另一方面，也便于积灰时用热水进行冲洗。

换热元件前三排采用三角形光管防磨区域；后面的换热管束采用翅片的形式，内部每隔几排布置有管道冲洗系统，管道上钻有小孔，外接热水，可以在不拆外壳，在系统还在运行时对能量回收器进行清洗。能量回收器下面布置有接水盘，可将冷凝水及冲洗水收集起来并用管道泵引出。

另外设计可拆卸结构及检修门。检修的时候，可以直接拆装外壳，用水或者压缩气体冲刷死角的积灰。

余热回收装置迎面宽×迎面高×厚度=2.7 m×2.5 m×1.4 m。

2.5 节省天燃气消耗计算

节省天燃气消耗计算见表2。

表2 节省天燃气消耗计算值Table 2 The calculation value of saving natural gas consumption

2.6 经济效益分析

经济效益分析见表3。

表3 经济效益分析Table 3 Economic benefit analysis

3 闪蒸系统运行中可能出现的问题和解决方案

（1） 雾化不充分，有物料掉入空气分布器中。

可能有两个原因：一是启动阶段进料速度过快，导致低温段物料干燥不充分，从而使物料掉入空气分布器中。另一个是粉碎叶片转速过低。

应对方案：启动阶段进料速度要保持低速，粉碎叶片的转速要严格按照工艺要求执行。

（2） 进料螺旋刮壁。

可能的原因：螺旋安装时水平度和同心度没有做好，或者运行中有硬物夹杂在物料中。

应对方案：安装时需要先调整水平度，然后调整法兰保持同心度。如果有硬物，停机把进料罐中的物料清理出来去除异物。

（3） 粉碎轴的轴承温度过高。

可能的原因：润滑不够。轴承由于接触高温部分，并且转速高，润滑脂挥发快。或者是使用了错误牌号的润滑脂。

应对方案：每周添加一次指定牌号的高温润滑脂。（4） 产品过于干燥或水分过大。

可能的原因：干燥塔出口温度设定过高或过低。应对方案：调整干燥塔出口温度的设定值。

（5） 袋滤器压差过大。

可能的原因：过滤袋堵塞。

应对方案：更换过滤袋，或者调整喷吹压力和频次。

4 结语

作为30 000 t/a 氯化法钛白粉项目原料转化为产品过程中的重要环节，闪蒸干燥系统设备的性能、稳定性、可持续性和可操作性很关键。对于无法泵送的原料，闪蒸干燥技术无疑是一种非常适用的技术，减少了原料稀释环节，从经济效益上来说减少了能量的消耗，而且设备的外形尺寸小，可操作性好。同时利用尾气余热回收装置进行余热再利用，降低了天然气的能源消耗，实现降本增效的目的，真正实现可持续发展的理念。