氯化尾气处理蓄热焚烧流程的设计及实现

2021-01-18杨振华王明秋刘宝龙刘亚东李得祥

化工机械 2020年6期

杨振华王明秋刘宝龙刘亚东李得祥

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司）

钛白粉是一种重要的无机化工颜料，主要成分为二氧化钛，广泛应用于涂料、油墨、造纸、塑料橡胶、化纤及陶瓷等领域。近几年，氯化法制钛白粉工艺因具有流程短、生产能力易扩大、连续自动化程度高及能耗相对低等优点，在钛白粉生产工艺中具有举足轻重的地位。但是，氯化法制钛白粉工艺会产生大量的氯化尾气，具有燃爆、危害健康及污染环境等危险，因此如何科学有效地处理氯化法制钛白粉工艺产生的尾气，使之满足节能减排和绿色环保要求，是钛白粉行业和废气治理行业的一大难题。

王国庆和刘方明对钛金属冶炼产生的以氯气和氯化氢为主的工艺尾气进行了研究，指出采用水洗加氯化亚铁三级淋洗的方法处理尾气效果显著［1］。金芳荣等对四氯化钛生产工艺中传统尾气处理装置的不足进行了完善和优化，改变了传统技术采用的三级淋洗塔吸收尾气中氯化氢的装置结构，采用以吸收器和分离槽为核心的尾气处理装置［2］。李俊峰等对氯化法钛白生产“三废”处理状况及其不足进行了分析，提出氯化尾气中CO 含量较高，可通过焚烧来利用其热量［3］。在众多的氯化尾气治理技术中，喷淋和吸附是较常采用的方式［4，5］，但喷淋和吸附方式只针对尾气中的部分污染组分，而其余组分（如CO、微量有机物等）依然存在未经处理便排放的问题。

蓄热焚烧装置是随着生产和科学技术发展而兴起的一种新型环保节能设备，在利用热力氧化方法对工业废气进行处理的同时可回收尾气中的热量，具有热回收效率高、技术成熟和操作费用低的优点［6，7］。笔者在研究蓄热焚烧技术的基础上［8，9］，基于蓄热焚烧装置，围绕尾气中的可氧化组分设计了容量为9 600Nm3/h 的氯化尾气处理流程，为钛白粉行业利用焚烧技术治理氯化废气提供依据，并为其推广应用奠定基础。

1 设计方案

设计的氯化尾气治理方案需保证尾气达标排放，同时保证工艺流程操作的安全性。流程设计的依据为：对原生产装置的影响最少；符合环境保护的长远要求，避免尾气处理副产物的二次污染；节约能源，降低尾气处理系统的投资和运行费用。

1.1 氯化尾气特性

氯化尾气具有流量大、含尘及腐蚀性等特点，有害组分主要为TiCl4、SiCl4、Cl2、CO、HCl 和颗粒物。尾气中的TiCl4、SiCl4可与水反应；HCl、Cl2等酸性气体可与碱反应；CO 热值高、易燃，实测浓度高达31.00%（表1）。

1.2 尾气处理流程

根据氯化尾气特性，采用“喷淋+蓄热焚烧”的方式对尾气进行治理。整套流程操作弹性按20%～110%设计，年操作时间按8 000h 设计，使用寿命按20 年设计，连续运转周期按1 年设计。氯化尾气处理流程如图1 所示，主要包括预处理装置（喷淋装置系统）、蓄热焚烧装置和余热利用装置。氯化尾气通入预处理装置除去尾气中的粉尘和酸性组分，然后通入蓄热焚烧装置对CO 进行氧化的同时回收其热量，最后使尾气达标排放。

图1 氯化尾气处理流程简图

1.2.1 喷淋装置系统

喷淋装置系统（图2）主要由除尘器、碱喷淋塔、水喷淋塔及气液分离器等组成。

碱喷淋塔和水喷淋塔的主要作用是除去氯化尾气中的TiCl4、SiCl4、Cl2、HCl 和SO2，反应方程式如下：

图2 喷淋装置系统示意图

根据反应条件，喷淋装置的设计温度为20℃。针对氯化尾气特性，喷淋装置选用耐酸碱、耐腐蚀、耐高温且阻燃的纤维增强复合材料。

如图2 所示，喷淋装置工作时，氯化尾气在塔内自下而上流动，喷淋液自上而下流动，氯化尾气与喷淋液直接接触，吸收和除去尾气中的酸性和可溶组分。喷淋塔由PLC 控制加药来自动调节pH 值；利用水位计控制塔内液位高低。在喷淋塔底部设分离槽，防止TiCl4、SiCl4与水反应生成的H2SiO3、H2TiO3溶胶堵塞管道、阀门及填料等。

1.2.2 蓄热焚烧装置

蓄热焚烧装置的基本原理是在高温或点燃条件下，可燃物与O2发生氧化反应生成CO2和H2O，化学方程式为：

蓄热焚烧装置的本体结构主要包括燃烧室、蓄热室和集气室，其他部件包括燃烧系统、换向阀等，目前最常用的三室蓄热焚烧装置如图3 所示。尾气通过集气室均匀地进入蓄热室，吸收蓄热体中的热量升温后在燃烧室内高温氧化，然后经由另一蓄热室放热降温后排至烟囱。通过自控程序切换换向阀，使得尾气在各个陶瓷床之间来回切换以完成尾气的氧化过程，达到废气连续净化的目的。

图3 三室蓄热焚烧装置简图

为保证设备安全运行的同时使得废气中的可燃组分充分燃烧，需对蓄热焚烧装置进行热量衡算。根据一氧化碳爆炸极限和燃烧需氧量计算得到本装置需补充空气量至少85 632Nm3/h，处理能力可达95 232Nm3/h 以上。其他设计参数如下：

设计处理量 100 000Nm3/h

进气温度 20℃

净化率不低于96%

设计热效率不低于95%

陶瓷床换热出口温度 75℃

燃烧室温度 950℃

停留时间 1.2s

1.2.3 余热利用系统

根据工程应用实际需求，余热利用系统选取余热锅炉对氯化尾气中CO 燃烧产生的富裕热量进行回收。余热锅炉设计参数如下：

锅炉烟气量 3 000Nm3/h

烟气入口温度 950℃

烟气出口温度 180℃

锅炉给水温度 104℃

额定蒸汽压力 0.8MPa

额定蒸发量 13t/h

余热锅炉系统采用单锅筒纵置式结构，主要由蒸发器、汽包和省煤器组成。氯化尾气经过蓄热焚烧高温氧化后产生的高温烟气，通过热旁通管路依次经过蒸发器、省煤器，最后由烟囱排入大气，如图4 所示。经过软化和除氧的锅炉水，由给水泵送入省煤器，在省煤器中加热后进入蒸发器，并在蒸发器中自然循环蒸发，产生的汽水混合物通过汽包内部装置的汽水分离作用，使其中的蒸汽分离出来，产生饱和蒸汽。饱和蒸汽经主汽阀引出，送至用汽场所。

2 系统安全防护

为了防止氯化尾气焚烧流程发生安全事故，本流程设计了系统安全防护，所有安全防护措施均编入系统自控程序，主要包括管道安全防护、燃烧系统安全防护和蓄热焚烧系统安全防护。

2.1 管道

氯化尾气和蓄热焚烧装置运行时所需的燃料均具有易燃、易爆和毒性的特点，如果这些物质在管道输送过程中出现泄漏，导致有害物料流出，不仅会对环境造成污染，严重情况下还有可能导致设施损毁、人员伤亡等。因此，在管道设计时需要充分考虑管道的规格、材料及应力等可能造成管道泄漏的因素，特别是管道、管件、阀门连接处的法兰及垫片等极易出现危险物品泄漏的部位。

图4 余热锅炉系统示意图

此外，在管道设计时应根据不同的物料合理选择管道的走向，避免水锤、超压及柱塞流等危害管道安全的情况发生。系统管道每隔10m 设置爆破片或者软连结，同时在进、排气管路设置最低排凝点，防止冷凝液的聚集。

2.2 燃烧系统

燃烧系统中增设的安全防护措施包括：

a. 增设测压装置，设置低压报警联锁，当燃料管路压力低于设定值时，系统启动停车程序，确保系统安全；

b. 增设火焰探测仪对燃烧火焰进行监测，保证燃烧器的安全；

c. 使用气动调节阀实现温度调节；

d. 燃烧系统进口燃料总管采用手动阀门切断，设流量测点和压力测点，信号上传至自控系统；

e. 设置防回火措施和应急措施；

f. 设置阀门检漏，防止燃料逸散在周围环境中，造成环境污染和引发爆燃事故；

g. 具有点火前的预吹扫、高压点火、熄火保护、超温报警及超温切断燃料供给等自动安全防护功能。

2.3 蓄热焚烧装置

由于氯化法制钛白粉产生的尾气具有不稳定性，导致进入处理系统的尾气浓度和压力大幅波动，容易引发事故。因此，在蓄热焚烧装置前端加入可燃气体检测仪，确保进入蓄热焚烧装置的尾气浓度不至于过高，当尾气浓度过高或系统处于非正常运行时，氯化尾气能够从紧急旁路通过烟囱排入大气。在燃烧室和集气室设有爆破阀，一旦装置内压力过高，爆破阀上的膜片会自动爆破，进行泄压保护工作。将蓄热焚烧装置的所有浓度、温度和压力信号上传至自控系统，并设置相应的报警参数，确保可以通过报警信号实时监控装置的运行状态。

蓄热焚烧装置停机后对尾气管路进行有效隔断，从而在每次装置启动时能够保证足够的吹扫时间，防止易燃易爆的尾气长时间积聚于装置内，导致再次点火发生爆炸事故。设置应急电源，当系统停电时，自动切换由应急电源提供系统应急用电，完成停车程序所需电源，确保装置安全。

3 自控系统

图5 蓄热焚烧系统设备操作界面

氯化尾气处理流程设有自控系统，可实现数据采集、模拟量控制、数据存储及系统运行情况分析等功能。蓄热焚烧装置及其辅助系统和单体设备的启/停控制、正常运行监视和调整以及异常与事故工况的处理等均通过自控系统或现场工程师站来完成，任何就地操作手段只用于故障、设备检修或就地巡检人员发现事故时的紧急操作。

操作人员可以根据工艺的需要在设备操作界面（图5）上进行工艺运行参数的设置、监控和修改，系统设备的顺序启停和状态监控，运行参数自动检测和储存，并对关键参数进行自动调节，实现整套氯化尾气处理流程运行的自动控制与计算机管理。

系统发生故障时：轻度故障（不影响系统运行）会有蜂鸣器报警；中度故障（影响系统运行，不需立即停车）会有声光报警器报警，此报警可以安装在控制室外或指定地点；重度故障时，系统立即停车，声光报警器报警。

整套氯化尾气处理流程内所有的压力、温度及液位等测量点都可以设置相应的报警参数。所有的报警信息都可以长期存储在实时数据库中，供操作和维护人员分析、研判整个流程的运行状态，通过调整工艺参数使系统高效、稳定运行。

4 应用效果

在氯化炉正常运行、尾气正常排放的情况下，本流程年回收余热生产的0.8MPa、170℃饱和水蒸气高达100kt。同时对经本流程处理后的烟气进行随机检测，结果见表2。由表2 可看出，经本系统处理后的尾气中Cl2、CO、HCl 含量大幅降低，完全满足GB 25468—2010《镁、钛工业污染物排放标准》及其他相关标准的排放要求。