新型熱管技術(shù)在鈦白粉轉(zhuǎn)窯煅燒尾氣余熱利用上的應(yīng)用

高增麗，李化全

(1.山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 山東 淄博 255000；2.山東東佳集團(tuán)股份有限公司，山東 淄博 255049)

目前，我國(guó)鈦白粉生產(chǎn)過程中，偏鈦酸在回轉(zhuǎn)窯煅燒時(shí)，產(chǎn)生大量的高硫、高濕的尾氣，其中的硫氧化物與水蒸氣結(jié)合后即形成硫酸蒸汽。當(dāng)轉(zhuǎn)窯尾部受熱面的金屬壁面溫度低于硫酸蒸汽的凝結(jié)點(diǎn)(稱為酸露點(diǎn))，就會(huì)在其表面形成液態(tài)硫酸(稱為結(jié)露)。長(zhǎng)期以來，換熱器的受熱面由于結(jié)露而引起的腐蝕時(shí)常發(fā)生[1]。以至目前在轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)時(shí)不得不通過提高排煙溫度或使用傳熱極差的非金屬材料(如搪瓷管)來緩解結(jié)露和腐 蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。而單純提高排煙溫度又勢(shì)必造成大量能源的浪費(fèi)[2]。盡管如此，因?yàn)樵谶\(yùn)換熱器實(shí)際運(yùn)行過程中生在鈦白粉生產(chǎn)工藝過程中，偏鈦酸需要在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)完成煅燒，形成鈦白粉，在煅燒的過程中，產(chǎn)生高溫、高濕的廢氣，并伴隨酸霧、硫氧化物、鈦白粉粉塵、水蒸氣以及一些不凝性氣體等，尾氣在高溫段(>400℃)的余熱利用后，煙氣的溫度降至280～320℃左右，對(duì)于此溫度段的尾氣余熱，由于溫度較高，尾氣量較大，每生產(chǎn)1 t鈦白粉，尾氣排放量約有15000 m3，所含熱量非?？捎^。但是由于尾氣中含有酸性氣體二氧化硫，因此尾氣的露點(diǎn)上升，一般在200℃[3]左右，隨著露點(diǎn)溫度的升高，尾氣很容易在金屬產(chǎn)線負(fù)荷的調(diào)整導(dǎo)致溫度的變化，往在運(yùn)行一到兩年后依舊會(huì)出現(xiàn)腐蝕孔。

鈦白粉煅燒尾氣在金屬換熱器上凝結(jié)成霧后，加劇對(duì)換熱器的腐蝕，縮短換熱器的壽命，本文介紹了一種徑向熱管技術(shù)在鈦白粉煅燒轉(zhuǎn)窯尾氣余熱利用上的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)鈦白粉煅燒轉(zhuǎn)窯高硫、高濕尾氣利用方式

為了充分利用鈦白粉煅燒轉(zhuǎn)窯280～320℃左右的尾氣余熱，企業(yè)嘗試了多種方法。

1.1 煅燒尾氣余熱用于濃縮工藝生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢酸

在鈦白粉的生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生廢酸，由于產(chǎn)生的廢酸濃度較低，如果讓廢酸具有使用價(jià)值，需要進(jìn)行濃縮。在鈦白粉的生產(chǎn)工藝中，企業(yè)嘗試?yán)?80～320℃左右的煅燒尾氣余熱來進(jìn)行濃縮廢酸，但是由于濃縮后的廢酸不能重新用于鈦白粉的生產(chǎn)工藝，盡管其具有使用價(jià)值，但是需要另外尋客戶，因此，這種余熱利用方式，對(duì)于鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)來說，經(jīng)濟(jì)價(jià)值不大。

1.2 煅燒尾氣余熱用于產(chǎn)生蒸汽

由于在鈦白粉的生產(chǎn)過程中需要使用大量的蒸汽，一方面煅燒尾氣余熱利用存在難度，直接進(jìn)入下一工序噴水除酸、除塵，直接浪費(fèi)，或者用于產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值不大濃縮廢酸[4]，另一方面又必須為產(chǎn)生大量使用的蒸汽付出巨額的能源支出代價(jià)，因此，一些企業(yè)開始嘗試將煅燒尾氣余熱用于產(chǎn)生蒸汽，主要的利用方式為導(dǎo)熱油技術(shù)和重力熱管技術(shù)[5]。

導(dǎo)熱油工質(zhì)換熱技術(shù)[6]是利用導(dǎo)熱油作為取熱工質(zhì)，在圖1中的去熱器中，將鈦白粉煅燒尾氣的余熱取出用于加熱導(dǎo)熱油，加熱后的導(dǎo)熱油通過循環(huán)油泵打入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中導(dǎo)熱的熱量用于產(chǎn)生蒸汽，導(dǎo)熱油自身的熱量降低后，在通過循環(huán)油泵進(jìn)入取熱器，如此循環(huán)。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鈦白粉轉(zhuǎn)窯煅燒尾氣的大部分余熱的利用，但是由于導(dǎo)熱油工質(zhì)的導(dǎo)熱能力有限，導(dǎo)致余熱回收設(shè)備龐大，同時(shí)，由于必須存在導(dǎo)熱油的循環(huán)管路，因此，管路與設(shè)備比較復(fù)雜。

圖1 導(dǎo)熱油工質(zhì)換熱技術(shù)

熱管換熱技術(shù)是利用工質(zhì)相變完成熱量傳遞的過程，由于在相變的過程中工質(zhì)釋放或者吸收大量的熱量，因此這種熱管換熱技術(shù)比普通的換熱器具有更高的換熱效率。考慮這種熱管技術(shù)的高效換熱，企業(yè)開始利用重力熱管技術(shù)的高效相變換熱進(jìn)行鈦白粉煅燒尾氣余熱的回收，用于產(chǎn)生蒸汽，具體過程見圖2[7]，鈦白粉煅燒尾氣垂直橫掠過豎直放置的熱管的蒸發(fā)段，熱管內(nèi)的介質(zhì)受熱后變成氣態(tài)后通過熱管上升至熱管的冷凝段，在冷凝段沒外邊流動(dòng)的水冷卻，重新凝結(jié)成液體后在重力的作用下回到蒸發(fā)段，如此循環(huán)，而在冷凝段外邊流動(dòng)的水被熱管內(nèi)工質(zhì)相變釋放出的熱加熱，用于產(chǎn)生鈦白粉生產(chǎn)工藝所需的蒸汽，完成鈦白粉煅燒尾氣的余熱利用。

圖2 重力熱管技術(shù)

通過熱管技術(shù)的換熱過程我們可以看出，在熱管的冷凝段和蒸發(fā)段，溫度的變化較大，因此，熱管承受的溫度應(yīng)力比較大，這是影響熱管壽命的一個(gè)原因；另一方面，由于這種熱管具有單層管壁，一旦溫度的控制低于尾氣的露點(diǎn)，尾氣就開始在熱管外壁上凝結(jié)，形成酸，開始對(duì)單層管壁的腐蝕，一旦某一部位被腐蝕穿透，熱管就報(bào)廢，因此單層管壁容易被蝕穿，是熱管縮短壽命的另一個(gè)原因。因此，盡管這種技術(shù)在換熱方面的高效性，但是由于壽命短，更換頻繁，在更換熱管時(shí)，為了不影響尾氣的正常排放，還需要設(shè)置排煙旁路，增加了現(xiàn)場(chǎng)煙道布置的復(fù)雜性。

2 新型徑向熱管換熱技術(shù)

對(duì)于重力熱管換熱技術(shù)，換熱工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)路徑是沿軸向的，因此這種熱管換熱在軸向方向上溫度變化比較大。為了解決軸向方向上溫度變化的問題，一種新型徑向熱管開始應(yīng)用在鈦白粉煅燒轉(zhuǎn)窯尾氣的余熱利用上，見圖3。這種徑向熱管換熱器是由兩根直徑不同的管道套裝在一起，內(nèi)管和外管之間存在空隙，換熱工質(zhì)存在于此空隙，內(nèi)管內(nèi)流動(dòng)取熱介質(zhì)，熱風(fēng)從下側(cè)橫掠過熱管，將液池內(nèi)的換熱工質(zhì)加熱氣化后上升，在上升過程中橫掠內(nèi)管內(nèi)的取熱介質(zhì)，冷卻后凝結(jié)，在重力作用下重新回流到液池，在凝結(jié)的過程中釋放潛熱，加熱內(nèi)管流動(dòng)的取熱介質(zhì)-水，最終產(chǎn)生鈦白粉生產(chǎn)工藝所需的水蒸氣。從換熱的原理上看，這種熱管換熱與重力熱管換熱原理相似，但是從溫度分布上，這種熱管換熱要均勻的多，不會(huì)產(chǎn)生大的溫度應(yīng)力，而且由于是雙層管，即使外層管被蝕穿，內(nèi)層管取熱還可以運(yùn)行，壽命更長(zhǎng)；此外，這種換熱器可以相互連接，形成蛇形管狀，見圖4，蛇形管的直管段為熱管套管，連接彎頭為單層內(nèi)管，單層彎頭不接觸煅燒尾氣，減少蝕穿風(fēng)險(xiǎn)，各直管套管彼此獨(dú)立，一段套管出現(xiàn)問題，不影響另一段套管的運(yùn)行。這種熱管熱管換熱器安裝也比較靈活，可以適用于水平煙道，也適用于豎直煙道，如果做成抽屜式，在更換時(shí)更為方便。

圖3 徑向熱管換熱技術(shù)

圖4 蛇形管式徑向熱管換熱器

3 結(jié)論

(1)鈦白粉煅燒尾氣因?yàn)楦吡?、高濕，其余熱的利用一直存在很大的難度，將尾氣余熱用于濃縮廢酸，因?yàn)闈饪s后的廢酸對(duì)鈦白粉生產(chǎn)工藝意義不大，逐漸被淘汰。企業(yè)開始嘗試將尾氣余熱用于產(chǎn)生蒸汽，主要的利用技術(shù)為導(dǎo)熱油技術(shù)和重力熱管利用技術(shù)，導(dǎo)熱油技術(shù)由于導(dǎo)熱油的傳熱能力有限，設(shè)備龐大；重力熱管技術(shù)因?yàn)槠涓咝У膿Q熱能力，開始用于鈦白粉煅燒尾氣的余熱利用，但是壽命短，更換頻繁，安裝受到場(chǎng)地的限制。

(2)徑向熱管換熱技術(shù)是一種新型的熱管換熱技術(shù)，具備雙層管，因而壽命比單層管的壽命要長(zhǎng)的多，在管的軸向上，溫度均勻，蛇形管式徑向熱管換熱器安裝不受煙道限制，抽屜式蛇形管徑向熱管換熱器更換方便，不影響生產(chǎn)，也不必另外設(shè)置尾氣排放旁路。