鈦白粉冷熱電聯(lián)供生產(chǎn)技術(shù)與優(yōu)化思考

＊李守陽

（山東道恩鈦業(yè)有限公司 山東 265700）

引言

鈦白粉是一種無機化工顏料，多用于造紙、涂料、橡膠等行業(yè)，而伴隨著我國市場經(jīng)濟的快速發(fā)展，對于鈦白粉等化工產(chǎn)品的需求顯著增加，使得鈦白粉生產(chǎn)工藝逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域的研究重點。目前我國鈦白粉生產(chǎn)多采用硫酸法，但其生產(chǎn)流程復(fù)雜，存在較為嚴重的高污染、高能耗問題。因此，以冷熱電聯(lián)供生產(chǎn)技術(shù)為依托就鈦白粉生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，其目的在于提高資源利用率，促進鈦白粉生產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

1.鈦白粉生產(chǎn)現(xiàn)狀及問題分析

(1)鈦白粉生產(chǎn)的主要問題

①生產(chǎn)能耗高

現(xiàn)階段，我國鈦白粉生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展迅速，鈦白粉及相關(guān)材料廣泛應(yīng)用于涂料、汽車制造、塑料、橡膠等領(lǐng)域。但是，現(xiàn)階段鈦白粉生產(chǎn)工藝，存在生產(chǎn)技術(shù)不高、設(shè)備落后且生產(chǎn)能耗高的問題，其中，數(shù)據(jù)顯示，我國鈦白粉生產(chǎn)中能耗占到鈦白粉生產(chǎn)總成本的20%～25%，而純鈦白粉生產(chǎn)能耗遠高于西方先進水平。

②生產(chǎn)污染高

目前我國鈦白粉生產(chǎn)工藝仍以硫酸法為主，而在硫酸法鈦白粉生產(chǎn)過程中，存在較為嚴重的環(huán)境污染問題。其中，硫酸法鈦白粉生產(chǎn)會產(chǎn)生二氧化硫、酸霧、粉塵、二氧化碳等物質(zhì)，且由于需要涉及傳統(tǒng)燃氣鍋爐，使得因二氧化碳所致的溫室效應(yīng)問題也較為嚴重。數(shù)據(jù)顯示，每生產(chǎn)1t鈦白粉產(chǎn)品，會伴隨1.5～2萬立方米的廢氣產(chǎn)生。

(2)鈦白粉生產(chǎn)節(jié)能優(yōu)化的主要難點

①改造成本高

現(xiàn)階段，我國大多數(shù)鈦白粉生產(chǎn)廠家均存在設(shè)備落后、技術(shù)單一的問題，而由于受到環(huán)保政策限制，大多數(shù)鈦白粉生產(chǎn)廠家的利潤相對較低，甚至有部分廠家已經(jīng)進入虧損狀態(tài)，這使得鈦白粉生產(chǎn)工藝改造難度變大，廠家并不具備更新生產(chǎn)設(shè)備的能力和條件。

②生產(chǎn)技術(shù)落后

與西方發(fā)達國家相比，我國鈦白粉生產(chǎn)最大的不足在于生產(chǎn)工藝的落后。其中，雖然污染較小、工藝流程較為簡單的氯化法已經(jīng)在鈦白粉生產(chǎn)行業(yè)中得到應(yīng)用，但其科技含量較高，存有一定的技術(shù)限制。

2.冷熱電聯(lián)供生產(chǎn)技術(shù)分析

(1)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的基本概念

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是基于用戶側(cè)、對能源進行梯級利用的一種供能系統(tǒng)，其資源利用率高，具有良好的節(jié)能效應(yīng)，多應(yīng)用于大型綜合型建筑和工業(yè)園區(qū)。其中，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以燃氣內(nèi)燃機或燃氣輪機作為動力驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，其產(chǎn)生的余熱能夠用于供熱或帶動吸收式制冷機組制冷，可實現(xiàn)能量的多層利用，提高能源利用率。

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)架構(gòu)圖

(2)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)點

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能夠?qū)δ茉催M行梯級利用，使得能源利用率大大提高，且由于系統(tǒng)靠近用戶側(cè)，供能穩(wěn)定安全，經(jīng)濟性較高，能夠根據(jù)用戶的實際需求實現(xiàn)削峰填谷、平衡用能峰谷差。此外，相比于傳統(tǒng)硫酸法，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)生產(chǎn)污染較小，具有較高的環(huán)保價值，符合可持續(xù)發(fā)展的基本原則。

(3)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的分類

目前，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)展迅速，已經(jīng)有多種產(chǎn)品在市場上得到應(yīng)用。其中，根據(jù)能源種類分類，可將冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分為一次能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)、可再生能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)；根據(jù)動力來源分類，可將冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分為燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)、燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

(4)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的工作原理

首先，對于常見冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其以鍋爐或蒸汽輪機作為動力來源，具體原理如圖2所示。該類冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能夠?qū)φ羝蜔崴M行二次利用，但其所產(chǎn)生的電能相對較小，因此多應(yīng)用于中大型工業(yè)園區(qū)。

圖2 鍋爐和汽輪機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理圖

其次，對于以燃氣輪機和蒸汽輪機混合驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其充分應(yīng)用布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán)，能夠顯著改善能源利用率，提高系統(tǒng)發(fā)電效率，具體工作原理如圖3所示。

圖3 燃氣輪機和蒸汽輪機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理圖

再次，對于以燃氣輪機驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其主要優(yōu)勢在于能夠?qū)?、熱、電需求變化進行調(diào)節(jié)，具體工作原理如圖4所示。其中，當(dāng)供暖或制冷不足以滿足系統(tǒng)需求時，采用天然氣進行補充。同時由于該系統(tǒng)存在獨立的鍋爐系統(tǒng)，使得必須配備輔助設(shè)備和水處理裝置，因此系統(tǒng)整體建設(shè)成本較高。

圖4 燃氣輪機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理圖

最后，對于內(nèi)燃機驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其利用內(nèi)燃機作為動力系統(tǒng)，采用換熱器對內(nèi)燃機中的夾套水進行處理，同時加入補燃裝置，以天然氣為補充保障系統(tǒng)冷熱量的靈活調(diào)節(jié)。而由于內(nèi)燃機溫度較低，因此該系統(tǒng)多用于為用戶供暖或提供生活用水。其中，內(nèi)燃機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。

圖5 內(nèi)燃機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理圖

3.鈦白粉冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究

(1)設(shè)計內(nèi)容

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的動力設(shè)備包含內(nèi)燃機、微燃機、燃氣輪機等多種類型，制冷具有吸收式制冷、吸附式制冷等多種方式，因此，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可根據(jù)用戶的需求組成不同的運行模式，而確定鈦白粉冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行模式，并根據(jù)其選擇最佳的動力、制冷設(shè)備，是鈦白粉生產(chǎn)工藝的優(yōu)化設(shè)計要點。此外，應(yīng)對鈦白粉冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行方案進行選擇，即選擇“以冷定電”和“以熱定電”，并應(yīng)確定動力機械的數(shù)量和單個容量，從而達到系統(tǒng)效率最大化、生產(chǎn)能耗最小化、運行成本最低化的設(shè)計目的。

一方面，對于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括設(shè)備選擇、制冷裝置與熱回收裝置設(shè)計、運行模式選擇等；另一方面，對于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的系統(tǒng)配置，應(yīng)遵循安全性、經(jīng)濟性和實用性原則，對包括當(dāng)?shù)啬茉磧r格、與市政電網(wǎng)和能源網(wǎng)的連接方式、鈦白粉生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)、鈦白粉生產(chǎn)需求在內(nèi)的因素進行考量。

(2)設(shè)計方案

本設(shè)計主要采用“以冷定電”“以熱定電”及常規(guī)能源供應(yīng)系統(tǒng)相結(jié)合的運行模式。其中，對于“以冷定電”和“以熱定電”，采用內(nèi)燃機+余熱鍋爐+熱交換器或蒸汽溴化鋰吸收式制冷，對于常規(guī)能源供應(yīng)系統(tǒng)，采用鍋爐+電制冷機+電網(wǎng)供電。

(3)設(shè)備建模

本設(shè)計涉及設(shè)備包括內(nèi)燃機、制冷設(shè)備、制熱設(shè)備以及余熱鍋爐，其中，以內(nèi)燃機作為供能系統(tǒng)的核心，借助燃氣燃燒實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)化，并產(chǎn)生余熱帶動制冷裝置。

對于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的內(nèi)燃機，其功率一般在100kW～3000kW之內(nèi)，可排放溫度達500℃的煙氣，能夠產(chǎn)生較多的可利用余熱，便于實現(xiàn)熱量回收與利用。其中，根據(jù)能量流動熱力學(xué)關(guān)系，建立內(nèi)燃機熱力模型：

式中：Wge、Weg為內(nèi)燃機發(fā)電功率和內(nèi)燃機余熱功率，單位為kW；

ηelect、ηeg為內(nèi)燃機額定發(fā)電功率和內(nèi)燃機額定余熱功率，單位為kW；

Vng-ge為內(nèi)燃機消耗天然氣量，單位為m3/h；

HVng為天然氣熱值，單位為kJ/Nm3。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合常見內(nèi)燃機數(shù)據(jù)，分析內(nèi)燃機性能參數(shù)隨機組容量變化的變化曲線，發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機的熱電性能經(jīng)濟參數(shù)隨機組容量增加而先增加后減小，究其原因，主要與機組凈收益對EPTE的影響有關(guān)。

此外，同樣參照能量流動熱力學(xué)關(guān)系搭建制冷設(shè)備的熱力模型：

Wabsor=Winput×ηabsor-hr×COPabsor

式中：Wabsor為吸收式制冷機組的制冷功率，單位為kW；

Winput為吸收式制冷機組的吸收熱量，單位為kW；

ηabsor-hr為吸收式制冷機組的熱回收效率；

COPabsor為吸收式制冷機組的制冷系數(shù)。

搭建熱交換器的熱力模型：

Wexc=Winput×ηexc

式中：Wexc為熱交換器的輸出功率，單位為kW；

Winput為熱交換器的輸入功率，單位為kW；

ηexc為熱交換器的換熱功率。

搭建鍋爐的熱力模型：

Wboiler=Winput×ηboiler×（1-ηloss）

式中：Wboiler為鍋爐熱功率，單位為kW；

Winput為鍋爐輸入熱功率，單位為kW；

ηboiler為鍋爐熱效率，取0.8；

ηloss為鍋爐熱損失率，取10%。

(4)系統(tǒng)建模

鈦白粉冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 鈦白粉冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.結(jié)束語

綜上，圍繞鈦白粉生產(chǎn)工藝，分析了鈦白粉生產(chǎn)與冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相結(jié)合的可行性，其中，通過引入冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對于鈦白粉生產(chǎn)所需能源的精確調(diào)節(jié)，降低生產(chǎn)能耗，提升生產(chǎn)效率，促進鈦白粉生產(chǎn)的可持續(xù)健康發(fā)展。