钛白粉厂设计(engineering design of titanium white plant)

以钛铁矿或富钛料(包括钛渣，酸溶性钛渣、天然和人造金红石)为原料，用硫酸法或氯化法生产钛白粉的稀有金属冶炼厂设计。

简史   硫酸法生产钛白粉的工厂设计，开始于20世纪30年代，到1950年只设计了3家钛白粉厂。1950～1960年，新设计的硫酸法钛白粉厂有20余家，总产量达到120.4万t／a。用氯化法生产钛白粉厂的建设始于1958年，其后，类似工厂相继出现。到1985年，钛白粉厂总生产能力约达300万t／a，其中硫酸法约占60％，氯化法占40％。

中国从60年代开始，先后设计建成了30多个钛自粉厂，1989年开始设计年产15000t的钛白粉厂。

设计规模   国外钛白粉厂的设计规模多在年产30000t以上。20世纪80年代末，最大的达到年产288000t，只有日本等少数国家钛白粉厂的设计规模为年产15000～20000t。中国硫酸法钛白粉厂的设计规模达6000t。新建氯化法钛白粉厂，一般年产15000t以上，并留有发展的余地。

产品方案   设计产品品种随应用领域的扩大逐步增多，国外钛白粉产品有700多个牌号，其中应用于涂料工业的约占一半。钛白粉产品品种一般以通用型为主，销量小的特殊品种为辅。为考虑多品种方案，设计应留有余地。20世纪80年代末，欧洲、美洲、亚洲和太平洋地区钛白粉的消费分配率为：涂料工业占55％～67％；塑料工业占14％～16％；造纸工业占6％～20％；橡胶工业占1％～5％；油墨、纺织、陶瓷和其他工业占8％～15％。

产品按晶型分类，有金红石型和锐钛型两种。金红石型产品的产量约占70％。中国钛白粉产品的牌号，按颜料的晶型划分：锐钛型二氧化钛有BA01–01和BA01–02；金红石型二氧化钛为RA01–03。1989年新设计的钛白粉厂产品牌号又增加了CR500、CR501、CR502、CR530和CR520等(C代表中国，R代表金红石型)。

生产方法与工艺流程选择   设计中普遍采用的生产方法有硫酸法和氯化法两种。(1)硫酸法。设备简单、单位产品成本低，但“三废”量大。选用的原料是含TiO2在50％～60％的钛铁矿或含TiO2在75％左右的酸溶性钛渣，用硫酸分解，冷冻结晶除去硫酸亚铁。酸解工艺取决于原料的化学成分和性能，一般原料中的三氧化二铁含量低、采用高温酸解工艺；原料中的三氧化二铁含量高，采用低温酸解工艺。净化后的酸解液进行水解，水解工艺有三种：自身晶种常压水解、稀释水解和加压水解。水解净化后的偏钛酸产品，在800～1000℃下煅烧，制得粗质钛白。产品的后处理，采用脱盐水打浆分散、硅铝复合包膜和超微粉碎工艺。(2)氯化法。主要选择气相氧化工艺流程，其中富钛料及氯化、精制车间设计见富钛料车间设计、富钛料氯化车间设计和四氯化钛精制车间设计。当用金红石或含TiO290％以上的钛渣为原料时，氯化工艺选用流态化氯化(沸腾氯化)法；当用含TiO2低于80％的钛渣为原料，钙镁氧化物含量又在2％以上时，可选用熔融盐氯化工艺。粗四氯化钛除钒工艺，取决于除钒原料和技术条件。工业上多采用矿物油、硫化氢、铜粉和铝粉及铜丝除钒工艺。

氧化工艺选择，在天然气和燃料油供应充足的地方，原料预热采用外加热法；在有煤或煤气供应的地方，多采用一氧化碳法；在电力供应充足的地区采用电或等离子加热法。预热温度要与设备的材料相适应，在金属制造的设备中，在600℃以下；在非金属制造的设备中，为1000℃左右。晶型转化剂和四氯化钛的混合，有气相混合法和溶解法，气相混合法比溶解法混合均匀，有利于提高钛白粉的质量。

粗质钛白的后处理工艺比硫酸法多一道脱氯工序，其他完全相同。见钛白粉厂工艺流程图。

设备选择   硫酸法钛白粉厂的主要设备有酸解槽、煅烧窑和表面处理槽。氯化法钛白粉厂的主要设备有氯化炉(见富铁料氯化车间设计)、氧化炉和表面处理槽。

(1)酸解槽。选用钢质圆桶形容器，内衬耐酸材料，顶部选用椭圆形封头，为便于卸料和气体搅拌均匀，下部锥形底的锥角为60°。体积由下式计算：

式中V为酸解槽体积，m3；Va为每昼夜加入的物料体积，m3；τ为酸分解物料需要的时间，h；δ为设备利用系数，一般为10％～15％；η为酸分解率，％；m为酸解槽的台数；φ为酸解槽的装满系数，为0.4～0.6。

(2)煅烧窑。煅烧使偏钛酸脱水、脱硫和使二氧化钛转变成要求的晶型。选用回转窑煅烧偏钛酸。生产能力通过下式计算：

式中Q为窑的生产能力，t／h；φ为窑的填充系数(通常φ=0.1～0.2)；ω为物料在窑内沿轴向移动的距离，m／min；D为窑的直径，m；γ为物料的密度，t／m3。

物料在窑内停留时间按下式计算：

式中τ为物料在窑内停留时间，h；L为窑的长度，m；Q为物料的自然倾角，可取Q=30°；D为窑的直径，m；n为窑的转速，r／min，一般n=1／6～1／8；i为圆筒对水平的倾斜度，％，一般倾角为1°～6°。

(3)表面处理槽。为一间歇操作设备，普遍选择钢壳木质或胶衬里，带有搅拌装置，设备体积按下式计算：

式中V为设备体积，m3；G为每小时需要生产的TiO2量，kg；c为钛白浆液的浓度，kg／m3；τ为表面处理周期需要的时间，h；η为表面处理槽的填充系数，一般η=0.7；φ为表面处理槽的利用系数，％；m为表面处理槽台数。

(4)氧化炉。是在高温下将四氯化钛氧化为二氧化钛的专用设备，有外热法、一氧化碳法和等离子法等用多种炉型。外热法和一氧化碳法的氧化炉头部带燃烧室，四氯化钛分配环在炉子中部，下部是四氯化钛和氧的反应室。等离子法氧化炉不带燃烧室，炉子的中部和下部都设计有防疤和除疤设施。炉子的生产能力按下式确定：

式中Q为炉子生产能力，t／d；G为四氯化钛每昼夜加入量，t／d；η1为四氯化钛的转化率，％；η2为氧化炉计划作业率，％；η3为氧化炉事故系数，％；0.42为四氯化钛的理论转化系数。

车间组成与配置   硫酸法钛白粉厂的主要车间有酸解车间、水解车间、焙烧车间、后处理车间和综合回收车间。氯化法钛白粉厂有富钛料车间(多数厂家不设)、富钛料氯化车间、四氯化钛精制车间、氧化车间和后处理车间。

氯气和硫酸贮库要单独布置，与生产厂房保持一定的距离，满足安全技术规程的要求。氧化车间的尾部与氯化炉要靠近，防止氯气循环过程堵塞。粗四氯化钛除钒设施要靠近氯化厂房，便于钒渣返回处理。天然气、燃料油和制氧站都要单独布置在一个区域。后处理车间布置在厂区的上风向，防止废气污染产品。副产品回收和“三废”处理可以集中布置。

主要技术经济指标   每吨钛白粉消耗指标见表。