微波技术在四氯化钛生产原料干燥中的应用研究.pdf

1 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第3 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 鹳n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 4 ．0 3 ．0 0 6 微波技术在四氯化钛生产原料 干燥中的应用研究 李卫红，金芳荣，尚东，李志文 遵宝钛业有限公司，贵州桐梓5 6 3 2 0 0 摘要研究了微波干燥技术在四氯化钛生产原料干燥中的应用效果，并分析了微波干燥石油焦的经济效 益。结果表明，微波干燥技术应用在四氯化钛生产原料干燥中是可行的。 关键词微波；干燥；高钛渣；石油焦；四氯化钛 中图分类号T F 8 2 3文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 0 3 0 0 1 8 0 4 A p p l i c a t i o no fM i c r o w a v eT e c h n o l o g yi nD r y i n gP r O c e s sf o r T i t a n i u mT e t r a c h l O r i d eP r o d u c t i o n L IW e i _ h o n g ，J I NF a n g r o n g ，S H A N GD o n g ，L IZ h i w e n Z u n b a oT i t a n i u mC o ．，L t d ，T o n g z i5 6 3 2 0 0 ，G u i z h o u ，C h i n a A b s t r a c t T h ea p p l i c a t i o no fm i c r o w a v ed r y i n gt e c h n o l o g yi nd r y i n gp r o c e s sf o rt i t a n i u mt e t r a c h l o r i d ep r o d u c t i o nw a si n v e s t i g a t e d ．T h ee c 。n o m i cb e n e f i t so fd r y i n gp e t r o l e u mc o k eb ym i c r o w a v ew e r ea n a l y z e d ． T h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sf e a s i b l et od r yp e t r 0 1 e u mc 。k eb ym i c r o w a v ed r y i n gt e c h n o l o g y 。 K e yw o r d s m i c r o w a v e ；d r y i n g ；h i g ht i t a n i u ms l a g ；p e t r o l e u mc o k e ；t i t a n i u mt e t r a c h l o r i d e 1 四氯化钛生产原料的干燥技术现状 目前，我国四氯化钛生产使用的主要技术为沸 腾氯化技术，该技术是将一定粒度的富钛料和石油 焦在高温、氯气流的作用下在炉内形成一个沸腾床 层，使各种原料可以充分接触，以达到充分反应的目 的。但因该反应中使用的原料中有氯气，而氯气与 水反应生成氯化氢，氯化氢对氯化炉耐火材料和生 产设备的损害极大。这就要求原料高钛渣和石油焦 中的水分含量不大于0 ．1 ％，而目前采购的原料中 水分普遍在2 ％～3 ％，因此，采购来的高钛渣和石 油焦必须经过干燥才能使用。 我国大多数四氯化钛生产厂家采用电加热工频 回转窑的方法来进行原料干燥，这种方式虽然设备 收稿日期2 0 1 3 一0 9 2 1 基金项目科技部国际科技合作项目 2 0 1 l D F A 4 2 1 5 0 作者简介李卫红 1 9 8 2 一 ，男，陕西渭南人，工程师． 简单，但其干燥的速率不能满足当前大炉型的使用 要求，且回转窑在转动过程中会产生大量粉尘，对操 作者的健康会产生较大影响。因此，寻求一种速度 快、效率高的干燥设备来满足大型氯化炉的需要就 显得尤为迫切。 微波干燥技术因具有干燥效率高、易于实现自 动控制和节能环保等优点，被广泛应用于冶金领域。 因此，微波干燥技术正逐步取代传统干燥技术成为 四氯化钛生产原料干燥的主要方法。图1 所示的是 微波干燥石油焦工艺流程图。微波干燥高钛渣的工 艺流程与石油焦类似。 2 微波干燥技术简介 2 ．1 微波干燥的原理 万方数据 2 0 1 4 年第3 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 9 图1 微波干燥石油焦流程图 F i g ．1 F l o w s h e e to fp e t r o l e Ⅷmc o k e d r i e db ym i c r o w a V e 微波是指频率为3 0 0M H z ～3 0 0G H z 、波长为 1m m ～1m 之间的电磁波[ 1 ] 。 微波干燥以微波产生的能量为热源来干燥物 料。被干燥物料中的极性水分子在微波产生的高频 电磁场作用下不断被极化，造成水分子的自旋运动 效应，此时，微波场的场能转化为物料的内能，使得 物料温度升高，产生热化等一系列物化过程而达到 干燥的目的。 2 ．2 微波干燥的特点 2 ．2 ．1 选择性加热 在微波对高钛渣及石油焦的加热脱水过程中， 水的介电常数大，易于吸收微波，脱水效果极佳[ 2 ] 。 而对其他矿物成分则不会造成污染及损害，微波的 选择性加热，既有利于快速脱去高钛渣、石油焦中的 水分，也有效地保护了原料中的其余有效成分。 2 。2 ．2 控制及时、反应灵敏 常规的加热方法，如蒸汽加热、电热、红外加热 等，要达到一定的温度，需要一定的时间，在发生故 障或停止加热时，降温又要较长时间。而微波加热 的惯性很小，只需要调整微波功率，就可以将物料加 热到适当的温度，可以实现温度升降的快速控制，有 利于生产的自动化和连续性。 2 ．2 ．3 高效节能 传统加热一般是以蒸汽、电等为加热源，通过传 导体传递进行加热；而微波加热属介质加热，不同物 料介质所吸收的微波能量不同，这种介质吸收微波 能量的选择性为微波能量利用率提供了有利条件。 在高钛渣、石油焦的加热过程中，水分直接吸收 微波而发热，没有经过其他中间转换环节，因此除少 量的传输损耗外几乎无其他损耗。表1 为传统干燥 与微波干燥技术参数对照表。 表1 传统干燥与微波干燥技术参数对比 T a b l e1 C o m p a r i s o no ft e c h n i c a lp a r a m e t e r s b e t w e e nt r a d i t i o n a ld r y i n ga n dm i c r O w a v ed r y i n g 项目 传统干燥微波干燥 热源蒸汽、电 频率24 5 0M H z 或9 1 5 M H z 的微波 雠施喜君￡霎嚣篙传态釜差黯徽肭外同 徽阻力餮譬淼姜等蓉差等嚣蒯酽弘 热效率3 0 ％ 8 0 ％ 节能效果能耗大为传统能耗的2 0 ％～3 0 ％ 控制难度较难控制易于控制 3 微波干燥技术的实施 3 ．1 微波干燥设备的选型 四氯化钛生产原料的微波干燥设备主要由磁控 管、干燥箱、配电箱、控制系统、传送系统和排湿系统 6 部分组成。 3 ．1 ．1 磁控管 微波的使用频率直接决定了磁控管的型号，我 国常用的微波频率有24 5 0M H z 和9 1 5M H z 两 种。根据物料在不同微波频率下吸收的微波功率计 算公式 P 0 ．0 1 ／1 ．8 厂E 2 ￡，t g 艿 1 式中P 为单位体积物料吸收的功率，W ／c m 3 ； 厂为微波频率，H z ；E 为电场强度，V ／c m ；t g 艿为介 质损耗系数．￡r 物料的介电常数。 从式 1 可以看出，微波频率的确定受以下因素 的影响1 干燥物料的体积及厚度，2 物料的含水量 及介质损耗，3 总产量成本比较。 由于微波穿透物料的深度与被加热物料的介电 常数和介电损耗有关，当物料在9 1 5M H z 及24 5 0 M H z 时的介电常数和介电损失相差不大时，选用 9 1 5M H z 可得到较大穿透深度，可以干燥较厚、体 积较大的物料。 一般来说，物料含水量大，当厂大时，介质损耗 值也大。故含大量水分的物料可选用9 1 5M H z ，含 水分量少的用高频率24 5 0M H z 。 9 1 5M H z 的磁控管可以获得3 0k W 或6 0k w 的功率，而24 5 0M H z 磁控管只有5k W 左右的功 率；所以在含大量水分时用9 1 5M H z ，当含水量到 5 ％左右再用24 5 0M H z 。我们采购的石油焦的水 分约为2 ％～3 ％，因此使用24 5 0M H z 较合适，并 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第3 期 且24 5 0M H z 磁控管比9 1 5M H z 体积小。 综上所述，本文选择24 5 0M H z 高频磁控管。 3 ．1 ．2 干燥箱 干燥箱就是微波加热室，我们选用的谐振腔为 矩形空间，矩形的每边长度必须大于1 ／2 倍波长，使 不同方向都有波的反射，使被加热的石油焦原料在 加热室内各个方面受热。这样微波能在箱壁上的损 失极小，石油焦料层没有吸收掉的能量在加热室内 穿透介质到达箱壁后，由于反射又重新回到物料中 形成多次折射。这样，微波能就有可能全部被利用。 3 ．1 ．3 配电系统 获取一个连续稳定工作的微波电源是四氯化钛 生产原料微波干燥生产线长周期连续运行的基础。 为此我们根据设备的结构，采取每个箱体设置9 个 微波发射器，对应就有9 个变压器。每3 个变压器 为一组，放在一个金属容器中，容器中装满冷却油， 同时金属容器的内部放置特质的水冷却器，形成一 个油浸水冷箱。这样可以保证变压器的冷却效果， 提高变压器的稳定性和寿命。 3 ．1 ．4 控制系统 微波生产线为机、电、仪一体化的成套设备，有 大量的电器元件，生产过程中元件的运行状态，故障 诊断与报警，生产过程中参数的调节与安全防护等， 靠人工操作显然太过复杂，难以做到。因此，在整个 石油焦和高钛渣干燥线上，我们采用P L C 控制模块 来完成，包括石油焦干和高钛渣干燥温度的控制也 接人该模块。通过自控系统的设计，可以及时、准确 地诊断故障点，协调运行参数，避免人为误操作。 3 ．1 ．5 排湿系统 排湿系统的作用就是将微波干燥出的湿气从干 燥箱内及时有效排出，防止干燥箱内壁出现结露现 象，从而影响物料干燥效果。 3 ．2 微波干燥试验 以微波干燥石油焦为例，图2 为微波干燥石油 焦试验装置示意图。 将初始含水率为2 ％的石油焦以5 2 0k g ／h 的 速率从微波干燥装置的进料系统加入，经过微波干 燥后从出料系统出料，在每一节干燥箱取样分析，记 录此过程的时间和温度并计算出干燥后的石油焦含 水率，结果如图3 和图4 所示。 从图3 可看出，石油焦经微波干燥2m i n 后，其 含水率从干燥前的2 ％迅速降至干燥后的o ．1 ％，完 全满足氯化生产要求。从图4 可知，石油焦经微波 干燥后，初始温度为2 5 ℃，温度上升逐渐加快， 图2 微波干燥石油焦试验装置示意图 F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g 髓mo fp e t r o I e u m c o k ed r i e db ym i c r O w a V e 时间，删n 图3 微波干燥石油焦含水率曲线 F i g ．3 T u o i s t u r ec o n t e n to fp e b ．o I e u mc o k e d r j e db ym i c r o w a v e p 窳 赠 图4 微波干燥石油焦升温曲线 F i g ．4H e a t i n gc u I ．v eo fp e t r o l e u mc O k e d r i e db ym i c r o w a v e 2m i n 后达到1 0 0 ℃，该温度能确保安全，防止石油 焦因温度高而自燃。 4 经济效益分析 微波干燥石油焦或者高钛渣的经济效益可以用 下面的方法[ 3 3 来进行经济核算。 述爵繁如 万方数据 2 0 1 4 年第3 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 1 P 。一M C 。△1 ’ 2 式中P 。。为将物料加热到1 0 0 ℃的理论耗能 量，k W ；M 为单位时间内的产量，k g ／s ；C ，为物料比 热容，k J ／ k g ℃ ；△T 为物料升高的温度，℃。 以年生产率9 0 ％，5o o ot 石油焦计算，已知石 油焦的比热容为o ．8k J ／ k g ℃ ，石油焦升高的温 度为7 5 ℃，则可计算出P 。。 1 0 ．5 6k W 。 而理论耗能量为 P 。。一M m 1 一m 2 ／ 1 0 0 一m 1 L 3 式中P 。。为蒸发物料水分需要的理论耗能量， k W ；M 为单位时间内的产量，k g ／s ；m 。和m z 为物 料的初始含水率和终了含水率，k g ／k g ；L 为1 0 0 ℃ 时水的蒸发潜热22 5 7k J ／k g 。 若石油焦的初始含水率为3 ％，经微波干燥后 的终了含水率为o ．1 ％，则可计算出P 。。 1 1 ．8 8 k W 。 由此可知，理论上需要的能量为P 。一P 。。 P 。。 一2 2 ．4 4k W 。 采用工频加热的热利用率为3 0 ％，采用微波加 热的热利用率为8 0 ％，则工频加热及微波加热需热 能E ，和E 分别为E 。一P 。／3 0 ％ 7 4 ．8k W 和E 。 一P 。／8 0 ％一2 8 ．1k W 。 电费按o ．8 元／k W h 计算，假设微波设备一年 运行3 3 0 天，采用微波干燥石油焦每年可以节约电 费为Q 一 E 1 一E 2 3 3 0 2 4 O ．8 2 9 ．5 9 万元。 可见，微波干燥石油焦的经济效益还是比较可 观的，因四氯化钛生产中高钛渣的用量是石油焦的 近3 倍左右，因此，微波干燥高钛渣产生的经济效益 会更加明显。 5结论 1 微波干燥四氯化钛的生产原料是可行的，干 燥后的石油焦和高钛渣的含水率可以降低至 o ．1 ％，完全满足四氯化钛生产对原料的要求。 2 选择24 5 0M H z 的高频磁控管和矩形干燥 箱，矩形的每边长度必须大于1 ／2 倍波长，干燥控制 系统采用P L C 控制，可以实现自动控制。 3 按微波干燥设备年运行天数3 0 0 天计算， 50 0 0t ／a 的石油焦处理量可节省电费近3 0 万元。 若算上干燥高钛渣产生的经济效益将会更加明显。 参考文献 [ 1 ] 佟志芳，毕诗文，杨毅宏．微波加热在冶金领域中应用 研究现状[ J ] ．材料与冶金学报，2 0 0 4 ，3 2 1 1 7 1 2 0 ． [ 2 ] 赵俊蔚，赵国惠，郑哗，等．微波加热在矿冶方面的应用 研究现状[ J ] ．黄金，2 0 0 8 ，2 9 1 2 3 9 4 2 ． [ 3 ] 祝圣远，王国恒．微波干燥原理及其应用[ J ] ．工业炉， 2 0 0 3 ，2 5 3 4 4 4 5 ． 2 0 1 3 年中国学术期刊影响因子年报出炉 根据清华知网最新出版的2 0 1 3 年中国学术期刊影响因子年报提供的数据，2 0 1 2 年有色金属 冶炼部 分 复合影响因子为0 ．7 2 2 ，影响因子学科排序升至第1 0 位。 万方数据