硫酸法钛白粉生产原料的选择及酸解工序的优化研究

【摘 要】 硫酸法钛白粉生产工艺在我国应用了五十多年，但是由于理论与技术的研究不足，仍然有一些问题没有解决，比如“三废”排放量大、原料利用率低、成本过高等。本文从硫酸法钛白粉生产原料的选择出发，然后分析了现有工艺中存在的问题，并且对比了硫酸法钛白粉工业生产的连续酸解技术和间歇酸解技术的优劣，探讨了酸碱工序的优化方案。

【关键词】硫酸法；钛白粉；生产原料；酸解工序

钛白粉，即二氧化钛，是性能最佳、应用最为广泛的白色无机颜料。当前，世界上生产钛白粉的方法主要有硫酸法与氯化法。由于前者对原料的品味以及生产设备的要求非常高，而且技术复杂，在我国还未能推广，所以中国市场上的钛白粉几乎都是使用硫酸法生产出来的。硫酸法对原料要求较低，设备简单，但是工艺流程较长，“三废”排放量较大，对环境污染较大。因此，需要对其工艺进行改进，优化生产，减少污染。

1 硫酸法钛白粉生产原料的选择

硫酸法对生产原料的品味要求比氯化法低很多，主要使用的是钛铁矿及其冶炼富集处理下的钛渣。钛铁矿一般分为岩矿和砂矿，分子式为FeO・TiO2，原料的主要来源有四川攀枝花以及西昌，占据全国以探明储量的90%。钛渣是电炉冶炼钛铁矿下的副产物，其钛品味比较高，且杂质的比例相对较小，因此，使用钛渣进行生产相对于直接使用钛铁矿的产品品质更高。一般情况下，将二氧化钛含量在70%到80%的低钛渣用于硫酸法钛白粉生产，而高于90%的高钛渣用于氯化法钛白粉生产。

2 当前硫酸法钛白粉生产工艺中存在的问题

2.1 生产流程长、工艺复杂

传统的使用钛铁矿进行硫酸法钛白粉生产的工艺流程非常繁琐，首先将钛矿原料干燥并经研磨，接着将矿粉和硫酸的混合物搅拌均匀，通过引发液使硫酸产生稀释热进行酸解反应。加入水或稀硫酸浸取固相物，获取钛液。然后在钛液中加入铁粉或铁屑，将其中的高价铁还原成亚铁，然后让钛液静置沉降。分离亚铁后进行控制过滤清理掉钛液中的微量残渣。之后开始对钛液进行浓缩，使钛液浓度提高到水解所要求的浓度。在水解快结束的时候使用适量的水稀释，可提高钛液的水解率。对水解所得的水二氧化钛进行过滤，接着用水洗涤，并且回收处理酸性滤液。对水洗完的水合二氧化钛在酸性和还原条件下进行漂白和漂洗除去残存的微量杂质铁，然后加入少量盐处理剂，再进行煅烧。

水合二氧化钛在转窑内首先脱除水分，再脱除吸附的三氧化硫，最后是晶体的成长以及向金红石型转化过程。煅烧后的二氧化钛粗制品通过研磨、分级后，再使用无机、有机物对二氧化钛进行表面处理，最后对表面处理后的二氧化钛进行洗涤、干燥和粉碎。

2.2 设备繁多，投资较大

期间所使用的设备非常多，即便是年产量为3万吨的工厂，其主生产线的设备也需要500余台，对原材料的需求每年也要达到1400余吨，耗费的金额巨大，成本过高。

2.3 污染严重、能耗高

国内的钛铁矿中TiO2含量往往不足50%，这样的原料生产中会产生大量的废渣，对环境影响恶劣。此外，原料中的铁、镁、钙等杂质含量过高，需要很多硫酸去除，这就增加了硫酸的使用量，提高了生产的成本。去除杂质的反应会产生更多的有害副产物，从而又使污染加重。为了处理这些污染物，有需要增加额外的投入。这样的一个循环既增加了成本，就加重了环境压力。

3 连续酸解技术和间歇酸解技术的对比分析

硫酸化钛白粉生产有连续酸解技术和间歇酸解技术两种酸解工艺，两种工艺在流程、环保方面差异比较显著。

3.1 工艺对比

连续酸解和间歇酸解两种工艺的酸矿比、所需的硫酸浓度相似，但是连续酸解工艺所需的反应最高温度为190℃，低于间歇酸解所需的203℃，这就对设备的要求也有所降低。实践表明，连续酸解技术的酸解率超过96%，优于间歇酸解，前者的耗酸量为3.5～3.7/t，而后者为3.9～4.1/t，间歇酸解技术所需的构建物占地面积过大，不如连续酸解方便。并且连续酸解技术的自动化程度很高，尾气排放连续、稳定、回用量大。

3.2 工艺环保对比

由于连续酸解工艺加料、排料连续性好，对反应的速度控制的很好，所以这种工艺排放的尾气连续性好，瞬时排放量少，容易处理。然而间歇酸解工艺加料是间歇性的，主反应的时间很短，造成尾气排放断断续续，含硫量也高，这就对尾气处理装置提出了更高的要求，增加了生产成本。在我国目前的技术水平下，对于间歇酸解技术排放的尾气处理还无法达到环保要求。

此外，有研究表明，连续酸解技术的废酸回用率可以达到100%，而间歇酸解技术的废酸回用率不足50%。由此可见，连续酸解技术在环保方面更胜一筹。

4 酸碱工艺的优化

4.1 生产原料的选择优化

直接使用钛铁矿存在的问题颇多，而使用钛渣生产的技术还未纯熟，因此，现阶段我们可以使用钛铁矿与钛渣相结合使用的原料方案，以1：2的比例进行使用。由于工艺参数存在区别，所以两者需要分开酸解，酸解之后再进行混合，最终得到的产品符合生产要求。原料优化之后，流程也得到了精简，原先单纯的钛铁矿生产中的亚铁结晶去除、控制过滤等流程被省略了，大大降低了成本。

4.2 酸解工艺的选择优化

通过之前对连续酸解工艺以及间歇酸解工艺的对比，可以明显地发现，前者相对于后者，在生产成本以及环保方面，有很大的优越性。虽然连续酸解技术有很大的局限性，只能以钛铁矿为原料，对钛渣不适用，但是我国目前大部分工厂的原料仍然是钛铁矿，因此，在这部分使用钛铁矿的工厂中推广连续酸解技术，是有效优化工艺、减少“三废”、环保的一种途径。

4.3 使用空气氧化

因为酸解反应的过程中需要使用压缩空气进行搅拌，所以适当的增加压缩空气通入反应的时间，就可以利用空气中的氧气对钛液中的三价钛进行氧化，因为二价铁的被氧化势低于三价钛，所以压缩空气中的氧气会优先氧化三价钛。这样既可以简化设备，也可以使生产更加安全稳定，对环境的压力也会减小很多。

5 总结

作为当前钛白粉生产最为广泛的方法――硫酸法，由于其在原料的选择方面，以及本身工艺的缺陷原因，仍然存在一些问题，不仅成本比较昂贵，而且对环境也造成了不利的影响。因此，对硫酸法钛白粉生产进行优化刻不容缓。通过使用“渣矿”结合的原料、使用空气代替氧化剂直接氧化可以将成本控制到最低，使有害排放大大减少。此外，在直接使用钛铁矿的工厂推广连续酸解工艺是有效降低成本，减少污染的方案。

参考文献：

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