氯化法钛白粉生产工艺与技术经济分析

摘要：文章简要介绍了当前氯化法钛白粉制造工艺技术发展现状，同时文章详尽阐述了以石油焦、钛渣、氯气液化为主要原材料的钛白粉的制造工艺。最后，文章针对10万吨/年氯化法生产钛白粉项目的投入、消耗、效益等进行了初步评价。

关键词：氯化法；钛白粉；生产工艺；技术经济

钛白粉(二氧化钛，TiO2)世界公认的性能最好的白色颜料之一，被广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。行业统计数据显示，2015—2020年，中国钛白粉产量增长迅猛，期间的年复合增长率为8.8%。2020年中国钛白粉产量为350万吨。从消费量来看，2015—2020年，中国钛白粉市场的消费量呈现出波动上升的趋势。2020年中国钛白粉消费量为246.8万吨；预计未来该市场规模将以4.2%的年复合增长率增加，预计到2025年消费量增长到约300万吨。目前，二氧化钛生产工艺可以分为硫酸法和氯化法两种。其中，硫酸法的主要机理就是通过用硫酸溶解钛矿形成的TiSO4，在经过净化和浓缩以后，将钛液进行水解形成的TiO2·H2O，然后在经过清洗、筛选、煅烧之后获得产品，再对产品经过表面上加工后，就可以获得金红石类产品。这一工序的主要优点是来源广泛、对品质要求较低、制造技术比较易于掌握，但工艺流程相对较长、操作要求也比较精细。氯化法的工艺流程比硫酸法短得多，主要包括四氯化钛制备、四氯化钛的氧化和二氧化钛的表面处理3部分。相较于硫酸法，氯化法工艺钛白粉具有产品品质高、附加值高、技术水平先进、生产环保、可连续化生产等优点，属于国家政策鼓励类项目。

1流化床氯化法钛白粉生产工艺流程

1.1氯化工序

氯化工序是将原料金红石进行氯化处理的过程，一般有下吸式稳定床氯化、熔盐氯化、快速流化床氯化技术等。其中，下吸式固定床氯化工艺技术已逐步被废弃，国内攀钢公司、锦州钛业等企业采用的是熔盐氯化工艺技术，而国外大部分企业采用了快速流体床氯化工艺技术。从目前来看，国内外对于快速流化床氯化技术还处在研究的初级阶段，其工艺路线如图1所示[1]。流化床氯化工艺用到的主要装置是沸腾氯化炉，一般来说材质都是钢板，内部衬有防火材质并配有外面的水冷套。金红石型矿及高钛渣等的富钛材粉经粉磨之后，和相应配比的化石油焦在沸腾层上加入沸腾炉，随后在炉底加入从氧化反应工序中回收的经过液化的循环氯气，整个氯化反应过程在1000℃以下持续发生反应。当纳米TiO2与铁、硅、钙、铝及其他金属之间的氧化物转变形成相应的氯化物时，随气体离开氯化炉。随后反应气通过旋风分离器，把还没有反应的固体粉末与不挥发的氯化物从反应气当中分离出来，之后，再通过逐层冷却、凝固，从中最先分解出亚铁氧化物，之后再分出中沸点的三氯化铁。接下来，也就是要通过水冷喷淋方式，来冷却并回收低于沸点温度的四氯化钛，再通过滤除污泥，就获得了粗四氯化钛。粗四氯化钛通过除钒处理，之后再通过蒸馏以后，去除对应的杂质，从而获得精度更高的精细四氯化钛[2]。

1.2氧化工段

将经蒸发加热的空气精炼四氯化钛、经加热的氧气和成核试剂、晶型转变促进剂等反应物加入氧化反应器。氧化反应温度为800℃以上，而主反应温度则为一般来说需要在1300～1800℃范围当中开展。由反应器中产生的气体，首先通过低温的循环氯气管骤冷到700℃以下，然后再通过沿途管路冷到200℃以下，再逐级地通过旋风分离器和布袋回收器把二氧化钛从氯气中分离出来，对二氧化钛经过脱氯处理过程之后，就可以开展后处理程序[3]。

1.3后处理工序

后处理工序主要分为打浆、磨碎、表层加工、过滤清洗、喷洒风干、微粉碎、成型打包等工艺[4]。经过氧化工艺后生成的纳米TiO2粉料先流入打浆槽、分散液、脱盐水计量后，再依次流入搭建槽，最后打浆合格的浆液才能送入磨碎工艺中。打浆工序得来的浆料可以放到砂磨机当中进行分散，经过砂磨机打料之后进入料泵，研磨成为浆料最后进入贮槽，而剩余的粗料则是进入砂磨机，细料则是需要流到表面处理罐[5]。浆料在进行称量之后可以流入表面处理罐，然后再经过计量进入化学品生产工序进行各种表面处理在反应完毕以后再送往过滤程序。在过滤程序执行的过程中首先要把浆液送入吸片槽当中实现最大真空度抽滤，在实现上片以后，由桥吊挂起的叶滤机，再放入具有脱盐水功能的水洗槽当中实现浆液清洗，冲洗完毕以后，桥吊挂起的叶滤机从下辊槽当中卸下浆料。从离析槽中卸下的泥浆在进入均质器内打浆均匀后，经隔膜泵输送到喷雾干燥装置中，在风干器内离心将大气雾化后，用热风炉输入的热风晾干浆材，进一步使用气流粉碎机来将其粉碎，然后热风经排风机进入大气，将晾干后的纳米TiO2内粉由传输设备直接送往细微粉碎工序[6]。喷雾将干燥工序来的内粉经气体运输控制系统转入汽粉前材料仓，在料仓下设有螺杆运输机传递内粉后加入到气流粉碎机，在气流粉碎机进口处，用移动泵往内粉中添加粉碎阻燃助剂，在气体碾碎机内用中压的过热蒸汽作为加热质，碾碎粉料至均匀粒度大约0.3μm时，出气流粉碎机物流入蒸汽旋风分离内粉后，出蒸汽旋风尾气体流入到高热袋滤器再分解出挟带的纳米TiO2内粉后，出高热袋滤器室内空气流经喷水嘴激冷后，再进入气体洗涤器，用清洗后的冷凝水去清洗水槽内进行水洗，出气体洗涤器的不凝性气体经汽液分离器后，由排风机流入大气环境。由蒸汽旋风回收的内粉再由空气风机鼓入室内空气中流态化后，内粉再被室内空气冻结，物流加入到冷旋风再分散内粉后，出冷旋风气体流经袋滤装再分挟带内粉，最后出袋滤装气体再由排风机排入大气环境。最后由冷旋风、袋滤器所回收的内粉再进入成型包装工序[7]。在对纳米TiO2成品进行打包的过程当中，要先把这一成品运到螺旋运输机中，然后螺旋运输机会把颗粒送入成品料仓，再按照整个包裹容量的不同来分为不同的包装机，并以此进行相应的打包工艺。

2流化床氯化法钛白粉生产工艺的技术经济评价

2.1基础数据

建设规模是年产金红石钛白粉10万吨，32%的盐酸23.5万吨及9%次氯酸钠7170吨。项目的总投资为22.5亿元，其中自备流动资金的大概为30%左右，其余投资均由银行借款。按照目前的市场行情来说，主要产品金红石钛白粉、32%的盐酸、9%的次氯酸钠价格分别为22000元/吨、180元/吨、150元/吨。按照这一数值来看，在可估计正常的年份年销售收入是220530.55万元[8]。最后，由于企业固定资产折旧方式采取直线折旧法，设备残值率大约为4%，所以每年的企业固定资产累计折旧费用大约为2.16亿元。而对10万吨/年氯化法的钛白粉项目而言，定员数量设定为870人，平均的薪酬与福利费用也是确定为4.8万元/(年·人)，也就是每年的人力资源成本大约为4176万元。而经营费用当中还有市场销售成本费用、运营管理成本费用、设备维修保养成本费用、贷款利率等，而这一数额也必须限制在市场销售量的8%以内，所以每年的经营成本费用大约为17642.444万元。接下来则是要分析销售税费，在这一项当中包含了主营业务税、都市维持工程建设税、教育费附加税，增值税税值为销项税和进款税之差，而都市维持工程建设税和教育费附加税也是要依次根据主营业务税的7%和3%进行综合核算，因此主营业务税为21470.61万元，而都市维持工程建设税和教育费附加费用则为2147.061万元。在进行了总体核算之后，就可以将全年成本费用进行了综合核算，最后得出全年的成本费用大约为41000万元左右，误差约为100万元之间[9]。

2.2生产成本分析

氯化法钛白粉的生产成本主要有原辅料及公用工程消耗、人工、折旧、财务费用等几项内容。每1万吨钛白粉的直接生产成本约为9012.624万元，其中原辅料生产成本约为7276万元，公用生产成本约为1736万元，所以10万吨/a钛白粉的全年生产成本费用约为90126.24万元，国外采购原辅料72762.2万元，公用工程17364万元[10]。在这样的情况下对净利润进行计算，最终可以得到净利润在47000万元左右，税后投资回收期则是大约在6.73年左右，而整体投资的利润率则是可以达到21.12%左右。

3结论与建议

从当下钛白粉产品质量、环境、成本、工艺技术、政府引导、产业发展等的视角来看，氯化法相比较于硫酸法来说有着更大的优越性，同时也是未来钛白粉行业总体发展方向。但是由于氯化法钛白粉工艺的生产流程非常复杂，属于集合现代先进工艺技术于一身的高系统化的工艺，制造流程当中还涉及到了化学、冶金、材料、机械工程、质量管理等诸多专业的工种和作业，因此总体来讲工艺与技术难度很大。特别是对于大规模化工艺技术与装置，许多关键设备的构造都比较复杂，因此必须采用耐高温、耐腐蚀、抗氧化强的特种材质，对整个制造工艺技术与装置材料的要求也相当高。国外生产氯化法钛白粉的技术诀窍都从未申请过专利，再加上技术很多时候都无法进口，因此单纯依靠国内技术发展还有一定困难，特别是无法取得实质性的技术进展成果，这也是氯化法钛白粉生产工艺目前无法在国内普及的主要原因。虽然氯化法钛白粉工艺具备了很大的获利能力，并且也可以实现对落后的生产设备与技术提升和替代，从而加速产业结构和生产技术的调整。但只有当国内的钛白粉公司真正地拥有了自主知识产权的技术，并实现大规模工业化生产，这一技术的优势才能够真正得到发挥。针对于目前情况而言，未来国内氯化法钛白粉生产的发展前景还不能太过乐观，因为当下国内钛白粉产业中大规模采用氯化法开展工业生产活动的时间还尚早。所以有计划建设氯化法钛白粉项目的公司还是需要慎重，因为只有先下大力气突破工艺路线中的技术难题和设备材料上的技术瓶颈，才有可能建立大型的氯化法钛白粉生产装置。

4结语

综上所述，相对于硫酸法钛白粉生产工艺而言，氯化法钛白粉项目具有工艺流程短、产品品质高、易于实现自动化、“三废”排放少等优势，属于国家鼓励类项目。但由于这一工艺技术存在很多的技术难点和技术局限性，未来企业在实际生产的过程中不能只看到高额的利润，同时也需要看到技术瓶颈的限制以及市场供需关系等影响因素，明确这一工艺技术路线还需要得到进一步的技术探索、创新与完善才能够真正实现大规模工业化应用。

参考文献：

[1]鲁北化工6万t/a氯化法钛白粉装置预计年底投产[J].钢铁钒钛，2021,42(4):84.

[2]苗委然，秦国强，王永珊，等.氯化法钛白粉生产工艺及产污环节[J].化学工程与装备，2021(7):6-8.

[3]刘红星.我国氯化钛白行业发展面临的竞争与挑战[J].有色金属设计，2021,48(2):125-128.

[4]陈海平，王智，张本发，等.碱法钛白粉生产工艺中硫酸钛溶液的制备和水解研究[J].化工设计通讯，2021,47(5):56-58.

[5]苗委然.氯化法钛白粉工艺废渣产业化研究[J].当代化工研究，2021(9):140-141.

[6]毕胜.近年中国钛白粉行业基本状况及发展展望[J].钢铁钒钛，2021,42(2):1-4.

[7]苗委然.氯化法钛白粉的生产工艺与技术经济探究[J].化工设计通讯，2021,47(2):47-48.

[8]董林辉，喻经纶，范浩，等.氯化法钛白副产物资源化利用研究[J].钢铁钒钛，2021,42(3):99-104.

[9]本刊编辑部.首个10万t/a盐酸萃取法钛白项目生产[J].氯碱工业，2021,57(1):47.

[10]李备战，臧涵，许网.氯化钛白粉生产及三废处理研究[J].化工管理，2020(31):45-46.

作者：赵波 单位：龙佰禄丰钛业有限公司