CN103641164B - 硫酸法生产钛白粉工艺及其酸解钛液还原装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硫酸法生产钛白粉工艺及其酸解钛液还原装置和方法。所述装置包括压缩空气供给管、第一阀门、第二阀门、压缩空气阀门以及通过管道依次连接的混料釜、输料泵和反应器，混料釜用于将铁质还原剂和水混合制成悬浮液；第一阀门设置在管道的位于混料釜和输料泵之间的第一部位上；第二阀门设置在管道的位于输料泵和反应器之间的第二部位上；压缩空气供给管连接至管道的第二部位与反应器之间的第三部位上，以将压缩空气通过管道提供至反应器；压缩空气阀门设置在压缩空气供给管上；反应器内盛装有待还原的酸解钛液，其底部设置有压缩空气分布板；管道与反应器连接的一端延伸至反应器的底部并高于压缩空气分布板且位于酸解钛液的液面之下。

Description

硫酸法生产钛白粉工艺及其酸解钛液还原装置和方法

技术领域

本发明涉及硫酸法生产钛白粉工艺，更具体地讲，涉及一种硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置和方法。

背景技术

硫酸法生产钛白是成熟的生产方法，使用的原料为钛铁矿或钛渣等含钛物料，其主要包括以下几个工序：原矿准备；用硫酸分解含钛物料制取硫酸钛溶液；溶液净化除铁；由硫酸钛溶液水解解析出偏钛酸；偏钛酸煅烧制得二氧化钛以及后处理工序等。

在采用钛铁矿为原料时，由于铁在钛铁矿中以二价和三价两种不同状态存在，因此在浸取的钛液中既有硫酸亚铁（FeS0₄），又有硫酸高铁（Fe₂(S0₄)₃）。这两种铁盐在一定条件下，会发生水解而生成沉淀。其中，硫酸亚铁在酸性溶液中是稳定的，只有在pH值大于5时才开始水解生产氢氧化亚铁沉淀，因此在钛液水解过程中它始终保持溶解状态，而在偏钛酸洗涤时得以除去。而硫酸高铁在pH值为2.5的酸性溶液中即开始水解，生产氢氧化铁沉淀，在偏钛酸洗涤时，它会变成沉淀而混杂于其中，煅烧时变成红棕色的三氧化二铁而污染钛白成品。为了防止这种现象的发生，在钛液中使铁保持二价状态至关重要，因此，应该将高价铁还原为亚铁。

还原的方法很多，其中工业上应用较多的是化学还原法，即加入还原剂将三价铁离子还原为二价铁离子。为了保证溶液中的三价铁全部还原为二价铁，还原反应应该略微过度，此时溶液中就有少部分四价钛被还原为三价钛。三价钛的存在，可以保证三价铁还原完全，这是因为，氧化还原反应有先后次序，三价铁先还原为二价铁，然后再是四价钛还原为三价钛。但在生产过程是经常遇到氧化条件，例如与空气接触或以压缩空气搅拌，因此还原要过量一些，保持一定数量的三价钛，并且三价钛的还原性较强，它比亚铁先氧化，这样就保证了二价铁不被氧化。但过多的三价钛存在是不利的，在正常水解情况下，三价钛不会水解沉淀而留在溶液中，成为生产中的损失，直接影响水解率。一般地，还原溶液应保持三价钛含量为2.5～4克/升（以TiO₂折算），三价钛控制高低要视品种的不同和气温的高低而定。

目前，钛液的制备通常在酸解锅中进行，为了保证钛液中不存在高价铁，通常采用从酸解锅顶部直接向酸解钛液液面投加铁粉并从酸解锅底部通入压缩空气进行搅拌的方法。按现有的操作方法，铁粉消耗量常常是理论消耗量的2倍以上，并且反应速度较慢，还原时间较长，由于需要采用从酸解锅底部通入大量压缩空气进行搅拌，增加了空气氧化造成的铁皮消耗。因此，还原用铁消耗量较高，吨钛白还原用铁粉消耗量在100Kg左右。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。

本发明的目的之一在于提供一种在硫酸法生产钛白粉工艺中能够减少酸解钛液还原时铁粉消耗的装置及方法。

本发明的一方面提供了一种硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置。所述装置包括压缩空气供给管、第一阀门、第二阀门、压缩空气阀门以及通过管道依次连接的混料釜、输料泵和反应器，其中，所述混料釜用于将铁质还原剂和水混合制成悬浮液，其包括釜体和设置在釜体内的搅拌器；所述第一阀门设置在所述管道的位于混料釜和输料泵之间的第一部位上；所述第二阀门设置在所述管道的位于输料泵和反应器之间的第二部位上；所述压缩空气供给管连接至所述管道的所述第二部位与反应器之间的第三部位上，以将压缩空气通过管道提供至反应器；所述压缩空气阀门设置在压缩空气供给管上；所述反应器内盛装有待还原的酸解钛液，其底部设置有压缩空气分布板；所述管道与反应器连接的一端延伸至反应器的底部并高于所述压缩空气分布板且位于酸解钛液的液面之下。

根据本发明硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置的一个实施例，所述管道延伸至反应器底部的一端与所述压缩空气分布板之间的距离在20cm以上。

根据本发明硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置的一个实施例，所述管道位于反应器内的部分由直管段和锥形出口段构成，其中，所述锥形出口段的小口径端与直管段连通。

根据本发明硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置的一个实施例，所述锥形出口段的喷射角为45～150°，优选为90°。

根据本发明硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置的一个实施例，所述搅拌器包括搅拌轴和安装在所述搅拌轴一端上的搅拌叶片，所述搅拌轴的另一端与驱动单元连接，并且所述搅拌轴能够在驱动单元驱动下带动搅拌叶片旋转，所述搅拌叶片伸入所述混料釜的釜体下部。

根据本发明硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置的一个实施例，所述混料釜的釜体由顶盖、直筒形侧壁和弧形底面构成，所述弧形底面上设置有出料口。

根据本发明硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置的一个实施例，所述压缩空气阀门靠近所述输料泵设置。

根据本发明硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置的一个实施例，所述反应器为酸解锅。

本发明的另一方面提供了一种硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原方法，所述酸解钛液为含钛物料经酸解和浸取步骤后得到的溶液，所述方法采用如上所述的酸解钛液还原装置对酸解钛液进行还原处理，具体包括以下步骤：将铁质还原剂和水兑入所述混料釜内，在所述搅拌器的搅拌作用下，铁质还原剂与水混合形成悬浮液；打开所述第一阀门和第二阀门并开启所述输料泵，将悬浮液输送至所述反应器的底部；待悬浮液输送完毕后，关闭所述输料泵、第一阀门和第二阀门，同时开启所述压缩空气阀门；调节从所述反应器底部通入的搅拌用压缩空气流量，保持酸解钛液轻微流动至还原反应结束。

根据本发明硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原方法的一个实施例，所述调节从所述反应器底部通入的搅拌用压缩空气流量的步骤将通入的压缩空气流量控制为100～200m³/h。

本发明还提供了一种硫酸法生产钛白粉工艺，包括将含钛物料依次进行酸解、浸取和还原的步骤，其中，还原的步骤采用如上所述的酸解钛液还原方法来实现，并且，在进行所述酸解和浸取步骤中，关闭所述第一阀门、第二阀门和输料泵，同时开启所述压缩空气阀门。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：利用泵将铁粉直接投加至酸解钛液深处，因此可以使铁粉充分用于三价铁和四价钛的还原，并减少压缩空气带入的氧气量，从而减少了铁粉的过量消耗。此外，所采用的装置简单，易于实施。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是本发明示例性实施例的硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置的结构示意图。

图2是图1中酸解锅内管道出口处的放大结构示意图。

附图标记说明：1-搅拌器，2-混料釜，3-第一阀门，4-输料泵，5-第二阀门，6-压缩空气阀门，7-酸解锅，8-管道出口，9-压缩空气分布板。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的硫酸法生产钛白粉工艺及其酸解钛液还原装置和方法。

图1是本发明示例性实施例的硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置的结构示意图。图2是图1中酸解锅内管道出口处的放大结构示意图。如图1所示，根据本发明示例性实施例的硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置包括：压缩空气供给管、第一阀门3、第二阀门5、压缩空气阀门6以及通过管道依次连接的混料釜2、输料泵4和酸解锅7。

其中，混料釜2用于将铁质还原剂（铁质还原剂是指主要成分为金属铁的物质，例如，铁粉、铁皮、铁屑等）和水混合制成悬浮液，以便于输料泵4输送，混料釜2包括釜体和设置在釜体内的搅拌器1。在本实施例中，釜体由顶盖、直筒形侧壁和弧形底面构成，弧形底面上设置有出料口。而搅拌器1包括搅拌轴和安装在搅拌轴一端上的搅拌叶片，搅拌轴的另一端与驱动单元连接，并且搅拌轴能够在驱动单元驱动下带动搅拌叶片旋转，搅拌叶片伸入混料釜2的釜体下部。静置时铁粉易沉积，因此配制悬浮液及开启输料泵4过程中需开启搅拌。

输料泵4输送的是铁粉悬浮液，因此宜选用固液类型，要求耐磨。酸解锅7为现有的设备，其从底部输入压缩空气以对酸解锅内的物料进行搅拌混匀，并且底部设置有压缩空气分布板9。

第一阀门3设置在所述管道的位于混料釜2和输料泵4之间的第一部位上；第二阀门5设置在所述管道的位于输料泵4和酸解锅7之间的第二部位上，主要起到阻气作用；压缩空气供给管连接至所述管道的所述第二部位与酸解锅7之间的第三部位上，以将压缩空气通过管道提供至酸解锅7；压缩空气阀门6设置在压缩空气供给管上。

管道与酸解锅7连接的一端延伸至酸解锅7的底部并高于压缩空气分布板20cm以上且位于酸解钛液的液面之下，控制管道高于酸解锅底部的压缩空气分布板20cm以上，是为了将铁粉投加至钛液深处，又不至于堵塞酸解锅底部的压缩空气分布板9。进一步地，管道位于酸解锅7内的部分由直管段和锥形出口段构成，其中，锥形出口段的小口径端与直管段连通，锥形出口段的喷射角（即图2中的θ角）为45～150°，优选为90°。设置直管段后，可以防止铁粉在管道中沉积，而将管道出口8设置为锥形，是为了消除酸解熟化块堵塞现象。另外，由于酸解过程温度最高达到220℃，硫酸浓度在93%左右，因此管道材质要求耐酸耐高温。

以下，将结合附图详细描述在硫酸法生产钛白粉工艺中使用上述装置对酸解和浸取得到的钛液进行还原的过程。

将铁粉和水兑入混料釜2内，在搅拌器1的搅拌作用下，铁粉与水混合形成铁粉悬浮液（简称悬浮液）。含钛物料在酸解锅7内进行酸解和浸取过程中，开启压缩空气阀门6，关闭第一阀门3和第二阀门5，通入微量的压缩空气以保持管道畅通。当需要向酸解锅中的酸解钛液中投加铁粉进行还原处理时，关闭压缩空气阀门6，开启第一阀门3和第二阀门5，同时开启输料泵4，缓慢将铁粉悬浮液通过管道送至酸解锅7内的底部；等铁粉悬浮液投加完毕后，关闭第一阀门3、第二阀门5和输料泵4，再开启压缩空气阀门6，通入微量的压缩空气以保持管道畅通；调节从酸解锅底部通入的搅拌用压缩空气流量，保持酸解钛液轻微流动至还原反应结束。其中，酸解锅底部通入的压缩空气流量为100～200m³/h。而从压缩空气阀门6通入的压缩空气量只要能满足保持管道畅通即可，从压缩空气阀门6通入的压缩空气量相对于从酸解锅7底部通入的压缩空气量可以忽略。

在现有技术中，将铁粉从酸解锅顶部投加至钛液液面，其先与液面上的硫酸等发生化学反应，为了使铁粉与钛液中的三价铁充分接触进行还原反应，需要从耐酸锅底部通入大量压缩空气进行搅拌。而采用本发明的装置后，由于该装置是利用输料泵将铁粉直接投加至酸解钛液内部深处，因此可以使铁粉充分用于三价铁和四价钛的还原，并且可以降低搅拌用压缩空气流量，保持酸解钛液轻微流动即可，减少了压缩空气带入的氧气量，因而可大大减少还原用铁粉消耗量。采用该发明后，吨钛白的铁粉消耗量在70Kg左右。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

示例1

向体积为130m³的酸解锅7中投入28t的钛精矿与浓硫酸反应。在酸解和浸出过程中，开启压缩空气阀门6，关闭第一阀门3和第二阀门5，确保管道畅通。浸取结束后，关闭压缩空气阀门6，开启第一阀门3和第二阀门5，再开启输料泵4，将在混料釜2中由铁粉和水混合制成的悬浮液泵入酸解锅7内的底部。待悬浮液加入完毕后，关闭输料泵4，关闭第一阀门3和第二阀门5，开启压缩空气阀门6。同时调低从酸解锅7底部通入的搅拌用压缩空气流量为200m³/h，保持酸解钛液轻微流动，1.5h后还原结束。

示例2

向体积为130m³的酸解锅7中投入28t的钛精矿与浓硫酸反应。在酸解和浸出过程中，开启压缩空气阀门6，关闭第一阀门3和第二阀门5，确保管道畅通。浸取结束后，关闭压缩空气阀门6，开启第一阀门3和第二阀门5，再开启输料泵4，将在混料釜2中由铁屑和水混合制成的悬浮液泵入酸解锅7内的底部。待悬浮液加入完毕后，关闭输料泵4，关闭第一阀门3和第二阀门5，开启压缩空气阀门6。同时调低从酸解锅7底部通入的搅拌用压缩空气流量为100m³/h，保持酸解钛液轻微流动，1.5h后还原结束。

对比例1

向体积为130m³的酸解锅7中投入28t钛精矿与浓硫酸反应。浸取结束后，直接从酸解锅顶部投入铁粉，酸解锅底部压缩空气流量为300m³/h，1.5h后还原结束后。

对比例2

向体积为130m³的酸解锅7中投入28t钛精矿与浓硫酸反应。浸取结束后，直接从酸解锅7顶部投入铁粉，酸解锅7底部压缩空气流量为200m³/h，1.5h后还原结束后。

表1是示例1-2与对比例1-2的结果比较分析。

表1示例1-2与对比例1-2的结果比较分析

由表1可见，与对比例相比，采用本发明技术后，不会影响钛液Ti³⁺的浓度，并且每批次可减少铁粉用量约400Kg，即约32%。

综上所述，本发明利用输料泵将铁粉直接投加至酸解钛液内部深处，因此可以使铁粉充分用于三价铁和四价钛的还原，并且可以降低搅拌用压缩空气流量，减少了压缩空气带入的氧气量，因而可大大减少还原用铁粉消耗量。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (9)

1.一种硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置，其特征在于，所述装置包括压缩空气供给管、第一阀门、第二阀门、压缩空气阀门以及通过管道依次连接的混料釜、输料泵和反应器，其中，

所述混料釜用于将铁质还原剂和水混合制成悬浮液，其包括釜体和设置在釜体内的搅拌器；

所述第一阀门设置在所述管道的位于混料釜和输料泵之间的第一部位上；

所述第二阀门设置在所述管道的位于输料泵和反应器之间的第二部位上；

所述压缩空气供给管连接至所述管道的所述第二部位与反应器之间的第三部位上，以将压缩空气通过管道提供至反应器；

所述压缩空气阀门设置在压缩空气供给管上；

所述反应器内盛装有待还原的酸解钛液，其底部设置有压缩空气分布板；

所述管道与反应器连接的一端延伸至反应器的底部并高于所述压缩空气分布板且位于酸解钛液的液面之下，所述管道位于反应器内的部分由直管段和锥形出口段构成，其中，所述锥形出口段的小口径端与直管段连通。

2.根据权利要求1所述的硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置，其特征在于，所述管道延伸至反应器底部的一端与所述压缩空气分布板之间的距离在20cm以上。

3.根据权利要求2所述的硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置，其特征在于，所述锥形出口段的喷射角为45～150°。

4.根据权利要求1所述的硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置，其特征在于，所述搅拌器包括搅拌轴和安装在所述搅拌轴一端上的搅拌叶片，所述搅拌轴的另一端与驱动单元连接，并且所述搅拌轴能够在驱动单元驱动下带动搅拌叶片旋转，所述搅拌叶片伸入所述混料釜的釜体下部。

5.根据权利要求1所述的硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置，其特征在于，所述混料釜的釜体由顶盖、直筒形侧壁和弧形底面构成，所述弧形底面上设置有出料口。

6.一种硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原方法，所述酸解钛液为含钛物料经酸解和浸取步骤后得到的溶液，其特征在于，所述方法采用如权利要求1至5中任意一项所述的硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原装置对酸解钛液进行还原处理，具体包括以下步骤：

将铁质还原剂和水兑入所述混料釜内，在所述搅拌器的搅拌作用下，铁质还原剂与水混合形成悬浮液；

打开所述第一阀门和第二阀门并开启所述输料泵，将悬浮液输送至所述反应器的底部；

待悬浮液输送完毕后，关闭所述输料泵、第一阀门和第二阀门，同时开启所述压缩空气阀门；

调节从所述反应器底部通入的搅拌用压缩空气流量，保持酸解钛液轻微流动至还原反应结束。

7.根据权利要求6所述的硫酸法生产钛白粉工艺中的酸解钛液还原方法，其特征在于，所述调节从所述反应器底部通入的搅拌用压缩空气流量的步骤将通入的压缩空气流量控制为100～200m³/h。

8.一种硫酸法生产钛白粉工艺，包括将含钛物料依次进行酸解、浸取和还原的步骤，其特征在于，所述还原步骤采用如权利要求6所述的酸解钛液还原方法来实现，并且，在进行所述酸解和浸取步骤中，关闭所述第一阀门、第二阀门和输料泵，同时开启所述压缩空气阀门。

9.根据权利要求8所述的硫酸法生产钛白粉工艺，其特征在于，所述调节从所述反应器底部通入的搅拌用压缩空气流量的步骤将通入的压缩空气流量控制为100～200m³/h。