CN110526287B - 一种无筛板沸腾氯化炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无筛板沸腾氯化炉，包括炉体和炉顶，所述炉体的内部从底部至顶部分为进气段、反应段和扩大段；所述反应段直径大于所述进气段直径，且小于所述扩大段直径；所述进气段从底部至顶部设有至少两层台阶，上层所述台阶的直径大于下层所述台阶的直径，每个所述台阶的炉壁上均设有进气口；所述反应段的炉壁上设有进料口；所述炉顶的炉壁上设有出气口。因此，本发明提供的无筛板沸腾氯化炉，高沸点杂质、惰性杂质炉内富集少，炉内不易烧结，工况好，产量高，连续运行时间长。

Description

一种无筛板沸腾氯化炉

【技术领域】

本发明属于钛白粉生产技术领域，具体涉及一种无筛板沸腾氯化炉。

【背景技术】

钛白粉(TiO₂)是一种重要的无机化工产品，在涂料、油墨、造纸、塑料橡胶、化纤、陶瓷等工业中有重要用途，其生产方法有硫酸法和氯化法两种。氯化法以其流程短、生产能力易扩大、连续自动化程度高、能耗相对低、“三废”少、产品质量高等优点在国际上被普遍采用。但国内现在技术落后，钛白粉生产仍以高污染、高能耗的硫酸法为主，氯化法钛白粉急需突破。沸腾氯化作为主流的氯化法工艺，投资大，设备结构复杂，对材料要求高、研究开发难度大。

氯化法的关键设备沸腾氯化炉在国内普遍存在炉型小、频繁烧结、连续运行时间短、现场操作环境差等问题。主要表现有：1、炉型不合理，炉内高沸点杂质、惰性杂质易富集，造成工况差、烧结、连续运行时间短；2、进气口易堵塞，炉内进气、床层成分分布不匀，造成局部温度过高、反应不完全，尾气含氯高，工况恶化；3、普遍采用下排渣，惰性杂质在炉内富集，无法连续运行，同时现场环境差，腐蚀严重。4、采用带有筛板的沸腾氯化炉，虽然具有流化床建立稳定等优点，但是筛板非常容易堵塞，必须停车疏通或更换新筛板，使生产无法正常进行。

因此，有必要研发一种新的无筛板沸腾氯化炉，以解决上述技术问题。

【发明内容】

本发明的目的就在于为解决现有技术的不足而提供一种无筛板沸腾氯化炉。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无筛板沸腾氯化炉，包括炉体和炉顶，所述炉体的内部从底部至顶部分为进气段、反应段和扩大段；所述反应段直径大于所述进气段直径，且小于所述扩大段直径；

所述进气段从底部至顶部设有至少两层台阶，上层所述台阶的直径大于下层所述台阶的直径，每个所述台阶的炉壁上均设有进气口；

所述反应段的炉壁上设有进料口；

所述炉顶的炉壁上设有出气口。

优选的，所述炉体由外壳和内衬组成，所述外壳为钢壳，所述内衬为高铝砖；所述炉顶也采用钢壳。

优选的，所述炉顶的炉壁上还设有喷枪口或/和取样口，其中所述喷枪口用于向所述炉体内部喷入降温介质；所述炉体的底部炉壁上设有检修孔。

优选的，所述炉顶的外炉壁上设有喷淋水分布器，所述喷淋水分布器的上方、及所述炉体的上部的外侧环设有集气罩。

优选的，所述炉体的底部的外侧环设有喷淋水收集槽，所述喷淋水收集槽底部设有冷却水进口；所述喷淋水收集槽还设有溢流口，所述溢流口处设pH在线监测器。

优选的，所述进料口至少设置为两个，所述进料口采用高压氮气向所述炉体内部吹入物料。

优选的，所述炉体的外壳侧壁以及所述炉体扩大段内衬侧壁上设有多个温度传感器，所述炉顶的炉壁上还设有压力变送器。

优选的，所述进气口设有温度传感器和压力变送器；所述出气口设有尾气在线监测器。

优选的，所述进气段从底部至顶部设有底层、中层、上层共三层台阶，所述底层台阶、所述中层台阶和所述上层台阶的直径比为1:(1.5～1.8):(2.1～2.3)；所述进气段截面气速为0.4～1.2m/s。

优选的，所述底层台阶、所述中层台阶和所述上层台阶的炉壁上均环绕设有多个进气孔，每个所述进气孔均连接进气管道，每个所述进气管道上均设有控制阀。

本发明提供的无筛板沸腾氯化炉，通过采用由底部至顶部直径变大的三段式炉体设置，及无筛板台阶式侧进气、上排渣方式，可吹起炉内聚集的高沸点杂质CaCl₂、MgCl₂及惰性杂质SiO₂和Al₂O₃，避免造成床层粘连及高沸点杂质、惰性杂质聚集烧结，而且因扩大段内径增加，气速变慢，可避免部分固体大颗粒被带出氯化炉，提高物料利用率。因此，本发明提供的无筛板沸腾氯化炉，高沸点杂质、惰性杂质炉内富集少，炉内不易烧结，工况好，产量高，连续运行时间长。

【附图说明】

图1为本发明提供的无筛板沸腾氯化炉结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供的无筛板沸腾氯化炉，如图1所示，包括炉体和炉顶，炉体的内部从底部至顶部分为进气段、反应段和扩大段，进气段为如图所示A区，反应段为如图所示B区，扩大段为如图所示C区；反应段直径大于进气段直径，且小于扩大段直径；

进气段从底部至顶部设有至少两层台阶，上层台阶的直径大于下层台阶的直径，每个台阶的炉壁上均设有进气口1；

反应段的炉壁上设有进料口2；

炉顶的炉壁上设有出气口6。

使用时，物料(高钛渣:石油焦＝3:1混合物料)从进料口进入炉体内反应段，氯气从进气口进入炉体内进气段，高钛渣、石油焦在900～950℃的高温下与从进气口通入的氯气在进气段和反应段(主要)反应，生成四氯化钛、二氧化碳、一氧化碳等气体，高温气体携带未反应的矿、焦小颗粒及未反应的杂物等进入扩大段，然后经炉顶出气口排出，进入后续工序；因扩大段内径增加，气速变慢，可避免部分固体大颗粒被带出氯化炉，提高了物料利用率。

传统的无筛板氯化炉可以看做两段式，进气段和反应段等径，高沸点及惰性杂质无法吹出。而本申请进气段直径小于反应段，且进气段采用台阶式设计，由顶部至底部内径缩小，可以保证氯化炉进气后气速增快，炉内聚集的高沸点杂质CaCl₂、MgCl₂及惰性杂质SiO₂和Al₂O₃可被高速气流吹入反应段，经石油焦的稀释，避免造成床层粘连及惰性杂质聚集烧结，在高温环境下高沸点CaCl₂、MgCl₂杂质及惰性杂质以较小的颗粒被反应气体经出气口带出系统。避免了上排渣氯化炉高沸点杂质及惰性杂质等在炉内富集的问题。

由于本申请进气口1设置在进气段的侧面炉壁上，而且未设置筛板，即采用无筛板侧进气方式可避免国内钙镁含量较高的钛矿堵塞筛板，同时，侧进气的进气口可以在停车检修状态下，氮气置换后(确保CO含量小于3％)，用疏通杆对进气口1进行疏通，保证进气顺畅，使运行过程中氯气在炉内均匀分布，保持沸腾床良好的沸腾状况。

优选的，炉体由外壳4和内衬3组成，外壳采用钢壳，内衬采用高铝砖，高铝砖成分中的主要成分SiO₂和Al₂O₃组成均衡(Al₂O₃含量优选在40-50％；SiO₂＜60％，SiO₂和Al₂O₃均衡的组合使耐火材料耐温耐腐性能均衡，可应对氯化炉的复杂工况)，总计占到97％以上，Fe₂O₃、CaO、K₂O等杂质含量低，兼顾耐磨、耐侵蚀的同时避免了铝含量过高的高铝砖长时间运行磨损后给系统带入过多Al₂O₃的弊端，防止将过多的AlCl₃(氯气量充足是Al₂O₃与氯气反应)带入系统造成堵塞。而炉顶仅采用钢壳，不设置衬砖或浇注料，避免杂物掉落影响运行。进一步地，衬砖与钢壳间可涂抹耐温防腐层，炉顶钢壳上也涂抹耐温防腐层，在系统生产过程中未反应的矿渣、粉尘等粘附于炉顶防腐层表面，避免炉壳腐蚀。炉体底部钢壳内也铺满高铝砖进行隔热。

优选的，炉顶的炉壁上还设有用于喷入炉体内部降温介质的喷枪口5，降温介质一般采用液体四氯化钛，在反应段反应后气体温度约1000摄氏度，通过喷枪口喷入液体四氯化钛进行降温，降低出口气体温度的同时可以调控反应温度，避免反应温度过高形成烧结。

优选的，炉顶的炉壁上还设有取样口16，取样探杆可通过取样口对炉料进行取样分析，准确分析各床层高度上的温度、物料成分，便于炉内物料控制和温度控制。

优选的，炉体的底部炉壁上还设有检修孔10；正常生产时，检修孔为封堵状态，需要检修时可以打开，方便进行检修。

优选的，炉顶的外炉壁上设有喷淋水分布器7，采用喷淋水对炉顶和炉体炉壁进行润湿降温，保证炉壁无干区，防止炉壳温度过高。进一步在喷淋水分布器的上方、及炉体的上部的外侧环设有集气罩8，可以将喷淋水水汽抽出厂房，避免了水汽弥漫对厂房设备形成锈蚀。优选炉体的下部和底部的外侧环还设有喷淋水收集槽9，可以收集来自炉顶的喷淋水，还可以在喷淋水收集槽底部设有冷却水进口11，可以从底部通入冷却水形成水浴保护，进一步对炉体进行降温。在喷淋水收集槽溢流口12处可设pH在线监测器，通过检测溢流的喷淋水、冷却水pH，可及时监测因炉壳被烧穿或进料口、进气口堵塞等因素造成的泄露问题。

优选的，进料口2至少设置为两个，其中一个进料口使用高压氮气吹入混合料(石油焦、钛矿、氯化钠等混合)，氮气吹入保证了加入物料快速散开，避免炉内混料不匀，另一个进料口作为备用在必要时可吹入石油焦，以便快速调节炉内物料配比。

由于氯化炉通入的氯气有较高的温度，且反应温度也较高，因此在每个进气口可设置温度传感器13，根据检测到的温度确定进气口进气情况、堵塞情况(堵塞、进气不畅则温度偏低)，可在检修期间使用疏通杆重点进行疏通，保证正常运行时的炉内工况稳定。

优选的，进气口包括多个，在进气段的侧壁环绕均匀设置。

优选的，炉体的外壳侧壁和炉顶的炉壁上设有多个温度传感器13，均贴附于炉体四周的钢外壳表面，检测钢外壳温度，高铝砖冲刷变薄后，钢外壳温度会升高，根据钢外壳温度，可以及时发现温度异常的炉壳，以免因内衬高铝砖砖变薄或磨透后发生炉壁烧穿事故；尤其是在反应段的外壳侧壁、扩大段的外壳侧壁、炉顶的炉壁上有必要设置温度传感器。

优选的，炉体扩大段内衬侧壁上也均布有多个温度传感器，此温度传感器插入炉体内部，优选为4个；此温度传感器的设置主要为监控反应温度，扩大段温度控制在850℃左右，进而保证反应段温度＜1000℃(理想状态为900～950℃)，同时，4个温度传感器可以对4个方位的温度差异进行检测(最低和最高温差＜100℃)，及时调整不同方位进气口开度，保证良好的沸腾状况；因此通过对扩大段温度检测，可以及时调控喷入的液体四氯化钛量，进而控制反应温度；另外，通过对扩大段温度检测，可以及时调节不同方位进气口开度，避免因长时间生产，部分进气口堵塞造成进气不均匀，炉内局部温度过高。

优选的，进气口、炉顶的炉壁上还设有压力变送器14，可以监控氯化炉床层压降等数据。出气口可设有尾气在线监测器，监控尾气中CO、CO₂、Cl₂含量，确保反应正常(正常生产根据CO、CO₂含量的比值来控制炉内的反应，CO/(CO+CO₂)比值控制在40％-50％，即CO/CO₂在0.67～1之间，如果炉温过高，生成的CO多，则比值随之增大，根据两者含量的检测对比，及时调控，避免炉温过低或过高，另外尾气中不含Cl₂)。

经过优选，进气段从底部至顶部设有底层、中层、上层共三层台阶，底层台阶、中层台阶、上层台阶的直径比为1:(1.5～1.8):(2.1～2.3)。正常生产反应段气速控制在0.4～0.7m/s，进气段沉降的高沸点杂质因粘接物料，体积较正常物料粒径大，正常的气体流速无法将其吹起带出，为提高气速，采用缩小直径的方式。本发明进气段截面气速在0.4～1.2m/s之间(其中底层进气台阶处气速最高，中层次之，上层再次。从低到高依次递减的气速可以在进气段形成局部小沸腾床，比如，底层吹起的固体颗粒进入中层、上层台阶后，因气速减小，颗粒较大的则重新返回底层，不断往复，最终大颗粒磨小，小颗粒带出)，保证将聚集的高沸点杂质CaCl₂、MgCl₂及惰性杂质SiO₂和Al₂O₃吹至反应段。

进一步优选的，底层台阶、中层台阶、上层台阶的炉壁上均环设有多个进气孔，每个进气孔均连接进气管道15，每个进气管道上均设有控制阀。根据生产情况可快速调节进气分布，防止炉内局部过热，同时因下层压力高，正产生产根据气量一般情况下底层进气管阀门全开，中层进气管阀门开度约60％，上层进气管阀门开度约30％，可保证从下部进入的气体量，避免物料聚集在底部。另外，由于每个进气管道上均设有控制阀，可以从分布的温度传感器检测得到的温度数据，调整相应控制阀开度大小，以保证炉内温度分布均匀。

作为本发明其中一个优选实施例提供的无筛板沸腾氯化炉，如图1所示，包括炉体和炉顶，炉体由外部的钢壳4和高铝砖内衬3组成(Al₂O₃含量在40％～50％之间)，炉顶仅采用钢壳，炉体内衬砖与钢壳间涂抹耐温防腐层，炉顶钢壳上也涂抹耐温防腐层。

炉体直径7米，高14米，衬砖后炉内结构呈倒“V”形结构，从底部到顶部依次为进气段、反应段(直径约4.5米)、扩大段(直径约6.3米)。

相比传统氯化炉，进气段较反应段小。进气段采用3层台阶式进气布局，最底层台阶内径约1.7米高0.8米，中间层约2.8米高0.6米，最上层约3.7米高0.6米；每层台阶均环绕布置12个进气孔(进气孔DN150)，每个进气孔内设有温度传感器和压力变送器；每个进气孔均连接有侧进式直通进气管道15，在进气管道上设有控制阀。反应段和扩大段均为直通状。

在反应段的炉壁设有两个进料口2，在炉顶的炉壁上设出气口6，出气口设有尾气在线监测器。

炉顶的炉壁上还设有用于喷入炉体内部降温介质的喷枪口5和取样口，炉体的底部炉壁上还设有检修孔10。

炉顶的外炉壁上设有喷淋水分布器7，在喷淋水分布器的上方、及炉体的上部的外侧环设有集气罩8，炉体的下部和底部的外侧环还设有喷淋水收集槽9，在喷淋水收集槽底部设有冷却水进口11，在喷淋水收集槽溢流口12处设pH在线监测器。

炉体反应段、扩大段的外壳侧壁和炉顶的炉壁上设有多个温度传感器13，炉体扩大段内衬侧壁上也设有多个温度传感器13，炉顶的炉壁上还设有压力变送器14。

生产时，通过一个进料口采用高压氮气向炉内吹入高钛渣:石油焦＝3:1左右的混合料，通过炉顶插入的取样探杆取样，石油焦控制在30％～35％，TiO₂＞50％，流化床高度控制在5～6米，另一个进料口作为备用在必要时可吹入石油焦，以便快速调节炉内物料配比；氯气从进气口进入氯化炉，在850-1000℃的温度下与高钛渣、石油焦反应生成高温TiCl₄、CO、CO₂气体，气体经炉顶出口排出，进入后续工序。

进气段采用三层台阶式，由顶部至底部内径缩小，可以保证氯化炉进气后气速增快，炉内聚集的高沸点杂质CaCl₂、MgCl₂及惰性杂质SiO₂和Al₂O₃可被高速气流吹入反应段，经石油焦的稀释，避免造成床层粘连及惰性杂质聚集。

在炉体扩大段内衬侧壁、炉体钢壳和炉顶炉壁、进气口设有的多个温度传感器和压力变送器，可以实时对进气温度和压力以及炉内反应温度和压力等进行监控，以便于通过采用喷入四氯化钛液体、每个台阶进气管进气量等方式对温度和压力进行调控。还可以及时发现温度异常的炉壳，避免炉内衬砖减薄或磨透后造成炉壁烧穿事故等。

可采用喷淋水对炉顶和炉体炉壁进行润湿降温，保证炉壁无干区，防止炉壳温度过高，采用集气罩，可以将喷淋水水汽抽出厂房，避免了水汽弥漫对厂房设备形成锈蚀，喷淋水收集槽，既可以收集来自炉顶的喷淋水，又可以从底部通入冷却水形成水浴保护，进一步对炉体进行降温。设pH在线监测器，通过检测溢流的喷淋水、冷却水pH，可及时监测因炉壳被烧穿或进料口、进气口等因素造成的泄露问题。

需要检修时，可以打开检修孔进行检修。

因技术制约，国内沸腾氯化炉直径普遍在3米以下，氯化炉在大型化后面临反应差、难控制、易烧结等问题，而本申请提供的氯化炉直径可达7米，高沸点杂质、惰性杂质炉内富集少，炉内不易烧结，工况好，产量高，连续运行时间长。本实施例提供的氯化炉连续运行可达2年以上，单日四氯化钛产量可达到700吨。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无筛板沸腾氯化炉，包括炉体和炉顶，其特征在于，所述炉体的内部从底部至顶部分为进气段、反应段和扩大段；所述反应段直径大于所述进气段直径，且小于所述扩大段直径；

所述进气段从底部至顶部设有底层、中层、上层共三层台阶，所述底层台阶、所述中层台阶和所述上层台阶的直径比为1:(1.5~1.8):(2.1~2.3)；所述进气段截面气速为0.4~1.2m/s，每个所述台阶的炉壁上均设有进气口；其中底层进气台阶处气速最高，中层次之，上层再次；

所述反应段的炉壁上设有进料口；

所述炉顶的炉壁上设有出气口；

所述底层台阶、所述中层台阶和所述上层台阶的炉壁上均环绕设有多个进气孔，每个所述进气孔均连接进气管道，每个所述进气管道上均设有控制阀。

2.如权利要求1所述的无筛板沸腾氯化炉，其特征在于，

所述炉体由外壳和内衬组成，所述外壳为钢壳，所述内衬为高铝砖；所述炉顶也采用钢壳。

3.如权利要求1所述的无筛板沸腾氯化炉，其特征在于，

所述炉顶的炉壁上还设有喷枪口或/和取样口，其中所述喷枪口用于向所述炉体内部喷入降温介质；所述炉体的底部炉壁上设有检修孔。

4.如权利要求1所述的无筛板沸腾氯化炉，其特征在于，

所述炉顶的外炉壁上设有喷淋水分布器，所述喷淋水分布器的上方、及所述炉体的上部的外侧环设有集气罩。

5.如权利要求1所述的无筛板沸腾氯化炉，其特征在于，

所述炉体的底部的外侧环设有喷淋水收集槽，所述喷淋水收集槽底部设有冷却水进口；所述喷淋水收集槽还设有溢流口，所述溢流口处设pH在线监测器。

6.如权利要求1所述的无筛板沸腾氯化炉，其特征在于，

所述进料口至少设置为两个，所述进料口采用高压氮气向所述炉体内部吹入物料。

7.如权利要求2所述的无筛板沸腾氯化炉，其特征在于，

所述炉体的外壳侧壁以及所述炉体扩大段内衬侧壁上设有多个温度传感器，所述炉顶的炉壁上还设有压力变送器。

8.如权利要求1所述的无筛板沸腾氯化炉，其特征在于，

所述进气口设有温度传感器和压力变送器；所述出气口设有尾气在线监测器。

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