熔盐氯化炉大型化关键因素

查笑乐

（攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司，四川攀枝花 617023）

0 引言

随着我国经济和技术持续发展，特别是熔盐氯化开始应用于氯化法钛白大规模生产以及海绵钛不断降低成本的迫切需要，对熔盐炉进一步放大提出更高要求。熔盐炉大型化涉及问题众多，系统关联性强，从炉型、配套装备、物料平衡、热能平衡、熔体动力学平衡等均需重新分析、确定。本文以现场实际情况为依据，对攀钢海绵钛熔盐氯化炉大型化的关键因素进行分析、计算，为该炉型进一步放大至160 t/d 可行性提供理论支撑。

1 氯化炉工艺过程

氯化炉生产期间通过原料转运系统将反应所需的钛渣、石油焦、工业盐混匀后，由炉前螺旋给料机将原料连续送入氯化炉。原料从熔体液面上部加入，在熔体上表面短暂停留，形成原料区。生产过程中，炉底氯气管道持续通入来自氯压车间的混合氯气，氯气以较快速度从氯气管道喷嘴送入熔盐后将动能带入熔体。由于原料为粉体，熔体吸收动能后进行定向流动，同时氯气气泡分散上升过程中将上部原料搅匀、混合。氯气与原料充分接触后反应生成TiCl4，由于熔体温度达到800 ℃，汽化后TiCl4形成气包上升至液面破裂后由炉顶运行至排放口，在后部淋洗系统分级冷却、收集。

2 熔盐体系特性分析

熔盐体系作为氯化反应的载体，是氯化炉动力学核心，其体系特性直接决定氯化工艺全反应过程条件及相关参数、操作要求。对攀钢海绵钛氯化排出炉外熔体的组份进行分析，熔体中除NaCl 占比最高外，主要存在Fe、Mg、Mn、Al、Ca 等元素的高沸点氯化物以及各种元素的氧化物。

根据生产工艺，氯化炉内熔体操作温度主要在750～850 ℃，熔盐处于融熔态，具有良好的流动性及动力学性能。由于氯气和炉料的连续加入，各种氯化物在炉中积聚，随着TiO2及部分物料的消耗，熔盐中碳和其他不溶成分含量＞20%，将会导致熔盐黏度明显增大，熔体动力学性能快速变差，炉内物料反应效率急剧降低[1]。为了维持熔盐液面恒定和控制熔盐中不溶介质的比例，需要周期性排废盐并连续加入炉料补充熔盐。

3 熔盐炉大型化关键因素分析

根据以上反应机理及工艺过程，可以看到对于氯化炉生产影响因素众多，综合分析后主要包括物料平衡、热能平衡、熔体动力学特性、物料特性、炉型结构等。通过总结分析其中因素，对扩能影响最大的还是大型化增产后物料、热能平衡、主要工艺参数变化带来的熔体动力学条件及工况变化与原有装备不匹配带来的相关矛盾[2]。通过以上分析可知，如需对氯化炉进一步大型化，需找到相关边界条件及关键因素，参照成熟炉型结构，进而探讨熔盐炉大型化的方向，研究确定相关炉型结构。

通过结合成熟炉型的工程化设计及车间生产实际，可以得出对炉型大型化主要的影响因素有炉内氯气分布情况、熔体有效体积及熔体液面高度、炉膛内烟气气速等。

3.1 熔体体积

根据工艺原理，确定熔体体积，首先需确定熔盐体系相关体积与产量关系a。通过参照分析国内已经成熟的炉型及《钛冶炼厂工艺设计标准》（GB 51326—2018）标准中相关公式，可了解单位熔盐体积与TiCl4产能关系经验约为a=4～5.5 t/m3。

结合现场生产实际情况，分析攀钢氯化炉废盐渣成份，不溶物占比达到18%以上，已较为接近20%上限。如进一步增加产能，存在熔体动力学条件被破坏后导致炉况恶化的风险。熔盐氯化炉在前期通过多次攻关试验，验证熔盐炉扩能的可行性，期间通过增加氯气通入量，适当增大熔体流动速度情况强化反应速度，可进一步增大氯化炉产能增大至140 t/d 以上，单位体积产能a 值可达到5。

3.2 炉膛气速

熔盐氯化生产过程中，氯气在炉内分散并与原料反应后，生成TiCl4均匀从熔体上表面快速溢出。炉膛气速实际将直接对熔体流动速度、液面波动幅度、原料悬浮层的稳定、混合反应层状态、原料带出炉体比例等均有直接影响。

分析生产过程可以知道，增产后TiCl4烟气在炉膛直径不变前提下气速将呈线性比例增大，烟气速度一旦超过合理范围，将导致熔体流动速度过快，造成液面大幅波动，对熔盐炉稳定运行影响很大。此外，炉膛气速过高还将导致尚未降至液面便被带走原料比例明显增大，增大原料损耗，同时增大后部淋洗系统负荷及浆料总量，TiCl4浆料再平衡难度增大。综合分析，炉膛气速为保证氯化炉达到设计产能的重要指标。

3.3 氯气分布情况

氯化炉稳定生产的前提条件之一是炉内氯气可均匀分布，氯气与原料均匀混合后物料氯化率达到90%以上，方可确保氯气利用率及原料还原率等达到设计指标。同时也是确保氯化炉内熔体动力学的基本条件。现有氯化炉均通过炉底设置多根氯气管道，同时通入一定速度的氯气实现气流带动熔体，实现熔体的流动。而熔盐氯化反应在气固、液三相中进行，氯气均匀分布靠液相分散来达到的，显然氯气被分散的程度取决于熔盐的运动状态。其主要包括氯气送入动能与熔体吸收动能，通过理论分析，主要参照动能公式（1）计算。

式中 m——氯气、熔盐的质量，kg

v——氯气的速度，m/s

吸收动能后，熔体动力学状态可通过动能与熔体质量比值X 作为熔体运动状态参照依据。通过结合现有锦州、海绵钛熔盐炉情况，返算可知道熔体吸收氯气动能后情况，可计算出锦州大型氯化炉熔体X1=E/m=47，攀钢海绵钛熔盐炉熔体X2=E/m=56。通过计算现有海绵钛炉型X 值生产实践可达到62，结合判断如进一步提高单炉产能，由于熔体体积的一定增大，需适当提高氯气输送速度，当单位熔体产能a 值如按5.2 考虑，X 值最大将达到65～75。该值在相关理论实践中并未规范上限并获得进一步验证，X 值能否达到该值还需通过对现有炉型及相关参数进行不断优化、改善后进行验证。

3.4 炉型设计

通过以上关键因素分析可知，合理的炉型结构是实现熔盐炉大型化的基础，是平衡以上各项因素的关键措施。熔盐炉炉型结构发展至今大型炉结构已基本成熟。均为圆型炉，结构可分为锥段（反应段）、炉体直段（气固分离段）。熔体主要在锥段，其功能主要为氯气分布、混合、反应区。气固分离段主要为炉膛及上部直段、炉顶，其功能主要为物料分布、烟气上升过程中的固体颗粒、原料未反应粉料等实现气固分离后固体物在炉内沉降。氯气布置于氯化炉底，现有熔盐炉底直径≤1.8 m，设置4 根氯气管道即可满足氯气分布要求。为与熔体运动状态匹配，炉底锥段不宜＞18°，否则宜造成熔体产生反应死区或沉积区[3]。

熔体高度的设置直接关系到熔体体积、物料混合反应时间、氯气分布效果等关键参数，其大型化设定主要考虑2 个因素。

（1）氯气在熔体内停留的时间，参照已掌握的文献参数，氯气的分散、预热时间一般在1～3 s，在反应带的停留、反应时间＞5 s。在实际生产中，熔盐处于高温状态下，氯气的上升运动速度经分析将大于0.4 m/s 的空膛速度，小于等于0.5 m／s，计算可得熔体所需高度至少为4 m。考虑到原料悬浮层及炉底炉渣沉降区，熔体液面至炉底高度达到4.5 m 以上较为合适。

（2）产业化后的国产氯气加压机的实际出力情况，由于进口氯压机价格因素，国内主要生产企业主要采用国产氯压机。而目前国产氯压机输出压力在0.15 MPa 左右，经远距离输送后实际入炉压力≤0.12 MPa，而熔盐4.5 m 深度及间断排渣过程中原料层静态压力即可达到0.060～0.065 MPa，氯气动态输送过程中还需克服氯气管道及熔体形成阻力，该阻力可达到0.020～0.025 MPa，实际用于氯气输出压力不足0.035 MPa。如进一步提高液面，将导致氯气喷嘴由于阻力增大导致输出速度不足，对熔体形成理想的动力学环境影响较大[4]。特别是大型化后在氯压机输出压力不变的条件下，熔体质量、炉体直径均需进一步增大，对于氯气输入速度及动能要求更高。综合分析，熔体液面高度4.5～4.6 m 即可，不宜进一步加大。根据熔盐炉生产原理，排盐口高度设计至4.5～4.6 m。

炉膛直径主要有3 方面影响：①氯化炉烟气得到减速和缓冲；②被气流夹带的固体微粒绝大部分实现沉降；③未反应完的少量微氯继续和超细物料继续进行反应。经分析可以得出，决定炉膛直径主要还是炉内烟气气速，而通过物料平衡计算以及统一考虑返炉泥浆量后获得达产烟气总量。通过返算空膛气速，可确定炉膛的最小直径，而液面上部直段按照经验取炉膛直径1.5倍以上较为合适。

4 结束语

熔盐炉大型化在我国钛产业的不断发展下，对于降低生产成本及低品位原料大规模应用具有重要的现实意义。通过以上综合分析，熔盐炉大型化影响因素众多，其中关键影响因素炉内氯气分布情况、熔体有效体积及熔体液面高度、炉膛内烟气气速等均对熔体的动力学环境、生产反应条件等产生较大影响。参照现有成熟的熔盐氯化炉的炉型结构可以看到，氯化炉大型化需对现有炉型进行放大及调整，对炉膛直径、锥段尺寸、底部直径等进行重新分析、计算及工况条件下动力学仿真模拟，而其中部分关键参数及机理还需进行相关验证方可为下阶段大型化提供支撑。