钛白粉冷热电联供生产技术与优化思考

＊李守阳

（山东道恩钛业有限公司 山东 265700）

引言

钛白粉是一种无机化工颜料，多用于造纸、涂料、橡胶等行业，而伴随着我国市场经济的快速发展，对于钛白粉等化工产品的需求显著增加，使得钛白粉生产工艺逐渐成为工业领域的研究重点。目前我国钛白粉生产多采用硫酸法，但其生产流程复杂，存在较为严重的高污染、高能耗问题。因此，以冷热电联供生产技术为依托就钛白粉生产工艺进行优化，其目的在于提高资源利用率，促进钛白粉生产行业的可持续健康发展。

1.钛白粉生产现状及问题分析

(1)钛白粉生产的主要问题

①生产能耗高

现阶段，我国钛白粉生产行业发展迅速，钛白粉及相关材料广泛应用于涂料、汽车制造、塑料、橡胶等领域。但是，现阶段钛白粉生产工艺，存在生产技术不高、设备落后且生产能耗高的问题，其中，数据显示，我国钛白粉生产中能耗占到钛白粉生产总成本的20%～25%，而纯钛白粉生产能耗远高于西方先进水平。

②生产污染高

目前我国钛白粉生产工艺仍以硫酸法为主，而在硫酸法钛白粉生产过程中，存在较为严重的环境污染问题。其中，硫酸法钛白粉生产会产生二氧化硫、酸雾、粉尘、二氧化碳等物质，且由于需要涉及传统燃气锅炉，使得因二氧化碳所致的温室效应问题也较为严重。数据显示，每生产1t钛白粉产品，会伴随1.5～2万立方米的废气产生。

(2)钛白粉生产节能优化的主要难点

①改造成本高

现阶段，我国大多数钛白粉生产厂家均存在设备落后、技术单一的问题，而由于受到环保政策限制，大多数钛白粉生产厂家的利润相对较低，甚至有部分厂家已经进入亏损状态，这使得钛白粉生产工艺改造难度变大，厂家并不具备更新生产设备的能力和条件。

②生产技术落后

与西方发达国家相比，我国钛白粉生产最大的不足在于生产工艺的落后。其中，虽然污染较小、工艺流程较为简单的氯化法已经在钛白粉生产行业中得到应用，但其科技含量较高，存有一定的技术限制。

2.冷热电联供生产技术分析

(1)冷热电联供系统的基本概念

冷热电联供系统是基于用户侧、对能源进行梯级利用的一种供能系统，其资源利用率高，具有良好的节能效应，多应用于大型综合型建筑和工业园区。其中，冷热电联供系统以燃气内燃机或燃气轮机作为动力驱动发电机发电，其产生的余热能够用于供热或带动吸收式制冷机组制冷，可实现能量的多层利用，提高能源利用率。

冷热电联供系统的系统架构如图1所示。

图1 冷热电联供系统架构图

(2)冷热电联供系统的优点

冷热电联供系统能够对能源进行梯级利用，使得能源利用率大大提高，且由于系统靠近用户侧，供能稳定安全，经济性较高，能够根据用户的实际需求实现削峰填谷、平衡用能峰谷差。此外，相比于传统硫酸法，冷热电联供系统生产污染较小，具有较高的环保价值，符合可持续发展的基本原则。

(3)冷热电联供系统的分类

目前，冷热电联供系统发展迅速，已经有多种产品在市场上得到应用。其中，根据能源种类分类，可将冷热电联供系统分为一次能源冷热电联供系统、可再生能源冷热电联供系统；根据动力来源分类，可将冷热电联供系统分为燃气内燃机冷热电联供系统、燃气轮机冷热电联供系统和燃料电池冷热电联供系统。

(4)冷热电联供系统的工作原理

首先，对于常见冷热电联供系统，其以锅炉或蒸汽轮机作为动力来源，具体原理如图2所示。该类冷热电联供系统能够对蒸汽和热水进行二次利用，但其所产生的电能相对较小，因此多应用于中大型工业园区。

图2 锅炉和汽轮机驱动系统的工作原理图

其次，对于以燃气轮机和蒸汽轮机混合驱动的冷热电联供系统，其充分应用布雷顿循环和朗肯循环，能够显著改善能源利用率，提高系统发电效率，具体工作原理如图3所示。

图3 燃气轮机和蒸汽轮机驱动系统的工作原理图

再次，对于以燃气轮机驱动的冷热电联供系统，其主要优势在于能够对冷、热、电需求变化进行调节，具体工作原理如图4所示。其中，当供暖或制冷不足以满足系统需求时，采用天然气进行补充。同时由于该系统存在独立的锅炉系统，使得必须配备辅助设备和水处理装置，因此系统整体建设成本较高。

图4 燃气轮机驱动系统的工作原理图

最后，对于内燃机驱动的冷热电联供系统，其利用内燃机作为动力系统，采用换热器对内燃机中的夹套水进行处理，同时加入补燃装置，以天然气为补充保障系统冷热量的灵活调节。而由于内燃机温度较低，因此该系统多用于为用户供暖或提供生活用水。其中，内燃机驱动系统的工作原理如图5所示。

图5 内燃机驱动系统的工作原理图

3.钛白粉冷热电联供系统优化设计研究

(1)设计内容

冷热电联供系统的动力设备包含内燃机、微燃机、燃气轮机等多种类型，制冷具有吸收式制冷、吸附式制冷等多种方式，因此，冷热电联供系统可根据用户的需求组成不同的运行模式，而确定钛白粉冷热电联供系统的运行模式，并根据其选择最佳的动力、制冷设备，是钛白粉生产工艺的优化设计要点。此外，应对钛白粉冷热电联供系统的运行方案进行选择，即选择“以冷定电”和“以热定电”，并应确定动力机械的数量和单个容量，从而达到系统效率最大化、生产能耗最小化、运行成本最低化的设计目的。

一方面，对于冷热电联供系统的结构设计，包括设备选择、制冷装置与热回收装置设计、运行模式选择等；另一方面，对于冷热电联供系统的系统配置，应遵循安全性、经济性和实用性原则，对包括当地能源价格、与市政电网和能源网的连接方式、钛白粉生产节能技术、钛白粉生产需求在内的因素进行考量。

(2)设计方案

本设计主要采用“以冷定电”“以热定电”及常规能源供应系统相结合的运行模式。其中，对于“以冷定电”和“以热定电”，采用内燃机+余热锅炉+热交换器或蒸汽溴化锂吸收式制冷，对于常规能源供应系统，采用锅炉+电制冷机+电网供电。

(3)设备建模

本设计涉及设备包括内燃机、制冷设备、制热设备以及余热锅炉，其中，以内燃机作为供能系统的核心，借助燃气燃烧实现热量转化，并产生余热带动制冷装置。

对于冷热电联供系统中的内燃机，其功率一般在100kW～3000kW之内，可排放温度达500℃的烟气，能够产生较多的可利用余热，便于实现热量回收与利用。其中，根据能量流动热力学关系，建立内燃机热力模型：

式中：Wge、Weg为内燃机发电功率和内燃机余热功率，单位为kW；

ηelect、ηeg为内燃机额定发电功率和内燃机额定余热功率，单位为kW；

Vng-ge为内燃机消耗天然气量，单位为m³/h；

HVng为天然气热值，单位为kJ/Nm³。

在此基础上，结合常见内燃机数据，分析内燃机性能参数随机组容量变化的变化曲线，发现内燃机的热电性能经济参数随机组容量增加而先增加后减小，究其原因，主要与机组净收益对EPTE的影响有关。

此外，同样参照能量流动热力学关系搭建制冷设备的热力模型：

Wabsor=Winput×ηabsor-hr×COPabsor

式中：Wabsor为吸收式制冷机组的制冷功率，单位为kW；

Winput为吸收式制冷机组的吸收热量，单位为kW；

ηabsor-hr为吸收式制冷机组的热回收效率；

COPabsor为吸收式制冷机组的制冷系数。

搭建热交换器的热力模型：

Wexc=Winput×ηexc

式中：Wexc为热交换器的输出功率，单位为kW；

Winput为热交换器的输入功率，单位为kW；

ηexc为热交换器的换热功率。

搭建锅炉的热力模型：

Wboiler=Winput×ηboiler×（1-ηloss）

式中：Wboiler为锅炉热功率，单位为kW；

Winput为锅炉输入热功率，单位为kW；

ηboiler为锅炉热效率，取0.8；

ηloss为锅炉热损失率，取10%。

(4)系统建模

钛白粉冷热电联供系统的系统架构如图6所示。

图6 钛白粉冷热电联供系统结构图

4.结束语

综上，围绕钛白粉生产工艺，分析了钛白粉生产与冷热电联供系统相结合的可行性，其中，通过引入冷热电联供系统，能够实现对于钛白粉生产所需能源的精确调节，降低生产能耗，提升生产效率，促进钛白粉生产的可持续健康发展。