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氧化噴砂除疤及砂回收利用

文檔作者：錢春花，申利，馮煒光，李雪青文檔來源：云南冶金新立鈦業(yè)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年10月05日
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氧化噴砂除疤及砂回收利用*
錢春花，申利，馮煒光，李雪青
( 云南冶金新立鈦業(yè)有限公司，云南昆明650100)
摘要: 論述了氯化法鈦白生產(chǎn)中氧化反應(yīng)器結(jié)疤的機理、危害，噴砂除疤的原理及影響因素; 并對生產(chǎn)過
程中砂回收工藝做了論述。
關(guān)鍵詞: 氧化反應(yīng)器; 鈦白粉; 結(jié)疤; 除疤
中圖分類號: TQ621. 1 + 2 文獻標識碼: A 文章編號: 1006－0308 ( 2018) 03－0072－04
Oxidation and Sandblasting for Scrubbing and
the Ｒecycling Utilization of Scrubbing Sand
QIAN Chun －h(huán)ua，SHEN Li，F(xiàn)ENG Wei －guang，LI Xue －qing
( Yunnan Metallurgical Xinli Titanium Industry Co． ，Ltd． ，Kunming，Yunnan 650100，China)
ABSTＲACT: The mechanism and hazard of scaling of oxidation reactor in chloride process titanium dioxide production is discussed
in this paper，as well as the scrubbing principle and the influencing factors; the recycling process of scrubbing sand in the production process
is discussed too．
KEY WOＲDS: oxidation reactor; titanium dioxide pigment; scaling; scrubbing
0 引言
鈦白粉的生產(chǎn)主要有硫酸法和氯化法兩大工
藝，目前全球60%的產(chǎn)品為氯化法產(chǎn)品，氯化法鈦
白粉的生產(chǎn)工藝因其生產(chǎn)過程環(huán)保和產(chǎn)品質(zhì)量較
好，成為國際公認的先進技術(shù)。氯化法鈦白工藝包
括富鈦料與氯氣在還原性條件下的氯化過程、將氯
化生成的TiCl4
進行提純、提純后的TiCl4
與氧氣
發(fā)生氧化反應(yīng)生成TiO2
基料及將TiO2
顆粒進行表
面包覆處理四個主要過程。其中提純后的精TiCl4
與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成TiO2
基料是整個氯化鈦
白生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵步驟。O2
與TiCl4
的快速均勻
混合、氧化反應(yīng)器結(jié)疤的處理、生成基料的顆粒形
態(tài)控制是氧化過程的三大關(guān)鍵問題，而氧化反應(yīng)器
的結(jié)疤及處理是制約氧化反應(yīng)器連續(xù)穩(wěn)定操作的主
要因素［2］。從實現(xiàn)生產(chǎn)過程連續(xù)獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的
角度來說，首先要解決的是除疤問題。
本文就氯化法鈦白粉生產(chǎn)中氧化噴砂除疤及砂
回收利用過程進行綜述。
1 結(jié)疤原理及危害
1. 1 結(jié)疤原理
氯化法鈦白生產(chǎn)工藝過程中，TiCl4
與氧氣發(fā)
生的氧化反應(yīng)是氯化法的核心技術(shù)，反應(yīng)方程
式為:
TiCl4
( g) + O2
( g) = TiO2
( s) + 2Cl2
( g) ，△H0 298
= － 177. 9kJ /mol
此反應(yīng)是一個不可逆反應(yīng)，高溫下反應(yīng)速度較
快，約在0. 1 s 完成，據(jù)熱力學(xué)和動力學(xué)研究以及
產(chǎn)品質(zhì)量的要求，此反應(yīng)溫度應(yīng)在1 200℃ 以上。
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2018 年6 月
第47 卷第3 期( 總第270 期)
云南冶金
YUNNAN METALLUＲGY
Jun． 2018
Vol. 47． No. 3 ( Sum270)
* 收稿日期: 2017－05－27
作者簡介: 錢春花( 1985－) ，女，云南祿豐人，工程師。
基金項目: 云南省科技計劃項目( 2015IB009) 。
兩種氣相反應(yīng)物混合生成固相TiO2
和氣相Cl2
，因
此是一個非均相反應(yīng)。TiCl4
氧化反應(yīng)過程可分為
兩步進行: 第一步是氣相反應(yīng)的成核階段，即
TiCl4
與O2
在高溫下且在極短的時間內(nèi)相互擴散和
接觸生成過飽和的TiO2
蒸汽，在催化劑的作用下
從中吸出TiO2
晶核。第二步: 氣固反應(yīng)，晶核長
大階段，TiCl4
和O2
在晶核表面反應(yīng)使晶核逐漸長
大［3］，并轉(zhuǎn)化為金紅石型。這是一個氣固復(fù)相反
應(yīng)過程，初生態(tài)TiO2
微粒帶有電荷，極易黏附聚
集具有明顯的附壁特性，隨著反應(yīng)的進行，初生態(tài)
的TiO2
顆粒不斷黏附在反應(yīng)器壁上周而復(fù)始不斷
長大，經(jīng)高溫灼燒形成難以除去的疤層。
1. 2 結(jié)疤的危害
這些聚集在反應(yīng)器壁和加料器口上的TiO2
微
粒，經(jīng)高溫灼燒變成堅硬的疤塊。這些疤層輕則改
變氧化反應(yīng)器的幾何空間使物料混合不好，攪亂物
料的流向、流速，使氧化反應(yīng)不完全，產(chǎn)品質(zhì)量下
降; 重則堵塞反應(yīng)器使生產(chǎn)中斷。導(dǎo)致氧化反應(yīng)器
結(jié)疤的因素主要有反應(yīng)溫度及反應(yīng)器壁面溫度，反
應(yīng)溫度越高反應(yīng)器內(nèi)壁越容易結(jié)疤; 反應(yīng)器內(nèi)壁面
溫度低產(chǎn)生的疤層結(jié)構(gòu)松散，容易除去。超過
1 000℃疤層就會燒結(jié)，難以除去。要確保氧化反
應(yīng)的順利進行，生產(chǎn)出高質(zhì)量的TiO2
顏料，首先
要對氧化反應(yīng)器進行除疤。
2 噴砂除疤工藝及原理
2. 1 噴砂除疤工藝
氯化法技術(shù)開發(fā)至今，工業(yè)氧化反應(yīng)器除疤的
方法主要有機械刮除法、噴砂法、氣膜保護法和多
孔壁法。其中噴砂除疤工藝有三個顯著的優(yōu)點: ①
在氧化反應(yīng)器內(nèi)噴入冷態(tài)的除疤砂，可以降低初生
態(tài)TiO2
顆粒及反應(yīng)器內(nèi)壁的溫度，從而減輕了氧
化反應(yīng)器結(jié)疤的程度。②通過載氣切向吹入氧化反
應(yīng)器的除疤砂，在反應(yīng)器內(nèi)隨反應(yīng)產(chǎn)物呈螺旋狀高
速旋轉(zhuǎn)最終進入氣固分離器，在除疤砂高速旋轉(zhuǎn)過
程中，可以有效的沖刷掉反應(yīng)器內(nèi)表面的疤層。③
可對氣固分離收集下來的除疤砂進行回收利用。
2. 2 噴砂除疤原理
噴砂除疤是借助一種輸送氣體，通過輸送氣體
將固體物料吹入反應(yīng)器，沖刷反應(yīng)器壁表面，高速
低溫的砂流，通過不停的撞擊反應(yīng)器壁表面及加料
口，將黏附、沉積的疤塊沖刷干凈，使反應(yīng)器壁表
面盡可能保持光潔，恢復(fù)原狀態(tài)，降低TiO2
微粒
在反應(yīng)器表面上黏附、結(jié)晶長大的幾率。另一方
面: 砂流吹入氧化反應(yīng)器內(nèi)在沖刷疤層的過程還起
到對氧化反應(yīng)產(chǎn)物進行降溫的作用。
2. 3 噴砂除疤的主要影響因素
噴砂除疤的主要影響因素是輸送氣體、砂形、
砂速及噴射角度。
2. 3. 1 輸送氣體
輸送氣體指將固體噴射物料帶入反應(yīng)器的氣
體。可采用反應(yīng)氣體或非反應(yīng)氣體。采用反應(yīng)氣體
為輸送氣體，有以下幾個優(yōu)點: ①避免引入其他的
氣體成分，減少由于帶入或帶出熱量對四氯化鈦氧
化反應(yīng)的影響。②避免稀釋產(chǎn)物氯氣的濃度，利于
氯氣的回收循環(huán)使用。③由于氧化反應(yīng)器設(shè)備結(jié)構(gòu)
緊湊，不必為此增設(shè)附加輸入管道，但是砂子的噴
入方式、噴入角度受到反應(yīng)過程的影響較大。采用
非反應(yīng)氣體為輸送氣體則可根據(jù)反應(yīng)情況，控制調(diào)
節(jié)噴射速度及砂子溫度，從而可直接將砂噴向反應(yīng)
器易結(jié)疤表面。用少量砂獲得較大效果，且使分離
量減少，還減少了砂子對反應(yīng)的影響。常用的非反
應(yīng)載氣有氯氣、惰性氣等。一般認為氯氣較好，因
不會沖淡產(chǎn)物氯氣的濃度，利于產(chǎn)物氯氣的回收循
環(huán)使用。但是噴入過多的氯氣會影響氯化爐的穩(wěn)定
反應(yīng)，在對返回氯氣含量一定的情況下，可以采用
低壓氮氣作為輸送氣體。
2. 3. 2 固體噴射物料( 砂)
常用的除疤介質(zhì)有: SiO2、Al2O3、ZrO2
及各
種無水結(jié)晶鹽，或上述兩種或多種物質(zhì)的混合物。
在所用砂中，一般認為石英砂比較好，其主要成分
是SiO2。另外，對砂的物理性能有一定要求: ①粒
度，砂子過細，沖刷力不夠，不易分離，容易進入
產(chǎn)品造成對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并且在后續(xù)處理過程
中粉塵較大，整體損失較大。砂子過粗，在相同的
反應(yīng)條件下在設(shè)備及管道內(nèi)容易造成堆料或堵塞，
對反應(yīng)的順利進行不利，同時對設(shè)備及管道的磨損
也大，所以在正常生產(chǎn)過程中控制砂子的正常粒度
在0. 9 ～ 1. 5 mm。②砂形和硬度: 球形或無明顯邊
棱角的砂子對設(shè)備及管道的磨損較小，是比較適宜
的砂形但是如果砂子的硬度不夠在噴砂過程中砂子
容易粉碎，造成損耗并大量進入產(chǎn)品; 如果硬度太
大可能對管道的磨損加重對生產(chǎn)不利，為此使用中
一般控制砂子的硬度為6. 5 ～ 7. 5。③溫度，砂子
溫度過低，一些未反應(yīng)的氣體如氯氣、氯化氫、四
氯化鈦等會吸附在砂子上，如果除疤砂含水量大還
會導(dǎo)致上述氣體發(fā)生水解對相關(guān)的設(shè)備管道造成腐
蝕，砂子溫度過高，大量產(chǎn)物TiO2
會在砂子上沉
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錢春花，等氧化噴砂除疤及砂回收利用
積，導(dǎo)致后續(xù)對除疤砂的分離和洗滌過程難度加
大。故在TiO2
生產(chǎn)中，需要控制好除疤砂的溫度
及濕度，正?？刂瞥躺暗氖褂脺囟葹槌兀?
量要小于0. 3%。
2. 3. 3 砂速
噴砂速度一般最好在36. 6 m/s 左右，一般不
超過53. 4 m/s，最低不低于15. 2 m/s［4］，速度太
低除疤效果差，且除疤砂容易在反應(yīng)器內(nèi)堆積，影
響反應(yīng)。
2. 3. 4 噴入方式
噴入方式與輸送氣體有關(guān)，采用惰性氣體作為
輸送氣體時，噴入方式靈活多樣，有垂直、傾斜、
切向或逆流噴入等多種方法，以達到進砂順暢并且
能夠多方位清除器壁上的結(jié)疤物，并有效的降低了
噴砂過程對氧化反應(yīng)過程的影響。
3 砂回收工藝及原理
3. 1 砂回收工藝
除疤砂回收工藝主要包括: 砂分離、砂洗滌、
砂干燥篩分三個過程?；厥赵硎峭ㄟ^氣固分離器
對除疤砂和TiO2
顆粒進行分離后，加水制漿，然
后用特殊的篩分、洗滌及干燥設(shè)備對TiO2
漿料中
的除疤砂進行回收，到達循環(huán)利用的效果。
3. 1. 1 砂分離
在氧化反應(yīng)器加入的除疤砂，在高速氣流的帶
動下隨生成的TiO2
基料通過冷卻導(dǎo)管進入到氣固
分離器收集后進入基料制漿罐，在基料制漿罐中制
漿并脫氯后，料漿被輸送到除疤砂分離設(shè)備。料漿
的主要成分是水、TiO2、除疤砂。在除疤砂分離器
內(nèi)完成料漿和除疤砂的分離過程。分離過程分為兩
步: 第一步，采用能連續(xù)運轉(zhuǎn)并帶有洗滌功能的篩
分設(shè)備分離出除疤砂; 在選擇分離設(shè)備時要確保連
續(xù)高效的分離出固體顆粒并且避免在分離過程中對
砂子造成二次破損，所以需要根據(jù)實際的工藝條件
選擇合適的篩孔及分離設(shè)備。所用洗滌水為新水或
從除疤砂洗滌系統(tǒng)返回來的液體。第二步，經(jīng)過分
離和靜態(tài)脫水后的砂傳輸?shù)胶罄m(xù)的洗滌系統(tǒng); 分離
出來的料漿及洗滌液體進入鈦白粉生產(chǎn)的后處理工
序。因為進入后處理工序的料漿固含量有要求，所
以在分離過程中洗滌水量不能太大，只限于對分離
設(shè)備內(nèi)外壁的沖洗，避免有砂附在分離設(shè)備表面。
3. 1. 2 砂洗滌
通過分離設(shè)備從基料料漿中分離出來的除疤砂
表面還會殘留少量TiO2
基料，因此將分離出來的
砂輸送到除疤砂洗滌系統(tǒng)對除疤砂進行再次洗滌。
除疤砂洗滌器由洗砂槽、攪拌、卸料螺旋、沖洗及
洗滌系統(tǒng)等主要部件構(gòu)成。操作過程中由輸送機將
從分離設(shè)備中分離出來的砂送入到砂洗滌槽，洗滌
槽的底部安裝有篩網(wǎng)，并且與洗滌水系統(tǒng)相連接，
在洗滌槽的上部也裝有四個高度可以調(diào)節(jié)的沖洗系
統(tǒng)，這樣可以確保洗滌槽表面的砂層能夠洗滌充
分，上部沖洗完成之后最后一次洗滌由洗滌槽底部
的洗滌水系統(tǒng)進入水對砂進行洗滌，水量通過流量
及實際工藝情況進行自動控制。洗滌完成的砂在洗
砂槽內(nèi)聚積，為控制砂的給料和卸料情況，此系統(tǒng)
還帶有一個自動控制系統(tǒng)，控制洗砂槽內(nèi)砂的料位
( 卸料點) ，確保砂層到達卸料點時控制系統(tǒng)在中
斷進砂的同時通過卸料螺旋卸料。卸料時不能把砂
全部卸出，應(yīng)在洗滌槽底部保留一定的砂層厚度。
砂層的厚度由洗滌器的型號來決定。除疤砂的洗滌
水進入除疤砂分離系統(tǒng)作為一次洗滌水，最終進入
后面工序回收利用。
3. 1. 3 砂干燥
從除疤砂洗滌系統(tǒng)出來的濕除疤砂通過輸送機
送到干燥機內(nèi)。干燥機作為干燥系統(tǒng)的核心設(shè)備，
其主體為一個會轉(zhuǎn)動的圓筒內(nèi)部設(shè)置多層加熱管。
通過從界區(qū)外輸送來干燥介質(zhì)提供干燥所需的熱
量。在干燥機內(nèi)濕除疤砂隨著筒體的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)與干
燥介質(zhì)之間的間接接觸，以對流的方式將干燥介質(zhì)
的熱量傳遞給濕除疤砂，使除疤砂中的水份氣化并
傳遞到氣體中被帶走，并借助于干燥機轉(zhuǎn)動將干燥
過的砂向后端移動，最后含水率小于0. 3% 時由干
燥機尾部的出料旋轉(zhuǎn)閥排出。進入干砂料倉，干砂
通過一個砂分離器分離出部分碎砂，使粒徑在0. 9
～ 1. 5 mm 的砂返回除疤砂加料系統(tǒng)循環(huán)使用，粒
度小于0. 9 mm 的部分收集后處理，為保證系統(tǒng)內(nèi)
砂量的穩(wěn)定，需要在分離出細砂的同時向系統(tǒng)內(nèi)補
充一部分新的合格的砂。
4 噴砂除疤工藝存在的問題
噴砂除疤工藝可以有效的解決氧化反應(yīng)器的結(jié)
疤問題，但是對于氯化法鈦白生產(chǎn)而言，采用噴砂
除疤工藝也存在一定的弊端: ①在噴砂及砂輸送過
程中砂對管道及設(shè)備的磨損較大，導(dǎo)致不同的雜質(zhì)
進入到鈦白基料中最終影響產(chǎn)品質(zhì)量; ②對于除疤
砂的選擇上也存在困難，主要是難以找到硬度適宜
的除疤砂，如果硬度較低，在輸送及噴砂過程中砂
容易碎，會增大砂的損耗，同時較細的除疤砂透過
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第47 卷第3 期( 總第270 期)
云南冶金
YUNNAN METALLUＲGY
Jun． 2018
Vol. 47． No. 3 ( Sum270)
分離系統(tǒng)進入到基料中也會對產(chǎn)品的性能造成影
響; 硬度過大對設(shè)備磨損嚴重; ③氯化鈦白生產(chǎn)的
基料pH 值偏酸性，在進行砂分離的過程中，對分
離設(shè)備的腐蝕性較大。
5 結(jié)語
氧化反應(yīng)器是TiC14
氣相氧化技術(shù)的核心設(shè)
備，它關(guān)系到氧化產(chǎn)品是否具有良好的顏料性能，
高的使用價值。氧化反應(yīng)器的除疤系統(tǒng)關(guān)系到全系
統(tǒng)的穩(wěn)定運行。雖然噴砂除疤工藝可以有效的解決
氧化反應(yīng)器的結(jié)疤問題，并且實現(xiàn)除疤砂的回收循
環(huán)利用有效的降低了生產(chǎn)成本，但是采用噴砂除疤
工藝除疤過程中也還存在一些弊端。因此選擇合適
的除疤工藝有效解決氧化反應(yīng)器的結(jié)疤問題，將對
我國氯化法工藝連續(xù)穩(wěn)定運行，提高我國鈦白原料
的質(zhì)量，推動我國氯化法鈦白工業(yè)的發(fā)展具有重要
意義。
今后研究的主要領(lǐng)域應(yīng)放在以下幾方面: ①對
氧化反應(yīng)的條件進行研究并控制; ②新型氧化反應(yīng)
器的研究; ③新型除疤方式研究，主要針對多種除
疤方式相結(jié)合的方法，提出更高效的除疤方法。
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