1、偏钛酸直接包膜生产钛白新工艺研究可行性报告128攀枝花市产业化科技推进行动可行性报告 项目名称：偏钛酸直接包膜生产钛白新工艺研究 申报单位：攀枝花学院材料工程学院 协作单位：攀枝花钛海科技公司、攀钢钛业公司 申报日期： 2010年12月10日可行性研究报告内容（一）项目的背景和意义 攀枝花地区富含丰富的钛资源，已建成的钛白粉产能为25.5万吨/a，全部采用硫酸法生产。国内除锦州钛白粉厂外，全部采用硫酸法进行生产，目前国内硫酸法钛白产能占钛白总产能的99%，硫酸法钛白年产能约150万吨。当前硫酸法钛白生产过程中存在的比较突出的问题，一是环保，二是成本。目前国内外硫酸法钛白的生产工艺是采用钛矿（钛
2、渣）酸解后获得钛液（硫酸氧钛），经水解后得到偏钛酸，再通过高温煅烧获得TiO2粉末，如果是生产锐钛型钛白产品，则对该TiO2粉末可直接进行干磨即得到商品钛白，如果是生产金红石型钛白产品，则需对该TiO2粉末进行后处理（包膜）才能得到商品钛白。在金红石钛白后处理过程中，需要对干粉状的钛白粗品加水使之变成液态状的浆料，经过砂磨机湿磨后包膜处理，再次干燥脱水并气流粉碎使之成为干粉状的钛白成品。在此干燥过程中消耗了大量的热并带来设备投资（如喷雾干燥器等），同时，在此砂磨过程中也会消耗大量的电并带来设备投资（如耐驰卧式砂磨机等），由此引发环境污染等一系列问题。若将包膜工序放在偏钛酸水洗及漂白工序后，直接
3、对纯净的偏钛酸进行包膜处理，再经煅烧并气流粉碎后即可得商品钛白，该方法取消了干磨工序、打浆工序、干燥脱水工序和湿磨工序等四道工序，必将带来能耗和成本的大大降低，具有直接的巨大经济效益，也将为硫酸法钛白行业的发展带来新的机遇和动力，突破传统的生产工艺流程，对建立节能、环保、增效、短流程的硫酸法钛白工艺具有重要的理论和实际意义，同时也将为地方经济发展作出显著贡献。目前国内外尚无偏钛酸直接包膜生产钛白的研究开发和生产实践，本研究如能成功，在钛白领域属于原始创新，因此开展此项研究具有重要的意义和良好的技术推广前景。（二）国内外研究开发现状和发展趋势（包括知识产权状况）作为第三大无机化学品的二氧化钛，近
4、几年全球需求持续保持高速增长，随着全球二氧化钛市场不断细分，大量新产品的出现使需求增幅更大。未来几年全球二氧化钛需求年增速保持在2%3%，但随着二氧化钛应用领域向功能材料的延伸，全球二氧化钛市场供应仍将进一步趋紧。目前钛白生产方法主要有硫酸法和氯化法，而盐酸法在国外目前还处于产业化研究阶段。从国外来看，氯化法约站60%，硫酸法约占40%，而国内氯化法目前仅有攀锦钛一家，杜邦和阿斯创公司在国内拟建约30万吨产能的氯化钛白生产线。钛白生产在国内还是主要以硫酸法为主，2009年占国内产能的99%，产出钛白约150万吨。攀西地区全部以硫酸法生产钛白，产能达25.5万吨/a，都是采用国内外传统的、比较成
5、熟的钛白生产工艺。国内外采用硫酸法生产钛白已有近百年的历史，在此过程中对生产工艺进行了不计其数的研究开发和技术改进，最终形成了目前比较成熟的整体工艺路线。近年来，国内外研究人员对硫酸法钛白的研究主要集中在四个方面。一是不同原料选择上的研究。最初硫酸法钛白生产采用的是钛矿（钛精矿），针对钛矿的工艺流程要长，主要表现在硫酸亚铁的冷冻结晶工序。后来部分工厂采用TiO2品位较高的钛渣作为原料，使硫酸亚铁的冷冻结晶工序得以取消，也有工厂采用钛渣和钛矿的混合物作为原料。该技术目前已在国内部分厂家应用。该研究成果使得硫酸法钛白生产工艺的环保问题得到明显缓解。二是各生产工序参数的优化研究。包括酸解工序、沉降工
6、序、钛液浓缩工序、水解工序、盐处理工序、煅烧工序等等。通过这些研究，使得各中间产品的质量得到提高，各过程环节的成本得以下降，从整体工艺来看，主要体现在钛白产品的质量得到明显改善，特别是国内产品与国外产品的差距越来越小。三是钛白后处理的研究。在钛白前段工艺基本成熟的情况下，钛白产品，特别是金红石钛白产品的品质主要取决于后处理（包膜）工艺。近年关于钛白的专利绝大部分是包膜方面的研究，国外在后处理研究方面已经进行了30余年，而国内开展这方面的研究还只是近10年的事情。因此，国内钛白产品目前与国外相比还是存在较大差距的。包膜的研究成果使得钛白产品的品质进一步提高。四是环保问题的研究。主要集中在废酸浓缩
7、和硫酸亚铁处理研究两方面。国外的废硫酸主要采用浓缩回用的方法处理，国内目前主要采用废酸中和处理的方式，由于浓缩成本偏大的原因，国内仅有少数厂家采用浓缩方法处理废酸。硫酸亚铁目前在国外主要采取钛渣原料路线消除，国内主要采取作为饲料添加剂、净水剂及生产其它化工原料等方法处理。目前在硫酸法整体工艺路线上进行结构性改进研究的很少，几乎未见报道。国内攀枝花学院与攀钢集团公司目前在开展取消钛液浓缩工序的研究，其思路是采用稀钛液直接水解方法，稀钛液不经过浓缩，该方法节省了大量热能和设备投资，如能成功，则可对传统硫酸法工艺带来一次较深的变革。在偏钛酸直接进行包膜处理的研究方面，国内某钛白生产厂家曾经有人进行过
8、实验室初步探索，即将少量硅酸钠加入偏钛酸中，不作任何处理，发现通过煅烧后获得的锐钛型钛白产品耐温变色性能有所提高。除此之外，关于偏钛酸直接进行包膜处理的研究，目前尚未见报道，说明目前国内外还没有人进行过该研究。对硫酸法钛白生产工艺中的各具体工序开展研究，可以降低一定的成本，但降低幅度较小，要明显降低钛白生产成本，只有对钛白整体生产工艺进行优化改进，甚至取消部分工序，使之成为短流程绿色工艺，才能较大幅度降低生产成本，这是今后硫酸法钛白生产工艺获得新生力量的源泉，也是硫酸法钛白生产工艺研究的发展趋势之一。目前国内外钛白市场竞争日趋激烈，开发节能减排、短流程高效的生产工艺是增加产品竞争力的核心所在，
9、这必将带来攀枝花地区钛白市场的竞争力的增强，该项研究对硫酸法钛白生产具有广阔的市场前景，有巨大的市场技术需求空间，同时对攀枝花地方经济发展也具有极大的促进作用。参考文献：（1）陈朝华、刘长和. 钛白粉生产及应用技术M，北京：化学工业出版社，2006（2）唐振宁. 钛白粉的生产与环境治理M，北京：化学工业出版社，2000（3）陈德彬. 硫酸法钛白粉实用生产问答M，北京：化学工业出版社，2009（4）邓捷、吴立峰. 钛白粉应用手册M，北京：化学工业出版社，2005（5）国家化工行业生产力促进中心钛白分中心. 第二届钛白生产装备技术交流会论文集，2005（6）毕胜. 国家化工行业生产力促进中心钛白分
10、中心会2006年会员大会论文集（7）毕胜. 2007年全国钛白行业年会论文集（8）攀枝花市. 2007年全国钛白行业年会攀枝花论文集（9）攀枝花市科协. 2008攀枝花科技论坛打造中国钒钛之都论文集（10）毕胜. 钛白J，2009.6（三）现有研究基础、特色和优势前期研究工作主要包括三方面：一是项目负责人系统地进行过回转窑煅烧试验研究，开展过水解研究，参与过钛渣制取钛白生产试验研究。二是项目负责人主持过钛白后处理工艺研究，熟悉钛白表面处理研究工作。三是项目负责人在实验室就偏钛酸直接包膜技术进行了预研，结果表明：（1）某商品包膜钛白经920高温煅烧6小时后，未发生颗粒凝聚现象，但白度和消色力有所
11、下降，其它指标区别不大，说明包膜钛白经高温煅烧后未对包膜层产生实质性的影响；（2）某厂偏钛酸经硅铝包膜后，通过烘箱120干燥并粉碎，消色力和耐温变色性明显提高，说明硅铝氧化磨是可以包覆在偏钛酸上面。以上研究工作为本项目的开展展现了乐观的前景。（四）应用或产业化前景、科技发展或市场需求传统硫酸法钛白生产工艺在近数十年来基本比较稳定，期间进行了多次小型化的工艺改进，如加压水解改为常压水解，包膜前增加湿磨工序，等等，每次有效的改进，都会在较短的时间内自发地推广应用到国内甚至国外的绝大多数钛白粉厂。本新工艺在实验室完成后，拟在合作厂家进行中试，中试成功后则进行产业化示范生产，进而可以推广应用到国内外硫
12、酸法钛白生产厂家。本工艺在所有硫酸法钛白生产厂家都是适合推广应用的。如果是一个已建成后处理生产线的厂家，可将偏钛酸用管道直接输送到打浆槽，经包膜、水洗后再用管道输回至盐处理罐，煅烧品出窑后运至后处理工序进行气流粉碎，除了取消四道工序外，不用增加新设备；如果是一个在生产的锐钛型钛白生产厂家，可以在盐处理工序前增加包膜工序，只需盐处理罐，不需要增加砂磨机和分级设备，也不需要增加喷雾干燥器，将气流粉碎机安装在回转窑工序后，所有新增设备较少，就可完成表面处理；如果是一个新建钛白生产线，则直接按照新工艺布置各工序的设备即可，自然就取消了四道工序。取消四道工序后，保守估算，按每吨钛白节约成本500元计，攀
13、枝花地区每年可创直接经济效益1.275亿元（25.5 500 = 12750万元），全国每年可创直接经济效益7.5 亿元（150 500 = 75000万元）。目前国内外钛白市场竞争日趋激烈，开发节能减排、短流程高效的生产工艺是增加产品竞争力的核心所在，这必将带来攀枝花地区钛白市场的竞争力的增强，该项研究对硫酸法钛白生产具有广阔的市场前景，有巨大的市场技术需求空间。同时对攀枝花地方经济发展也具有极大的促进作用。（五）拟承担单位的技术优势和条件技术优势：攀枝花学院及合作单位通过技术人才引进、合作研究、承担各级课题等方式，在钛白研究领域，技术已达到国内先进水平，在国内具有一定的知名度。课题研究小组
14、成员长期以来一直从事钛材料制备等领域的研究，具备材料制备和性能检测方面的知识和经验积累。课题组负责人曾在攀钢钛业公司从事多年的生产和科研工作，主持过“钛白回转窑煅烧试验研究”，参研过“钛渣制取钛白试验研究”、“钛白废酸浓缩试验研究”、“钛白水解试验研究”等课题，目前在攀枝花学院从事教学和科研工作，主持过攀枝花市科技局两项课题“钛白初品后处理制备高档金红石钛白研究”（2004-2007）及“碳化法制备低成本复合钛白研究”（2007-2009）。课题组其他成员先后主持、主研或参研过钛白研究领域科研项目多项，部分成员在国内钛白技术领域具有较高知名度。条件：依托学校已建成（在建）的攀枝花市钛材料实验室
15、、四川省钒钛材料工程中心、钒钛资源综合利用省级重点实验室等平台，目前项目组已拥有全套钛白后处理实验装置、水解装置、盐处理和煅烧设备，如自动包膜机、板框过滤机、气流粉碎机、砂磨机、程控高温炉、色彩色差仪等设备，能够独立进行相关钛白合成制备与大部分检测研究。近年来借“教育部本科教学水平评估”和攀枝花学院“奥地利政府贷款”专项资金，实验室新近增添了有关材料制备、仪器分析方面的设备，如激光粒度分析仪、热重-差热分析仪、原子吸收分光光度计、X射线衍射仪XRD、扫描电镜SEM等，基本满足项目研究分析测试的需要。偏钛酸原料的取样由合作单位钛海科技有限公司和攀钢钛业公司提供，钛白的制备在攀枝花学院完成，工艺参
16、数的选定参考两个合作单位的现场经验值共同商讨后确定，产品性能的检测主要在攀枝花学院完成，部分指标在合作单位及其它单位完成（如攀钢研究院、四川大学、常州涂料研究所等）。 （六）研究内容、关键技术和预期目标研究内容：与传统工艺相比，新工艺取消了钛白粉干磨工序、打浆工序、湿磨分级工序和干燥工序等四道工序。对比分析新旧两种工艺流程，可以确定需要研究的内容如下：（1）研究偏钛酸的分散性和浓度，使之适应于硅、铝酸盐等包膜剂能有效包覆在偏钛酸颗粒上面。（2）研究包膜工艺，包括包膜温度、pH值、包膜时间、包膜量、包膜速度等参数，使包膜偏钛酸具有良好的中间产品性能。（3）研究盐处理制度，未包膜的偏钛酸颗粒与已包
17、膜的偏钛酸颗粒在盐处理剂种类、盐处理量等方面都会产生变化，需要制定一套新的盐处理工艺。（4）研究煅烧制度，包膜后的偏钛酸煅烧强度与未包膜的偏钛酸是不一样的，需要研究煅烧温度、煅烧时间等参数。（5）针对相同的偏钛酸，研究传统工艺生产的钛白与新工艺生产的钛白在产品质量上进行分析比较。（6）研究两种工艺路线在生产成本、环保和设备投资方面的差异。拟解决的关键问题： （1）偏钛酸中TiO2颗粒十分细小，如何将凝聚状的偏钛酸分散成单个颗粒，并且控制包膜参数，使无机包膜剂均匀包覆在单个TiO2颗粒上，是本课题需要解决的一个关键问题。 （2）经过无机包膜后的偏钛酸中TiO2颗粒在煅烧过程中，要发生晶型转变和长
18、大，晶型转变过程中是否会破坏无机包膜层，800-900的高温是否会破坏无机包膜层，无机包膜层的存在是否会阻碍TiO2颗粒的长大，这些是本课题需要研究和解决的另一个关键问题。预期目标：（1）以工业偏钛酸为原料，采用本课题新工艺制备出包膜钛白成品，其颜料性能指标符合国家最新二氧化钛颜料国家标准（GB/T 1706 - 2006）。（2）实现新工艺各环节工艺技术路线畅通，并在机理上进行分析研究。（3）在此基础上争取申请省级及以上重点项目，在可能情况下与合作单位走产业化路线并技术推广。（4）申请国家发明专利一项。（七）研究方案、技术路线、组织方式（1）技术路线传统的硫酸法钛白生产工艺流程为：将钛矿（钛
19、渣）酸解后生成钛液，钛液经沉降、结晶、浓缩后得到纯净的浓钛液，再经水解、水洗与漂白获得纯净的偏钛酸，偏钛酸经过盐处理后进入回转窑进行煅烧，再经干磨后进行后处理，后处理具体流程为打浆分散、砂磨分级、包膜、水洗过滤、干燥、气流粉碎。从偏钛酸工序开始的工艺流程如图1所示。 分散剂 无机处理剂 纯净偏钛酸 盐处理 煅烧 干磨 打浆分散 湿磨分级 表面处理 有机处理剂 水洗过滤 干燥 气流粉碎 成品钛白 图1 传统硫酸法钛白生产工艺流程本项目拟采取的硫酸法钛白生产工艺流程为：偏钛酸工序以前的工艺与传统流程相同，从偏钛酸工序以后开始，纯净的偏钛酸经强力分散，直接进行表面包膜处理，再通过水洗除去包膜时留下的
20、酸碱盐，然后进入回转窑煅烧，出窑后进行气流粉碎，即可得到最终产品。新工艺流程如图2所示。 分散剂 无机处理剂 有机处理剂 纯净偏钛酸 强力分散 表面处理 水洗 盐处理 煅烧 气流粉碎 成品钛白 图2 硫酸法钛白生产新工艺流程（2）研究方案a采用合作厂家的偏钛酸作为原料，通过高速分散剂强力分散，参考国内钛白生产厂家的典型硅铝包膜工艺，对偏钛酸进行包膜试验，按照经验值加入盐处理剂，并在程控高温炉内煅烧，气流粉碎后即得成品，对该钛白产品进行颜料性能检测，与传统工艺在实验室制得的钛白比较，分析引起颜料性能差别的原因，由此进行初步探索性试验。b改变偏钛酸浓度、分散剂种类、分散剂加量、搅拌速度等参数分别进
21、行包膜，研究该工序的最佳工艺参数。c按照上述思路分别对新工艺技术路线中的表面处理、盐处理、煅烧等工序逐一进行研究，找出所有工序的最佳工艺参数。d整合各工序最优参数，按照新工艺技术路线制备钛白，并进行检测，分析研究指标状况和根源。（3）组织方式项目负责单位牵头商定试验方案，整个试验过程在负责单位完成，主要颜料性能检测在负责单位完成，部分性能指标检测在合作生产厂家进行，偏钛酸原料由合作单位提供，工艺参数值由合作单位提供经验值。（八）经费预算 经费来源预算经费支出预算科 目预算数科 目预算数1.申请市级科技项目拨款301、拟研项目费用192.国家部委拨款0（1）设备费32.省科技厅拨款0（2）材料费
22、83.行业主管部门拨款0（3）测试化验加工费54.县区财政拨款0（4）燃料动力费05.银行贷款0（5）试验外协费36.单位配套52、会议差旅费57.其它来源03、争取拟报层次专家提名工作费04、国际合作与交流费07、资料、数据采集、印刷费18、培训费19、出版/文献/信息传播/知识产权事务费210、劳务费2.511、专家咨询费312、项目管理费1.513、0经费来源预算合计35经费支出预算合计35申请市级科技项目拨款预算年度拨款2011 年2012 年2013 年总计2010 30（九）年度进度和目标2011.1 - 2011.12，完成新工艺探索性试验：以偏钛酸为原料，各生产工序以生产现场经
23、验值做参考，全流程制备出包膜钛白产品；完成偏钛酸分散性试验：研究偏钛酸浓度、搅拌速度、分散剂种类、数量及加入方式等参数对包膜的影响。2012.1 2012.12，完成盐处理试验：研究盐处理剂种类、数量、加入方式等参数对煅烧过程的影响；完成包膜试验：研究包膜剂种类、包膜量、包膜温度、pH值、加料方式等工艺参数对包膜效果的影响；完成煅烧试验：研究偏钛酸煅烧时间、煅烧温度等参数对产品质量的影响。2013.1 2013.12，完成新工艺全流程试验：以各工序最优化参数值作为全流程试验参数，制备出成品钛白，再对全流程参数进行优化试验，得出新工艺最终工艺参数；完成结题验收：完成项目结题及相应指标，进行高级别
24、科研项目的申报工作和产业化试验前期准备工作。（十）项目风险分析项目研究主要是在实验室中进行，未进入产业化阶段暂时不涉及项目实施风险。通过实验室前期的一些研究工作，结果表明该项目具有良好的发展势头和广阔的市场前景。（十一）项目负责人技术水平和组织管理能力介绍及主要研究人员情况项目负责人，男，教授，高级工程师，曾在某大型国有钛业公司从事多年的生产和科研工作，主持过“钛白回转窑煅烧试验研究”，参研过“钛渣制取钛白试验研究”、“钛白废酸浓缩试验研究”、“钛白水解试验研究”等课题，目前在所在高校从事教学和科研工作，主持过攀枝花市科技局两项课题“钛白初品后处理制备高档金红石钛白研究”（2004-2008）
25、及“碳化法制备低成本复合钛白研究”（2007-2009），并担任所在单位某工科院系副院长，具有较强的组织管理能力和协调能力。项目负责人长期从事钛白制备与应用研究达10余年之久，在钛白制备的核心技术表面处理方面及钛白煅烧方面积累了丰富的理论知识和实践经验，并多年在钛白生产一线和实验室进行了一系列相关实践工作与研究。目前已在实验室进行了一些偏钛酸直接包膜的前期研究，初步表明钛白产品性能良好。本人目前作为第一主研人员承担了国家自然科学基金项目1项，该项目与本研究密切相关。目前已发表论文60余篇，其中第一作者50余篇，核心期刊30余篇，Ei收录6篇，申请专利3项，授权2项，其中发明专利2项，主编（参编）专著（教材）4部。课题组其他成员也先后主持、主研或参研过钛白研究领域科研项目多项，发表论文多篇，申请专利多项，部分成员在国内钛白技术领域具有较高知名度。 (十二)必备的有关附件
