Область техники

Настоящее изобретение относится к областям химической технологии и материалов, и конкретнее к системе и способу получения порошка высокочистого тетраоксида ванадия.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Оксид ванадия представляет собой один из важных промышленных продуктов ванадия и широко применяется в производстве легирующих добавок, таких как феррованадий и нитрид ванадия, и в областях, относящихся к катализаторам, красителям, добавкам для цементированного карбида и тому подобное. Учитывая непрерывное развитие новых энергетических технологий, в аккумуляторной промышленности существует возрастающая потребность в высокочистом оксиде ванадия (с чистотой выше 3N5), включая полностью ванадиевый проточный редокс-аккумулятор (VRB) с хорошими крупномасштабными характеристиками накопления энергии, литий-ионный аккумулятор на основе ванадата, используемый в электрических автомобилях и тому подобное. Однако, в общем, существующей промышленной технологией можно получить лишь пентоксид ванадия с чистотой 2N5 (то есть продукт согласно спецификации, приведенной в HGT 3485-2003), который с трудом может отвечать требованиям, предъявляемым к пентоксиду ванадия для аккумуляторной промышленности. В случае полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора (VRB) высокочистый пентоксид ванадия обычно используют для получения восстановлением сульфата ванадила (VOSO₄), служащего электролитом; однако применение высокочистого тетраоксида ванадия для получения электролита имеет очевидные преимущества. Следовательно, задача получения высокочистого пентоксида ванадия, в частности высокочистого тетраоксида ванадия, с низкими издержками и высокой эффективностью представляет собой одну из неотложных проблем, нуждающихся в решении в области новых энергетических технологий.

В настоящее время порошок высокочистого пентоксида ванадия обычно получают следующим способом: раствор после выщелачивания ванадия или ванадиевый раствор, который получают растворением богатого ванадием материала (такого как полиортованадат аммония, метаванадат аммония, пентоксид ванадия промышленного сорта и так далее), используют в качестве сырья и очищают таким способом, как очистка химическим осаждением и/или экстракция растворителем/ионный обмен на ионообменной смоле или тому подобное, получая очищенный ванадиевый раствор; очищенный ванадиевый раствор подвергают осаждению в виде аммонийной соли, получая осадок очищенного полиортованадата аммония или метаванадата аммония; затем осадок подвергают разложению путем прокаливания, получая порошок высокочистого пентоксида ванадия, как описано в китайских патентных заявках CN 1843938 A, CN 102730757 A, CN 103145187 A, CN 103515642 A, CN 103194603 A, CN 103787414 A, CN 102181635 A и CN 103663557 A, европейском патенте ЕР 0713257 В1 и так далее. В данных способах технологический параметр для удаления примеси тесно связан с содержанием примеси в сырье, поэтому приспособляемость к сырью плоха. Более того, поглотители или экстрагенты кальциевых солей и магниевых солей, кислые и щелочные реагенты и аммонийные соли для осаждения ванадия, используемые в процессе очистки, также ответственны за внесение примесей. Чтобы улучшить качество продукта, обычно требуется применение дорогостоящих реагентов высокой чистоты, что, тем самым, ведет к следующим проблемам: стоимость слишком высока, нельзя реализовать на практике крупномасштабное производство и трудно добиться стабильной чистоты продукта выше 3N5.

Относительно проблем, связанных с тем, что поглотители или экстрагенты ответственны за внесение примесей и с тем, что стоимость использованных реагентов слишком высока, профильные ведомства также предлагают использование способа повторного осаждения для того, чтобы добиться очистки ванадиевого раствора и удаления из него примесей; а именно, используя характеристику осаждения аммонийной соли в случае ванадийсодержащего раствора, селективно осаждают ванадий, изолируя часть примесных ионов в растворе после осаждения; полученный осадок аммонийной соли растворяют, а затем проводят множественные повторные операции, что получить осадок более чистого полиортованадата аммония или метаванадата аммония; и осадок подвергают разложению путем прокаливания, получая порошок высокочистого пентоксида ванадия, как описано в китайских патентных заявках CN 103606694 A, CN 102923775 A и так далее. Данный способ эффективно уменьшает количество используемых реагентов и возможность того, что реагенты внесут примеси. Однако способ растворения/осаждения по-прежнему требует применения большого количества высокочистых кислых и щелочных реагентов и аммонийных солей, следовательно, стоимость очистки по-прежнему высока; а трудоемкие операции многократного осаждения не только снижают производственную эффективность, но также приводят к значительному уменьшению коэффициента непосредственного извлечения ванадия. Кроме того, в вышеупомянутых способах очистки раствора экстракция/обратная экстракция, осаждение, промывка и другие рабочие стадии будут производить большое количество сточной воды, содержащей главным образом малое количество ионов ванадия и ионов аммония и большое количество натриевых солей, результатом чего является трудоемкая обработка и неразрешимая проблема загрязнения окружающей среды, а также это серьезно ограничивает крупномасштабное промышленное применение данных способов.

Благодаря значительной разнице в температурах кипения и давлениях насыщенного пара хлоридов металлов различные хлориды металлов являются легко разделяемыми дистилляцией/ректификацией. Хлорирование сырья - очистка ректификацией - последующая обработка представляет собой общепринятый способ получения высокочистых материалов, таких как высокочистый кремний (поликремний), высокочистый диоксид кремния и тому подобное. Из-за весьма высокой разницы между температурами кипения хлорида ванадия, окситрихлорида ванадия и хлоридов обычных примесей, таких как железо, кальций, магний, алюминий, натрий, калий и тому подобное, высокочистый окситрихлорид ванадия легко получается ректификацией, а высокочистый пентоксид ванадия может быть получен подвергая высокочистый окситрихлорид ванадия гидролизу и осаждению в виде аммонийной соли с дополнительным ее прокаливанием. Следовательно, применение способа хлорирования для получения высокочистого пентоксида ванадия, в принципе, обеспечивает большее преимущество. Фактически, применение способа хлорирования для получения высокочистого пентоксида ванадия не только осуществимо в принципе, но также было реализовано в лаборатории исследователями из Университета штата Айова (Iowa State University) в Соединенных Штатах уже в 1960-ых годах (Journal of the Less-Common Metals, 1960, 2: 29-35). Они использовали в качестве сырья полиортованадат аммония и получали сырой окситрихлорид ванадия хлорированием с добавлением углерода, затем получали высокочистый окситрихлорид ванадия путем очистки дистилляцией и проводили осаждение аммонийной соли, получая высокочистый метаванадат аммония, и, наконец, прокаливали высокочистый метаванадат аммония при 500-600°C, получая порошок высокочистого пентоксида ванадия. Однако большое количество сточной воды, содержащей аммиак и азот будет получаться в процессах осаждения и промывки (по меньшей мере 1,8 тонны являющейся отходом соли хлорида аммония получается на тонну продукта пентоксида ванадия), что затрудняет обработку; а процессы осаждения, сушки и прокаливания аммонийных солей не только требуют высокого потребления энергии, но также легко вызывают загрязнение окружающей среды. Кроме того, в указанном исследовании реализовано лишь периодическое получение высокочистого пентоксида ванадия способом хлорирования с помощью лабораторного оборудования, и оно не может предоставить соответствующую информацию о том, как применять способ хлорирования для непрерывного получения высокочистого пентоксида ванадия в промышленном масштабе. Возможно именно по этим причинам сообщение о непрерывном получении высокочистого пентоксида ванадия способом хлорирования трудно обнаружить спустя десятилетия после данного исследования.

Недавно в китайской патентной заявке CN 103130279 A предложен способ получения высокочистого пентоксида ванадия, применяя способ хлорирования с использованием в качестве сырья ванадиево-железной магнитной железной руды, ванадиевого шлака, ванадийсодержащего катализатора и других материалов, содержащих ванадий. Смесь хлоридов ванадия получают хлорированием с добавлением углерода - удалением пыли - конденсированием, а тетрахлорид ванадия отделяют ректификацией, получая чистый окситрихлорид ванадия, затем окситрихлорид ванадия подают в ультрачистый водный раствор или ультрачистый водный раствор аммиака и осаждают, а осадок фильтруют, сушат и прокаливают, получая пентоксид ванадия. Данный патент имеет следующие недостатки: (1) подобно вышеописанному исследованию из Университета штата Айова данный патент фактически описывает лишь основную идею хлорирования, не указывая на конкретные эксплуатационные решения. Например, способ хлорирования включает в себя как хлорирование в кипящем слое, так и хлорирование расплавленной соли, которые представляют собой совершенно разные способы хлорирования. В качестве другого примера, что касается реактора хлорирования, то предлагается использование таких реакторов, как "вращающаяся печь, печь с псевдоожиженным слоем, печь с кипящим слоем, шахтная печь, многоподовая печь" и тому подобное, что фактически охватывает почти все общепринятые основные реакторы в металлургической промышленности; однако требования разных реакторов к сырью сильно различаются. Например, шахтная печь может быть пригодной лишь для "грубых" частиц с размером частиц более 8 мм, и необходимо осуществлять обработку гранулированием и прокаливанием, когда обрабатывают "тонкие" частицы, тогда как хлорирование в кипящем слое обычно подходит для обработки тонких частиц. Следовательно, ванадиевое сырье в виде частиц нельзя непосредственно использовать в случае вращающейся печи, печи с псевдоожиженным слоем, печи с кипящим слоем, шахтной печи, многоподовой печи и других реакторов. Более того, "печь с псевдоожиженным слоем" и "печь с кипящим слоем" по существу являются одинаковыми, отличаясь только наименованиями; следовательно, поскольку данные реакторы широко различаются в плане режима работы и рабочих условий, фактически способ нельзя использовать, если описано только основная идея. (2) Окситрихлорид ванадия подают в ультрачистый водный раствор для гидролиза. Однако поскольку пентоксид ванадия легко растворяется в растворе соляной кислоты, степень извлечения осадка ванадия слишком низка. Боле того, в растворе хлористоводородной кислоты с концентрацией HCl более 6,0 моль/л, когда пентоксид ванадия растворен, он будет восстанавливаться до VOCl₂ и высвобождается газообразный хлор, который будет дополнительно снижать степень извлечения осадка ванадия. Процессы осаждения и промывки будут неизбежно давать большие количества раствора хлористоводородной кислоты, содержащего ванадий, и затрудняется эффективное достижение исчерпывающей обработки.

Кроме того, что касается крупномасштабных промышленных приложений, то все еще существуют следующие две проблемы в имеющихся технологиях хлорирования ванадиевого сырья: (1) прокаливание для хлорирования ванадиевого сырья представляет собой сильно экзотермический процесс и в дополнение к предварительному нагреву твердых и газообразных реакционных материалов тепло, генерированное реакцией хлорирования все еще необходимо удалять посредством рассеяния тепла печных стенок для того, чтобы стабилизировать температуру хлорирования; следовательно, как твердый материал, так и газ обычно поступают в реактор при температуре вблизи комнатной температуры и могут участвовать в реакции только после предварительного нагрева теплом, произведенным в реакции хлорирования, результатом чего является слишком низкая эффективность реакции в части реактора хлорирования; (2) поскольку тепло, произведенное реакцией хлорирования необходимо удалять посредством рассеяния большого количества тепла для того, чтобы поддержать рабочую температуру, как рабочие условия, так и изменения климатического состояния окружающей среды способны вызывать флуктуации в температуре хлорирования, результатом чего является снижение селективности хлорирования и эффективности, и необходимо использовать приемлемый способ сбалансированного подвода тепла и регулирования температуры. Следовательно, необходимо обеспечить приемлемый подвод тепла и контроль температуры. Только при таком подходе возможно эффективное улучшение эффективности хлорирования и получение стабильной температуры хлорирования с тем, чтобы гарантировать селективность хлорирования для эффективного ингибирования хлорирования примесей.

Можно видеть, что в уровне техники основное внимание все еще главным образом сфокусировано на получении высокочистого пентоксида ванадия и достижение крупномасштабного применения затруднительно из-за наличия значительных недостатков. Следовательно, достижение регулирования процесса хлорирования, улучшение степени прямого извлечения ванадия, уменьшение количества сбрасываемых отходов, получение тетраоксида ванадия восстановлением с высокой эффективностью и снижение потребления энергии при производстве путем разработки новых способа и технологии представляют собой ключевые факторы повышения экономичности технологии получения высокочистого тетраоксида ванадия способом хлорирования и содействия развитию в области, относящейся к новым энергетическим технологиям.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Принимая во внимание вышеописанную проблему, настоящее изобретение предлагает систему и способ получения порошка высокочистого тетраоксида ванадия, которые гарантируют хорошую селективность в низкотемпературном хлорировании, исключают производство большого количества загрязненных сточных вод и снижают потребление энергии при получении высокочистого тетраоксида ванадия и снижают операционные расходы. Для достижения данных целей настоящее изобретение основано на следующих технических решениях.

Настоящее изобретение предоставляет систему для производства порошка высокочистого тетраоксида ванадия, включающую в себя питающее устройство 1, псевдоожиженный слой 2 низкотемпературного хлорирования, устройство 3 для ректификации и очистки, псевдоожиженный слой 4 газофазного гидролиза, питающее устройство 5 для высокочистого пентоксида ванадия, псевдоожиженный слой 6 восстановления, промывающий абсорбер 7 отходящих газов, вытяжной вентилятор 8 и дымовую трубу 9;

где питающее устройство 1 включает в себя загрузочную воронку 1-1 для пентоксида ванадия промышленного сорта, шнековый питатель 1-2 для пентоксида ванадия промышленного сорта, загрузочную воронку 1-3 для порошка углерода и шнековый питатель 1-4 для порошка углерода;

псевдоожиженный слой 2 низкотемпературного хлорирования включает в себя питатель 2-1 при слое хлорирования, массу 2-2 псевдоожиженного слоя хлорирования, циклонный сепаратор 2-3 при слое хлорирования, теплообменник 2-4 дымового газа, конденсатор 2-5 дымового газа, кислотоупорный бак 2-6 при слое хлорирования и спиральное шлакоотводящее устройство 2-7 при слое хлорирования;

устройство 3 для ректификации и очистки включает в себя дистиллятор 3-1, ректификационную колонну 3-2, конденсатор 3-3 дистиллята, сборный бак 3-4 для флегмы, бак 3-5 для хранения кремнийсодержащего окситрихлорида ванадия, кислотоупорный бак 3-6 ректификационной секции, конденсатор 3-7 высокочистого окситрихлорида ванадия и бак 3-8 для хранения высокочистого окситрихлорида ванадия;

псевдоожиженный слой 4 газофазного гидролиза включает в себя воздухоочиститель 4-1 при слое гидролиза, газонагреватель 4-2 при слое гидролиза, форсунку 4-3 для окситрихлорида ванадия, массу 4-4 псевдоожиженного слоя газофазного гидролиза, абсорбер 4-5 отходящего газа хлористоводородной кислоты и отводящее устройство 4-6 высокочистого пентоксида ванадия;

питающее устройство 5 для высокочистого пентоксида ванадия включает в себя загрузочную воронку 5-1 для высокочистого пентоксида ванадия и шнековый питатель 5-2 для высокочистого пентоксида ванадия;

псевдоожиженный слой 6 восстановления включает в себя очиститель 6-1 газообразного азота при слое восстановления, газонагреватель 6-2 при слое восстановления, питатель 6-3 при слое восстановления, массу 6-4 псевдоожиженного слоя восстановления, циклонный сепаратор 6-5 при слое восстановления и загрузочную воронку 6-6 для высокочистого тетраоксида ванадия;

где питающий вывод на дне загрузочной воронки 1-1 для пентоксида ванадия промышленного сорта соединен с питающим вводом шнекового питателя 1-2 для пентоксида ванадия промышленного сорта; питающий вывод на дне загрузочной воронки 1-3 для порошка углерода соединен с питающим вводом шнекового питателя 1-4 для порошка углерода; и как питающий вывод шнекового питателя 1-2 для пентоксида ванадия промышленного сорта, так и питающий вывод шнекового питателя 1-4 для порошка углерода соединены с питающим вводом питателя 2-1 при слое хлорирования посредством трубопровода;

питающее выпускное отверстие питателя 2-1 при слое хлорирования соединено с питающим вводом в верхней части массы 2-2 псевдоожиженного слоя хлорирования посредством трубопровода; газоввод на дне питателя 2-1 при слое хлорирования соединен с главной трубой источника газообразного азота посредством трубопровода; циклонный сепаратор 2-3 при слое хлорирования предусмотрен в центре верхней части секции расширения массы 2-2 псевдоожиженного слоя хлорирования; газовывод в верхней части циклонного сепаратора 2-3 при слое хлорирования соединен с вводом горячего дымового газа теплообменника 2-4 дымового газа посредством трубопровода; вывод холодного дымового газа теплообменника 2-4 дымового газа соединен с газовводом конденсатора 2-5 дымового газа посредством трубопровода; газовывод конденсатора 2-5 дымового газа соединен с газовводом кислотоупорного бака 2-6 при слое хлорирования посредством трубопровода; газовывод кислотоупорного бака 2-6 при слое хлорирования соединен с газовводом промывающего абсорбера 7 отходящих газов посредством трубопровода; выпускное отверстие для шлака в нижней части массы 2-2 псевдоожиженного слоя хлорирования соединено с питающим вводом спирального шлакоотводящего устройства 2-7 при слое хлорирования посредством трубопровода; газоввод на дне массы 2-2 псевдоожиженного слоя хлорирования соединен с выводом горячего газа теплообменника 2-4 дымового газа посредством трубопровода; и ввод холодного газа теплообменника 2-4 дымового газа соединен посредством трубопроводов, соответственно, с главной трубой источника газообразного хлора, главной трубой источника газообразного азота и главной трубой источника сжатого воздуха;

вывод жидкости на дне конденсатора 2-5 дымового газа соединен с питающим вводом ректификационной колонны 3-2 посредством трубопровода; вывод пара дистиллятора 3-1 соединен с вводом пара ректификационной колонны 3-2 посредством трубопровода; обратный ввод дистиллятора 3-1 соединен с выводом флегмы на дне ректификационной колонны 3-2 посредством трубопровода; газовывод в верхней части ректификационной колонны 3-2 соединен с газовводом конденсатора 3-3 дистиллята посредством трубопровода; вывод жидкости конденсатора 3-3 дистиллята соединен с вводом жидкости сборного бака 3-4 для флегмы посредством трубопровода; вывод флегмы сборного бака 3-4 для флегмы соединен с вводом флегмы в верхней части ректификационной колонны 3-2 посредством трубопровода; питающее выпускное отверстие сборного бака 3-4 для флегмы соединено с вводом бака 3-5 для хранения кремнийсодержащего окситрихлорида ванадия посредством трубопровода; вывод отходящего газа бака 3-5 для хранения кремнийсодержащего окситрихлорида ванадия соединен с газовводом кислотоупорного бака 3-6 ректификационной секции посредством трубопровода; газовывод кислотоупорного бака 3-6 ректификационной секции соединен с газовводом промывающего абсорбера 7 отходящих газов посредством трубопровода; вывод ректификата ректификационной колонны 3-2 соединен с газовводом конденсатора 3-7 высокочистого окситрихлорида ванадия посредством трубопровода; вывод жидкости конденсатора 3-7 высокочистого окситрихлорида ванадия соединен с вводом жидкости бака 3-8 для хранения высокочистого окситрихлорида ванадия посредством трубопровода; и донный вывод предусмотрен на дне дистиллятора 3-1;

газоввод воздухоочистителя 4-1 при слое гидролиза соединен с главной трубой сжатого воздуха посредством трубопровода; газовывод воздухоочистителя 4-1 при слое гидролиза соединен, соответственно, с газовводом газонагревателя 4-2 при слое гидролиза, газовводом форсунки 4-3 для окситрихлорида ванадия и газовводом на дне отводящего устройства 4-6 высокочистого пентоксида ванадия посредством трубопроводов; ввод для поддерживающего горение потока воздуха форсунки горения и ввод для топлива газонагревателя 4-2 при слое гидролиза соединены, соответственно, с главной трубой сжатого воздуха и главной трубой подачи топлива посредством трубопроводов; газоввод газонагревателя 4-2 при слое гидролиза соединен с главной трубой ультрачистой воды посредством трубопровода; газовывод газонагревателя 4-2 при слое гидролиза соединен с газовводом на дне массы 4-4 псевдоожиженного слоя газофазного гидролиза посредством трубопровода; вывод жидкости бака 3-8 для хранения высокочистого окситрихлорида ванадия соединен с вводом окситрихлорида ванадия форсунки 4-3 для окситрихлорида ванадия посредством трубопровода; газовывод в верхней части секции расширения массы 4-4 псевдоожиженного слоя газофазного гидролиза соединен с газовводом абсорбера 4-5 отходящего газа хлористоводородной кислоты посредством трубопровода; вывод для раствора хлористоводородной кислоты предусмотрен на дне абсорбера 4-5 отходящего газа хлористоводородной кислоты; газовывод абсорбера 4-5 отходящего газа хлористоводородной кислоты соединен с газовводом промывающего абсорбера 7 отходящих газов посредством трубопровода; питающий вывод в верхней части массы 4-4 псевдоожиженного слоя газофазного гидролиза соединен с питающим вводом отводящего устройства 4-6 высокочистого пентоксида ванадия посредством трубопровода; и питающее выпускное отверстие отводящего устройства 4-6 высокочистого пентоксида ванадия соединено с питающим вводом загрузочной воронки 5-1 высокочистого пентоксида ванадия посредством трубопровода;

питающий вывод на дне загрузочной воронки 5-1 для высокочистого пентоксида ванадия соединен с питающим вводом шнекового питателя 5-2 для высокочистого пентоксида ванадия; и питающее выпускное отверстие шнекового питателя 5-2 для высокочистого пентоксида ванадия соединено с питающим вводом питателя 6-3 при слое восстановления посредством трубопровода;

газоввод очистителя 6-1 газообразного азота при слое восстановления соединен с главной трубой источника газообразного азота посредством трубопровода; газовывод очистителя 6-1 газообразного азота при слое восстановления соединен, соответственно, с газовводом газонагревателя 6-2 при слое восстановления и газовводом на дне питателя 6-3 при слое восстановления посредством трубопроводов; ввод для поддерживающего горение потока воздуха форсунки горения и ввод для топлива газонагревателя 6-2 при слое восстановления соединены, соответственно, с главной трубой сжатого воздуха и главной трубой подачи топлива посредством трубопроводов; газоввод газонагревателя 6-2 при слое восстановления соединен с главной трубой высокочистого водорода посредством трубопровода; газовывод газонагревателя 6-2 при слое восстановления соединен с газовводом на дне массы 6-4 псевдоожиженного слоя восстановления посредством трубопровода; питающее выпускное отверстие питателя 6-3 при слое восстановления соединено с питающим вводом в нижней части массы 6-4 псевдоожиженного слоя восстановления посредством трубопровода; циклонный сепаратор 6-5 при слое восстановления предусмотрен в центре верхней части секции расширения псевдоожиженного слоя 6-4 восстановления; газовывод циклонного сепаратора 6-5 при слое восстановления соединен с установкой обработки отходящего газа посредством трубопровода; и питающее выпускное отверстие в верхней части массы 6-4 псевдоожиженного слоя восстановления соединено с питающим вводом загрузочной воронки 6-6 для высокочистого тетраоксида ванадия посредством трубопровода;

газовывод промывающего абсорбера 7 отходящих газов соединен с газовводом вытяжного вентилятора 8 посредством трубопровода; и газовывод вытяжного вентилятора 8 соединен с газовводом на дне дымовой трубы 9 посредством трубопровода.

Настоящее изобретение дополнительно предоставляет способ получения порошка высокочистого тетраоксида ванадия, основанный на вышеописанной системе, включающий в себя следующие стадии:

обеспечение возможности одновременного поступления порошка пентоксида ванадия промышленного сорта в загрузочной воронке 1-1 для пентоксида ванадия промышленного сорта и порошка углерода в загрузочной воронке 1-3 для порошка углерода в питатель 2-1 при слое хлорирования посредством соответственно шнекового питателя 1-2 для пентоксида ванадия промышленного сорта и шнекового питателя 1-4 для порошка углерода и смешивания в нем, а затем поступления в массу 2-2 псевдоожиженного слоя хлорирования; обеспечение возможности предварительного нагрева газообразного хлора из главной трубы источника газообразного хлора, газообразного азота из главной трубы источника газообразного азота и воздуха из главной трубы сжатого воздуха посредством теплового обмена с дымовым газом хлорирования посредством теплообменника 2-4 дымового газа, а затем поступления в массу 2-2 псевдоожиженного слоя хлорирования, чтобы обеспечить возможность поддержания пентоксида ванадия, порошка углерода и других порошкообразных материалов в псевдоожиженном состоянии и их химического реагирования, где воздух обеспечивает сгорание части порошка углерода, что предоставляет тепло для поддержания температуры псевдоожиженного слоя, а газообразный хлор и порошок углерода функционируют совместно, приводя к хлорированию пентоксида ванадия и малого количества примесей с образованием хлорированных остатков и дымового газа хлорирования, богатого окситрихлоридом ванадия; поочередное отведение хлорированных остатков через отверстие для выгрузки шлака в нижней части массы 2-2 псевдоожиженного слоя хлорирования и спиральное шлакоотводящее устройство 2-7 при слое хлорирования; и обеспечение возможности воздействия на дымовой газ хлорирования обработки по удалению пыли посредством циклонного сепаратора 2-3 при слое хлорирования и возврата в массу псевдоожиженного слоя хлорирования, а затем предварительного охлаждения посредством теплообменника 2-4 дымового газа и поступления в конденсатор 2-5 дымового газа, так что в нем окситрихлорид ванадия конденсируется с образованием жидкости сырого окситрихлорида ванадия, а остающийся отходящий газ поступает в промывающий абсорбер 7 отходящих газов через кислотоупорный бак 2-6 при слое хлорирования;

обеспечение возможности поступления жидкости сырого окситрихлорида ванадия, сформированной конденсатором 2-5 дымового газа, в ректификационную колонну 3-2 и дистиллятор 3-1 для воздействия на нее операции ректификации для того, чтобы получить богатый ванадием отход, богатый высококипящей примесью, пар кремнийсодержащего окситрихлорида ванадия, богатый низкокипящими примесями, и пар высокочистого окситрихлорида ванадия, где богатый ванадием отход используют для последующего извлечения ванадия; конденсацию пара кремнийсодержащего окситрихлорида ванадия в жидкость посредством конденсатора 3-3 дистиллята, где часть жидкости возвращается в ректификационную колонну 3-2 через сборный бак 3-4 для флегмы, а остающаяся жидкость поступает в бак 3-5 для хранения кремнийсодержащего окситрихлорида ванадия; транспортировку отходящего газа, произведенного в баке 3-5 для хранения кремнийсодержащего окситрихлорида ванадия в промывающий абсорбер 7 отходящих газов через кислотоупорный бак 3-6 ректификационной секции, где кремнийсодержащий окситрихлорид ванадия можно использовать в области химической технологии, такой как область катализа; и конденсацию пара высокочистого окситрихлорида ванадия в жидкость посредством конденсатора 3-7 высокочистого окситрихлорида ванадия и обеспечение возможности поступления жидкости в бак 3-8 для хранения высокочистого окситрихлорида ванадия;

обеспечение возможности переноса высокочистого окситрихлорида ванадия в баке 3-8 для хранения высокочистого окситрихлорида ванадия очищенным воздухом из воздухоочистителя 4-1 при слое гидролиза в массу 4-4 псевдоожиженного слоя газофазного гидролиза посредством форсунки 4-3 для окситрихлорида ванадия; предварительный нагрев ультрачистой воды и очищенного воздуха нагревателем 4-2 при слое гидролиза, а затем их транспортировку в массу 4-4 псевдоожиженного слоя газофазного гидролиза для того, чтобы поддержать порошкообразный материал в псевдоожиженном состоянии и подвергнуть окситрихлорид ванадия гидролизу с образованием порошка высокочистого пентоксида ванадия и дымового газа гидролиза, богатого хлоридом водорода, где порошок высокочистого пентоксида ванадия переносят в загрузочную воронку 5-1 для высокочистого пентоксида ванадия после отведения отводящим устройством 4-6 при слое гидролиза и дымовой газ гидролиза подвергают операции удаления пыли посредством секции расширения массы 4-4 псевдоожиженного слоя газофазного гидролиза, а затем он поступает в абсорбер 4-5 отходящего газа хлористоводородной кислоты для абсорбционной обработки с формированием побочного продукта в виде раствора хлористоводородной кислоты, а отходящий газ абсорбции поступает на обработку в промывающий абсорбер 7 отходящих газов для обработки; и транспортировку отходящего газа, отведенного из промывающего абсорбера 7 отходящих газов после абсорбционной обработки щелочным раствором, в дымовую трубу 9 для последующего сброса через вытяжной вентилятор 8;

обеспечение возможности поочередного поступления высокочистого пентоксида ванадия в загрузочной воронке 5-1 для высокочистого пентоксида ванадия в массу 6-4 псевдоожиженного слоя восстановления через шнековый питатель 5-2 для высокочистого пентоксида ванадия и питатель 6-3 при слое восстановления; очистку газообразного азота из главной трубы источника газообразного азота очистителем 6-1 газообразного азота при слое восстановления, а затем обеспечение возможности смешения газообразного азота с высокочистым газообразным водородом и предварительного нагрева газонагревателем 6-2 при слое восстановления, в который тепло подводится через сжигание топлива, а затем транспортировки в массу 6-4 псевдоожиженного слоя восстановления для того, чтобы поддержать материал порошка высокочистого пентоксида ванадия в псевдоожиженном состоянии и подвергнуть данный материал в форме порошка восстановлению, чтобы получить порошок высокочистого тетраоксида ванадия и восстановленный дымовой газ, где высокочистый тетраоксид ванадия поступает в загрузочную воронку для высокочистого тетраоксида ванадия через питающее выпускное отверстие в верхней части массы 6-4 псевдоожиженного слоя восстановления, и восстановленный дымовой газ подвергают обработке по удалению пыли посредством циклонного сепаратора 6-5 при слое восстановления, а затем транспортируют в установку обработки отходящего газа для обработки.

Первая особенность настоящего изобретения заключается в том, что: в массе 2-2 псевдоожиженного слоя хлорирования количество добавленного порошка углерода в способе хлорирования составляет 10%-20% массы порошка пентоксида ванадия промышленного сорта; и при хлорировании рабочая температура составляет 300-500°C и среднее время пребывания порошка составляет 30-80 мин.

Вторая особенность настоящего изобретения заключается в том, что: в ректификационной колонне 3-2 число тарелок в ректификационной секции составляет 5-10, а число тарелок в отпаривающей секции составляет 10-20 при ректификационной операции; и при ректификационной операции флегмовое число (то есть отношение количества флегмы в верхней части колонны к количеству отводимого материала) поддерживают равным 15-40.

Третья особенность настоящего изобретения заключается в том, что: в массе 4-4 псевдоожиженного слоя газофазного гидролиза высокочистый пентоксид ванадия непосредственно получается в результате воздействия на высокочистый окситрихлорид ванадия газофазного гидролиза, и при газофазном гидролизе рабочая температура составляет 160-600°C и массовое отношение водяного пара к окситрихлориду ванадия составляет 1,2-2,0.

Четвертая особенность настоящего изобретения заключается в том, что: рабочая температура при восстановлении составляет 350-650°C, чистота высокочистого газообразного водорода составляет 4N-6N, объемная доля газообразного водорода в смешанном газе из подаваемых газообразного азота и высокочистого газообразного водорода составляет 20%-80%, и среднее время пребывания порошка составляет 15-75 мин.

Чистота порошка высокочистого тетраоксида ванадия, полученного настоящим изобретением, превышает 4N. По сравнению с предшествующим уровнем техники настоящее изобретение обеспечивает следующие отличительные преимущества:

(1) Посредством теплообмена между хлорирующим газом и дымовым газом хлорирования достигается предварительный нагрев хлорирующего газа, тогда как дымовой газ охлаждается, что приводит к более однородному распределению температуры в реакторе хлорирования, тем самым действенно улучшая эффективность низкотемпературного хлорирования ванадиевого сырья.

(2) Добавлением подходящего количества воздуха для обеспечения сгорания части порошка углерода реализуются сбалансированные подведение тепла и регулировка температуры в ходе хлорирования, тем самым стабилизируя рабочую температуру хлорирования, повышая эффективность реакции хлорирования, гарантируя хорошую селективность хлорирования и устраняя побочные реакции, такие как генерация тетрахлорида ванадия.

(3) Транспортировкой окситрихлорида ванадия, который очищен ректификацией, в псевдоожиженный слой газофазного гидролиза посредством форсунки для проведения гидролиза окситрихлорида ванадия получают порошок пентоксида ванадия и хлористоводородную кислоту в качестве побочного продукта. По сравнению с традиционным гидролитическим осаждением можно эффективно избежать производства большого количества ванадийсодержащих сточных вод.

(4) Воздух, который переносит водяной пар, предварительно нагревают газовым нагревателем, а затем он поступает в псевдоожиженный слой газофазного гидролиза для того, чтобы осуществить подведение тепла и водяного пара.

(5) Посредством восстановления водородом в псевдоожиженном слое действенно улучшается эффективность восстановления пентоксида ванадия и непосредственно получают порошок высокочистого тетраоксида ванадия, необходимый для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора.

Настоящее изобретение обеспечивает преимущества благоприятной приспосабливаемости к сырью, хорошей селективности при низкотемпературном хлорировании, отсутствия сброса загрязненных сточных вод, низкого энергопотребления при производстве и низких операционных затрат, стабильного качества продукта и так далее, и подходит для крупномасштабного промышленного получения порошка высокочистого тетраоксида ванадия с чистотой более 4N с хорошими экономической эффективностью и общественными полезными эффектами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемый чертеж использован для обеспечения дополнительной иллюстрации настоящего изобретения и составляет часть описания. Он использован для пояснения настоящего изобретения совместно с примерами настоящего изобретения, но не для ограничения настоящего изобретения.

На Фиг. 1 представлена схематичная диаграмма, иллюстрирующая конфигурацию системы для получения порошка высокочистого тетраоксида ванадия по настоящему изобретению.

ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ

1 Питающее устройство

1-1 Загрузочная воронка для пентоксида ванадия промышленного сорта

1-2 Шнековый питатель для пентоксида ванадия промышленного сорта

1-3 Загрузочная воронка для порошка углерода

1-4 Шнековый питатель для порошка углерода

2 Псевдоожиженный слой низкотемпературного хлорирования

2-1 Питатель при слое хлорирования

2-2 Масса псевдоожиженного слоя хлорирования

2-3 Циклонный сепаратор при слое хлорирования

2-4 Теплообменник дымового газа

2-5 Конденсатор дымового газа

2-6 Кислотоупорный бак при слое хлорирования

2-7 Спиральное шлакоотводящее устройство при слое хлорирования

3 Устройство для ректификации и очистки

3-1 Дистиллятор

3-2 Ректификационная колонна

3-3 Конденсатор дистиллята

3-4 Сборный бак для флегмы

3-5 Бак для хранения кремнийсодержащего окситрихлорида ванадия

3-6 Кислотоупорный бак ректификационной секции

3-7 Конденсатор высокочистого окситрихлорида ванадия

3-8 Бак для хранения высокочистого окситрихлорида ванадия

4 Псевдоожиженный слой газофазного гидролиза

4-1 Воздухоочиститель при слое гидролиза

4-2 Газонагреватель при слое гидролиза

4-3 Форсунка для окситрихлорида ванадия

4-4 Масса псевдоожиженного слоя газофазного гидролиза

4-5 Абсорбер отходящего газа хлористоводородной кислоты

4-6 Отводящее устройство 4-6 высокочистого пентоксида ванадия

5 Питающее устройство для высокочистого пентоксида ванадия

5-1 Загрузочная воронка для высокочистого пентоксида ванадия

5-2 Шнековый питатель для высокочистого пентоксида ванадия

6 Псевдоожиженный слой восстановления

6-1 Очиститель газообразного азота при слое восстановления

6-2 Газонагреватель при слое восстановления

6-3 Питатель при слое восстановления

6-4 Масса псевдоожиженного слоя восстановления

6-5 Циклонный сепаратор при слое восстановления

6-6 Загрузочная воронка для высокочистого тетраоксида ванадия

7 Промывающий абсорбер отходящих газов

8 Вытяжной вентилятор

9 Дымовая труба

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для того чтобы прояснить цель, техническое решение и преимущества настоящего изобретения, в примерах настоящего изобретения техническое решение будет описано ниже ясно и полностью со ссылкой на прилагаемый чертеж примеров настоящего изобретения. Очевидно, описанные примеры представляют собой лишь часть примеров настоящего изобретения, а не все примеры. Стоит отметить, что примеры использованы лишь для иллюстрации технического решения настоящего изобретения, а не ограничения настоящего изобретения. На Фиг. 1 представлена схематичная диаграмма, иллюстрирующая систему производства порошка высокочистого тетраоксида ванадия по настоящему изобретению.

Если обратиться к Фиг. 1, то система для производства порошка высокочистого тетраоксида ванадия, использованная в данном примере, включает в себя питающее устройство 1, псевдоожиженный слой 2 низкотемпературного хлорирования, устройство 3 для ректификации и очистки, псевдоожиженный слой 4 газофазного гидролиза, питающее устройство 5 для высокочистого пентоксида ванадия, псевдоожиженный слой 6 восстановления, промывающий абсорбер 7 отходящих газов, вытяжной вентилятор 8 и дымовую трубу 9;