[发明专利]一种生产三氧化二钒的系统及其方法

说明书

技术领域

本发明属于化工技术领域，尤其涉及到一种生产三氧化二钒的系统及其方法。

背景技术

三氧化二钒是一种呈灰黑色，有金属光泽的结晶粉末，具有刚玉结构的六方晶体。在空气中三氧化二钒会缓慢氧化转变为四氧化二钒，加热时三氧化二钒会剧烈燃烧生成四氧化二钒。三氧化二钒是一种重要的钒化合物，它在冶金、电子、化工等领域有着重要的应用。三氧化二钒可用于制取钒铁，也可把三氧化二钒制成碳化钒或氮化钒等直接加入钢水中制取特种钢材。三氧化二钒还可用于制取金属钒粉末。此外，三氧化二钒还可直接用于生产热元件等电子产品。

工业上通常通过还原偏钒酸铵或五氧化二钒制取三氧化二钒，如反应式(1)、(2)所示：

2NH₄VO₃+2H₂＝2NH₃+V₂O₃+3H₂O    800℃    -330.4kJ/mol     (1)

V₂O₅+2H₂＝V₂O₃+2H₂O            800℃    -6.9kJ/mol       (2)

由反应式(1)、(2)可以看出，以常温(25℃)偏钒酸铵制取三氧化二钒，每获得1摩尔产品需要补充330.4kJ的热量；以常温(25℃)五氧化二钒制取三氧化二钒，每获得1摩尔产品也需补充6.9kJ的热量。可见，制取三氧化二钒，特别是以偏钒酸铵为原料制取三氧化二钒的反应是一个强吸热反应，工业生产中面临着的一个主要难题就是为反应提供热量。

美国专利US3410652公开了以回转窑为反应器的钒酸铵热分解裂解法制取三氧化二钒，此种工艺较为简单，但反应温度高达900℃，采用明火加热的方式提供热量，即以火焰灼烧回转窑壳体的方式提供热量。我国的攀枝花钢铁集团以回转窑为反应器，以焦炉煤气为还原剂在850℃的温度条件下生产三氧化二钒，同样采用明火加热的方式提供热量。在生产过程中回转窑壳体经常被烧穿，作业率、低事故率高、存在严重的安全隐患。此外，以回转窑为反应器的生产方法还存在以下几个问题：1.回转窑高温动态密封困难，目前国内外进行工业化生产三氧化二钒的回转窑实际上没有从根本上解决密封问题，生产都是在完全通风的车间内进行以保证安全；2.操作温度高(一般要求达到850℃以上)，物料填充率低(5％)，反应效率低，还原气体浪费严重；3.还原时间较长，一般需要1小时以上，产品品位较低(产品钒品位约为64％)，不适合生产高纯三氧化二钒。

人们一直在探索更高效的三氧化二钒生产方法，中国专利CN101028938A公开了一种采用流态化工艺生产三氧化二钒的方法，其方法是将粉体钒酸铵或五氧化二钒加入到外加热流态化炉炉管中，从流态化炉下部向炉管内通入工业煤气，同时将炉管加热到600～650℃，还原3～9分钟，随后在非氧化气氛下冷却至100℃以下出炉，得到三氧化二钒。此种工艺物料填充率可到50％，气体利用率高，还原温度低、时间短，能获得品位超过67％的三氧化二钒产品。此种工艺采用电炉加热，提供反应热量，主要存在两方面的问题：(1)换热面积小，换热面积等于流态化炉炉管置于电炉之内的表面积，即传热面积与炉管直径呈线性关系，而反应所需热量与炉管直径呈二次方关系，因此，传热面积成为限制反应器直径放大的主要因素，这种结构只适合实验室及小规模生产，不能用于大规模的生产；(2)电加热成本高。此外，这种流态化工艺只存在简单的进料口、出料口，无法实现连续的进、出料，只能间歇操作，仅适合在实验室规模生产三氧化二钒。大规模生产三氧化二钒，仍存在高效、经济的提供反应热量，流态化反应器放大，连续进、出料等问题亟待解决。

目前，本领域急需一种安全、高效、低成本、可大规模生产三氧化二钒的生产工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产三氧化二钒的系统及其方法，以克服现有生产设备和工艺高成本、效率低、无法实现大规模生产等缺陷。