回转炉应用于粉状五氧化二钒连续化生产的研究

王建业,龙 纯,瞿海斌,苏文生,王世刚

(湖南烁科热工智能装备有限公司,湖南 长沙 410111)

片状五氧化二钒为生产钒合金的原料,而粉状五氧化二钒则是片状五氧化二钒的直接原料,间接影响钒合金的性能。目前,制备粉钒通常采用间歇式电阻炉进行脱水脱氨。制备粉钒过程主要有两个问题:一是生产过程中有大量氨气溢出,工人生产现场环境恶劣;二是采用间歇式设备,产量低能耗高。因此,利用连续式回转炉实现粉钒连续化制备,对于钒氮行业全面发展意义重大。

1 制备粉状五氧化二钒工艺

制备粉状五氧化二钒原料一般为偏钒酸铵或多钒酸铵。其中偏钒酸铵为白色结晶性粉末,有吸湿性,多钒酸铵为淡黄色结晶粉末。偏钒酸铵、多钒酸铵一般含水率较高,包含自由水与结晶水。粉状五氧化二钒一般为橙黄色、砖红色、红棕色结晶粉末,属于第6J类毒害品,刺激呼吸系统及损坏黏膜,为高毒物质。

偏钒酸铵、多钒酸铵制备粉状五氧化二钒一般分为三个阶段:第一阶段为低温干燥,一般在150～250 ℃温度下对自由水进行烘干;第二阶段为高温排氨,一般在450～550 ℃温度下,偏钒酸铵、多钒酸铵分解产生氨气、钒氧化物以及水;第三阶段为中温氧化,一般在300～400 ℃温度下,通入大量氧气,使得低价钒氧化物转化为五氧化二钒。

总反应方程式为

6NH4VO3·x(H2O)=3V2O5+6NH3+(x+3)H2O

总反应方程式未体现氧气参与反应,这是因为氨气具有一定的还原性,若氨气不及时排出,会将生成的五氧化二钒还原成低价氧化物,故后段需通过通入氧气对低价钒氧化物进行氧化。

因此,在偏钒酸铵、多钒酸铵制备粉状五氧化二钒工艺中,快速干燥、及时排氨、氧气补充成为关键。

2 设备对比

传统的偏钒酸铵、多钒酸铵制备粉状五氧化二钒设备多为梭式炉,梭式炉外形如图1所示,该设备为静态烧结,烧结时间长,产量小,且采用人工上料及出料,施工人员需佩戴防毒面罩,施工风险较大。开发投入使用的连续生产回转炉因其动态烧结特点,大大降低了产品烧结时间,产量提升显著,自动化水平明显提高,回转炉外形见图2。以年产2 400 t粉状五氧化二钒为例,相关对比数据见表1。

图1 梭式炉外形

图2 回转炉外形

表1 梭式炉与回转炉优劣势对比

根据数据对比,回转炉相较于梭式炉在自动化、占地面积、单吨能耗等方面具有明显优势。

3 连续化制备粉状五氧化二钒回转炉优化设计及应用

3.1 整体工艺流程

以偏钒酸铵制备粉状五氧化二钒主要工艺流程如下:

(1)偏钒酸铵通过上料装置投入回转炉螺旋进料器料仓,原料通过螺旋进料器变频控制定量输送物料进入炉管加热区域。

(2)物料通过三段加热,完成烧结过程,即低温进行自由水烘干,高温进行煅烧分解,中温进行物料氧化。

(3)煅烧后生成的粉状五氧化二钒经冷却区完成物料冷却降温。

(4)煅烧形成的尾气成分主要包含粉尘、氨气、水蒸气等,尾气经由尾气处理系统进行无害处理。

3.2 关键设备布局

1)进料系统

由于原料含水率高且易结块(结块物料见图3),料仓入口设置破碎机构及筛网,将结块物料充分粉碎后进入输送螺旋(破碎后物料见图4),实现顺畅进料。

图3 结块物料

图4 破碎后物料

2)回转炉炉管设计参数

设计产能为340 kg/h,粉状五氧化二钒物料性质见表2。

表2 某粉料物料性质参数表

出料端物料含水率低,极易扬尘,故尾部扬料板设置尺寸小、数量少,故炉管可参照无扬料板设置进行理论计算,物料运行时间t计算公式如下:

式中:t为物料停留时间,min;L为炉管长度,m;D为炉管内径,m;θ为物料自然倾角,(°);α为炉管水平倾角,(°);n为炉管转速,r/min。

偏钒酸铵在动态烧结生成五氧化二钒所需时间大约240 min;炉管转速设定为0.5 r/min;炉管倾角设定0.7°。计算后得出:L/D=8.8,即L=8.8D。

产能为340 kg/h,可得原料处理量G=505 kg/h,填充率f计算公式如下:

式中:k为结构影响系数,取值1.2;

填充率f取值为0.15,代入后计算得D=1.374 m,取炉管直径为1.4 m,即得炉管长度为12.32 m,取炉管长度为12 m。

3)原料回收及尾气处理系统

由于物料在回转炉内部进行翻转加热,易产生大量扬尘,故尾气中携带部分颗粒物料,故尾气在保温情况下通依次过旋风除尘器进行一级处理及布袋除尘器二级处理,实现物料过滤回收。尾气中氨气、水蒸气通过冷却吸收及喷淋吸收进行资源化处理。原料回收及尾气处理系统流程如图5所示。

图5 原料回收及尾气处理系统流程

4 结 论

本例连续制备粉状五氧化二钒的回转炉装备已有实体设备运行,运行情况表明:

(1)物料破碎充分,螺旋进料顺畅;

(2)设备连续批量产出高质量粉状五氧化二钒,产量达到340 kg/h以上;

(3)尾气中回收物料可再次作为原料进行利用,尾气处理后达到国家排放标准。