回轉(zhuǎn)爐應(yīng)用于粉狀五氧化二釩連續(xù)化生產(chǎn)的研究

王建業(yè),龍 純,瞿海斌,蘇文生,王世剛

(湖南爍科熱工智能裝備有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410111)

片狀五氧化二釩為生產(chǎn)釩合金的原料,而粉狀五氧化二釩則是片狀五氧化二釩的直接原料,間接影響釩合金的性能。目前,制備粉釩通常采用間歇式電阻爐進(jìn)行脫水脫氨。制備粉釩過程主要有兩個(gè)問題:一是生產(chǎn)過程中有大量氨氣溢出,工人生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣;二是采用間歇式設(shè)備,產(chǎn)量低能耗高。因此,利用連續(xù)式回轉(zhuǎn)爐實(shí)現(xiàn)粉釩連續(xù)化制備,對(duì)于釩氮行業(yè)全面發(fā)展意義重大。

1 制備粉狀五氧化二釩工藝

制備粉狀五氧化二釩原料一般為偏釩酸銨或多釩酸銨。其中偏釩酸銨為白色結(jié)晶性粉末,有吸濕性,多釩酸銨為淡黃色結(jié)晶粉末。偏釩酸銨、多釩酸銨一般含水率較高,包含自由水與結(jié)晶水。粉狀五氧化二釩一般為橙黃色、磚紅色、紅棕色結(jié)晶粉末,屬于第6J類毒害品,刺激呼吸系統(tǒng)及損壞黏膜,為高毒物質(zhì)。

偏釩酸銨、多釩酸銨制備粉狀五氧化二釩一般分為三個(gè)階段:第一階段為低溫干燥,一般在150～250 ℃溫度下對(duì)自由水進(jìn)行烘干;第二階段為高溫排氨,一般在450～550 ℃溫度下,偏釩酸銨、多釩酸銨分解產(chǎn)生氨氣、釩氧化物以及水;第三階段為中溫氧化,一般在300～400 ℃溫度下,通入大量氧氣,使得低價(jià)釩氧化物轉(zhuǎn)化為五氧化二釩。

總反應(yīng)方程式為

6NH4VO3·x(H2O)=3V2O5+6NH3+(x+3)H2O

總反應(yīng)方程式未體現(xiàn)氧氣參與反應(yīng),這是因?yàn)榘睔饩哂幸欢ǖ倪€原性,若氨氣不及時(shí)排出,會(huì)將生成的五氧化二釩還原成低價(jià)氧化物,故后段需通過通入氧氣對(duì)低價(jià)釩氧化物進(jìn)行氧化。

因此,在偏釩酸銨、多釩酸銨制備粉狀五氧化二釩工藝中,快速干燥、及時(shí)排氨、氧氣補(bǔ)充成為關(guān)鍵。

2 設(shè)備對(duì)比

傳統(tǒng)的偏釩酸銨、多釩酸銨制備粉狀五氧化二釩設(shè)備多為梭式爐,梭式爐外形如圖1所示,該設(shè)備為靜態(tài)燒結(jié),燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng),產(chǎn)量小,且采用人工上料及出料,施工人員需佩戴防毒面罩,施工風(fēng)險(xiǎn)較大。開發(fā)投入使用的連續(xù)生產(chǎn)回轉(zhuǎn)爐因其動(dòng)態(tài)燒結(jié)特點(diǎn),大大降低了產(chǎn)品燒結(jié)時(shí)間,產(chǎn)量提升顯著,自動(dòng)化水平明顯提高,回轉(zhuǎn)爐外形見圖2。以年產(chǎn)2 400 t粉狀五氧化二釩為例,相關(guān)對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

圖1 梭式爐外形

圖2 回轉(zhuǎn)爐外形

表1 梭式爐與回轉(zhuǎn)爐優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比,回轉(zhuǎn)爐相較于梭式爐在自動(dòng)化、占地面積、單噸能耗等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3 連續(xù)化制備粉狀五氧化二釩回轉(zhuǎn)爐優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 整體工藝流程

以偏釩酸銨制備粉狀五氧化二釩主要工藝流程如下:

(1)偏釩酸銨通過上料裝置投入回轉(zhuǎn)爐螺旋進(jìn)料器料倉(cāng),原料通過螺旋進(jìn)料器變頻控制定量輸送物料進(jìn)入爐管加熱區(qū)域。

(2)物料通過三段加熱,完成燒結(jié)過程,即低溫進(jìn)行自由水烘干,高溫進(jìn)行煅燒分解,中溫進(jìn)行物料氧化。

(3)煅燒后生成的粉狀五氧化二釩經(jīng)冷卻區(qū)完成物料冷卻降溫。

(4)煅燒形成的尾氣成分主要包含粉塵、氨氣、水蒸氣等,尾氣經(jīng)由尾氣處理系統(tǒng)進(jìn)行無害處理。

3.2 關(guān)鍵設(shè)備布局

1)進(jìn)料系統(tǒng)

由于原料含水率高且易結(jié)塊(結(jié)塊物料見圖3),料倉(cāng)入口設(shè)置破碎機(jī)構(gòu)及篩網(wǎng),將結(jié)塊物料充分粉碎后進(jìn)入輸送螺旋(破碎后物料見圖4),實(shí)現(xiàn)順暢進(jìn)料。

圖3 結(jié)塊物料

圖4 破碎后物料

2)回轉(zhuǎn)爐爐管設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)產(chǎn)能為340 kg/h,粉狀五氧化二釩物料性質(zhì)見表2。

表2 某粉料物料性質(zhì)參數(shù)表

出料端物料含水率低,極易揚(yáng)塵,故尾部揚(yáng)料板設(shè)置尺寸小、數(shù)量少,故爐管可參照無揚(yáng)料板設(shè)置進(jìn)行理論計(jì)算,物料運(yùn)行時(shí)間t計(jì)算公式如下:

式中:t為物料停留時(shí)間,min;L為爐管長(zhǎng)度,m;D為爐管內(nèi)徑,m;θ為物料自然傾角,(°);α為爐管水平傾角,(°);n為爐管轉(zhuǎn)速,r/min。

偏釩酸銨在動(dòng)態(tài)燒結(jié)生成五氧化二釩所需時(shí)間大約240 min;爐管轉(zhuǎn)速設(shè)定為0.5 r/min;爐管傾角設(shè)定0.7°。計(jì)算后得出:L/D=8.8,即L=8.8D。

產(chǎn)能為340 kg/h,可得原料處理量G=505 kg/h,填充率f計(jì)算公式如下:

式中:k為結(jié)構(gòu)影響系數(shù),取值1.2;

填充率f取值為0.15,代入后計(jì)算得D=1.374 m,取爐管直徑為1.4 m,即得爐管長(zhǎng)度為12.32 m,取爐管長(zhǎng)度為12 m。

3)原料回收及尾氣處理系統(tǒng)

由于物料在回轉(zhuǎn)爐內(nèi)部進(jìn)行翻轉(zhuǎn)加熱,易產(chǎn)生大量揚(yáng)塵,故尾氣中攜帶部分顆粒物料,故尾氣在保溫情況下通依次過旋風(fēng)除塵器進(jìn)行一級(jí)處理及布袋除塵器二級(jí)處理,實(shí)現(xiàn)物料過濾回收。尾氣中氨氣、水蒸氣通過冷卻吸收及噴淋吸收進(jìn)行資源化處理。原料回收及尾氣處理系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 原料回收及尾氣處理系統(tǒng)流程

4 結(jié) 論

本例連續(xù)制備粉狀五氧化二釩的回轉(zhuǎn)爐裝備已有實(shí)體設(shè)備運(yùn)行,運(yùn)行情況表明:

(1)物料破碎充分,螺旋進(jìn)料順暢;

(2)設(shè)備連續(xù)批量產(chǎn)出高質(zhì)量粉狀五氧化二釩,產(chǎn)量達(dá)到340 kg/h以上;

(3)尾氣中回收物料可再次作為原料進(jìn)行利用,尾氣處理后達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。