CN103771344A

CN103771344A - 一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置

Info

Publication number: CN103771344A
Application number: CN201410003245.XA
Authority: CN
Inventors: 张廷安; 豆志河; 刘燕; 张子木; 赵秋月; 吕国志; 牛丽萍; 蒋孝丽
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-01-03
Also published as: CN103771344B

Abstract

本发明提供了一种金属氯化物溶液射流喷吹快速热解制备金属氧化物的装置。该装置包括射流热解系统、旋风分离系统、尾气吸收系统；其中，射流热解系统包括燃气燃烧器和射流热解反应器，燃气燃烧器的高温燃烧尾气出口与射流热解反应器的气体入口相连接；旋风分离系统的气体入口与射流热解反应器的气体出口相连；尾气吸收系统的气体入口与旋风分离系统的气体出口相连。该装置强化了金属氯化物溶液热解装置的传热、传质效率，实现了快速热解提高了热量利用率和热解效率，提高了热解转化率和金属氧化物的纯度，且制备金属氧化物粉末具有粒度小，颗粒分布均匀可以实现盐酸的循环利用，实现金属氧化物的清洁生产。

Description

一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置

技术领域

本发明属于金属冶金领域，具体涉及一种由金属氯化物制备金属氧化物的装置。

背景技术

溶液直接热解是将含所需正离子的某种盐类的溶液喷入到加热反应室内，通过反应生成微细的粉末颗粒。为提高热解效率，往往将溶液在一定的压力条件下以近似雾状的微细液滴喷入到一定温度的热解炉中，发生快速反应得到固体颗粒，因此该技术又叫喷雾热解。国内外很多学者采用该技术成功制备出了性能优异的金属及其氧化物粉体材料。该技术在钢板酸洗生产线的盐酸再生循环利用得到大规模推广应用，即将钢板酸洗产生的氯化铁溶液通过喷雾热解后，经气固分离得到氧化铁粉末和盐酸热解尾气，热解尾气经吸收得到盐酸溶液实现再生循环。中国发明专利申请201310124443采用氯化镁溶液直接热解制备出纳米氧化镁，中国专利ZL201010172151、ZL201210106278以氯化铝溶液为原料采用喷雾热解的方式制备出氧化铝粉体。无论是氯化铁溶液、氯化镁溶液还是氯化铝溶液热解，均是将金属氯化物溶液以雾状液滴喷入到到一定温度的高温炉中进行热解反应。由于所采用的热解焙烧炉传质、传热的局限性，会造成喷吹金属氯化物溶液热解制备金属氧化物的效率过低，热解时间较长（焙烧时间1-40min），过长的焙烧周期会导致热解所得粉末粒度过大且分布不均匀。

现有制备稀土氧化物的方法主要为铵盐或碱金属氢氧化物沉淀法，草酸盐或碳铵沉淀法。铵盐（或碱金属氢氧化物）沉淀法制备稀土氧化物是将氨水（或碱金属氢氧化物）加入到稀土盐类溶液中得到稀土氢氧化物沉淀，过滤洗涤得到氢氧化稀土沉淀，然后高温脱水得到稀土氧化物。草酸盐或碳铵沉淀法制备稀土氧化物是利用草酸盐或碳铵直接加入到氯化稀土溶液中将稀土转化为草酸稀土沉淀，过滤得到草酸稀土，然后在800-900℃煅烧得到稀土氧化物。以上方法存在着氨氮废水污染严重等环境污染问题。如何实现稀土氧化物的清洁生产，已成为稀土氧化物应用的关键环节。中国实用新型专利ZL200920203918公开了一种氯化稀土溶液直接热解制备稀土氧化物的炉子，该炉子操作流程：将氯化稀土溶液直接喷洒到炉子侧部的燃烧火焰上，溶液被加热发生反应。由于大量溶液喷洒到火焰燃烧区造成炉内温场急剧变化，导致产物粒度长大不均匀。中国发明专利ZL201010534886，专利申请201210081225、201210190297分别公开了采用氯化稀土溶液直接热解制备稀土氧化物的方法，公开了溶液浓度、气流量和焙烧温度等工艺条件。即，首先将焙烧炉预热到500-1700℃，然后将10-300g/L的氯化稀土溶液以2-8000L/h的流量喷吹到焙烧炉中焙烧1-40min，得到稀土氧化物。为了提高反应效率，溶液采用雾化喷嘴进行喷吹。由于所采用的热解焙烧炉传质、传热的局限性，同样会造成这种喷吹氯化稀土溶液热解制备稀土氧化物或氢氧化物效率过低，热解时间较长（焙烧时间1-40min），过长的焙烧周期会导致热解所得粉末粒度过大且分布不均匀。过长的高温焙烧时间会造成热解所得的稀土氧化物与未反应的稀土氯化物发生二次副反应生成氯氧化稀土。副反应如下：RECl₃+RE₂O₃=3REOCl

因此，开发金属氯化物溶液快速直接热解技术装备，是实现金属氯化物溶液直接热解制备优质金属氧化物关键。

发明内容

本发明的目的是针对现有金属氯化物溶液直接焙烧热解制备金属氧化物的装置存在热解效率低，环境污染严重，高温焙烧周期长，热解所得的金属氧化物粉末粒度大、分布不均匀，以及产物纯度低等缺点，提出了一种金属氯化物溶液射流喷吹快速热解制备金属氧化物的装置。该装置的热量利用率和热解效率高，能够使金属氯化物迅速热解，热解充分且无二次副反应，制备的金属氧化物粉末粒度小、颗粒分布均匀、纯度高，全过程清洁生产。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，包括射流热解系统、旋风分离系统、尾气吸收系统；所述射流热解系统包括燃气燃烧器和射流热解反应器，燃气燃烧器的高温燃烧尾气出口与射流热解反应器的气体入口相连接；所述旋风分离系统的气体入口与射流热解反应器的气体出口相连；所述尾气吸收系统的气体入口与旋风分离系统的气体出口相连。

上述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，所述的燃气燃烧器包括射流喷嘴、点火和检火系统。

上述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，所述的射流喷嘴设有燃料吸入口和助燃气体吸入口，射流喷嘴与燃料罐于燃料吸入口处相连，射流喷嘴与空气压缩机或氧气罐于助燃气体吸入口处相连；所述燃料可以是甲烷、乙烯、氢气、煤油或天然气。

上述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，所述的射流热解反应器设有携带流体入口，射流热解反应器与金属氯化物溶液储槽于携带流体入口处相连。

上述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，所述的旋风分离系统包括旋风分离器和灰斗。

上述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，所述的旋风分离器为CZT型标准旋风分离器或CLK型旋风分离器。

所述的尾气吸收系统为CST型标准填料吸收塔。

所述的尾气吸收系统上端设有吸收剂入口和净化尾气出口，下端设有盐酸溶液出口。

本发明装置的工作流程是：将燃气与空气或氧气经射流喷嘴混合燃烧后得到高温燃烧尾气，由燃气燃烧器的高温燃烧尾气出口高速射流通过射流反应器的气体入口进入射流热解反应器中；金属氯化物溶液由射流热解反应器的携带流体入口处注入反应器中，在反应器中与高温燃烧尾气混合，迅速被加热气化成超细气泡完成热解反应，得到含有金属氧化物粉末和盐酸蒸汽的高温气固混合物；得到的高温气固混合物由反应器出口通过旋风分离系统的气体入口高速注入旋风分离系统，进行气固分离，得到金属氧化物粉末和高温尾气；其中金属氧化物粉末由旋风分离系统的灰斗收集，高温尾气则由旋风分离系统气体出口排出，由尾气吸收系统的气体入口进入吸收塔，经吸收塔吸收冷却得到盐酸溶液；得到的盐酸溶液可返回至金属氯化物的制备工艺中，即实现盐酸的循环利用，又实现了金属氧化物粉体的清洁生产。

而本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明提供的装置是以高温燃烧尾气作为工作流体携带金属氯化物溶液，溶液在射流器腔体内与高温燃烧尾气充分接触，迅速加热气化形成弥散的超细气泡，显著增加了反应界面，极大地强化了装置的传热、传质效率，实现了快速热解（热解反应时间仅0.1s左右），极大地提高了热量利用率和热解效率。而采用高温焙烧炉热解的金属氯化物溶液热解工艺，由于高温炉加热功率局限，在喷吹金属氯化物溶液热解时会造成炉内温度迅速降低、温场波动过大，造成热解效率低。而现有的采用燃气加热的热解工艺，则是将金属氯化物溶液直接喷洒到燃烧火焰上进行热解，同样会存在热解炉内、温场波动过大，造成热解效率低。此外，由于现有的热解工艺和装置均存在传质、传热效率低等缺点，为了保证热解反应充分完成，必须延长热解焙烧时间，热解时间通常在1-40min。

2、本发明装置热解反应能够在较低温度（400～1300℃）下快速完成，得到金属氧化物粉末和高温热解尾气组成气固混合物，该混合物在工作流体带动下快速离开热解反应器，经气固分离得到金属氧化物产品和高温HCl热解尾气，避免了现有金属氯化物溶液焙烧热解法制备金属氧化物过程副产物的生成，提高了热解转化率和金属氧化物的纯度，且制备金属氧化物粉末具有粒度小，颗粒分布均匀等优点。而现有的热解工艺和装置由于均存在传质、传热效率低等缺点，为了保证热解反应充分完成，必须延长热解焙烧时间，热解时间通常在1-40min。但是过长的高温热解时间会造成热解所得的金属氧化物与未反应的金属氯化物发生二次副反应生成，降低了金属氯化物产品的纯度。同时过长的热解会导致热解所得粉末粒度过大且分布不均匀。

3、利用该装置得到的盐酸溶液能够盐酸溶液可返回至金属氯化物的制备工艺或金属酸洗工艺中，以实现盐酸的循环利用。

4、现有方法存在着氨氮废水污染严重等环境污染问题，通过本装置将金属氯化物溶液射流热解为金属氧化物，没有废水产生，得以实现金属氧化物的清洁生产。

附图说明

图1为本发明的装置示意图。

符号说明：

1：射流热解系统；2：旋风分离系统；3：尾气吸收系统；4：射流喷嘴；5：射流热解反应器；6：6：燃气燃烧器的燃料吸入口；7：燃气燃烧器的助燃气体吸入口；8：燃气燃烧器的高温燃烧尾气出口；9：射流热解反应器的气体入口；10：射流热解反应器的气体出口；11：金属氯化物溶液储槽；12：被携带流体吸入口；13：旋风分离系统气体吸入口；14：旋风分离系统分离尾气出口；15：旋风分离系统的灰斗；16：旋风分离器；17：尾气吸收系统气体入口；18：尾气吸收系统净化尾气出口；19：尾气吸收系统吸收剂入口；20：盐酸液体出口。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，如图1所示，包括射流热解系统1、旋风分离系统2、尾气吸收系统3；其中，射流热解系统1由燃气燃烧器和射流热解反应器（GW200型）5串联组成（说明书附图中仅以射流喷嘴4为例），燃气燃烧器的高温燃烧尾气出口8与射流反应器的气体入口9连接，射流热解反应器5设有被携带流体吸入口12，通过该入口与金属氯化物溶液储槽11相连；旋风分离系统的气体入口13与射流反应器的气体出口10相连；吸收塔的气体入口17与旋风分离系统的气体出口14相连。

燃气燃烧器包括射流喷嘴4、点火和检火系统；射流喷嘴设有燃料吸入口6和助燃气体吸入口7，喷嘴通过燃料吸入口6与燃料罐相连，喷嘴通过助燃气体吸入口7与空气压缩机或氧气罐相连。

旋风分离系统2包括CZT型标准旋风分离器16和灰斗15。

尾气吸收系统3选用CST型标准填料吸收塔，尾气吸收系统3上端设有净化尾气出口18和吸收剂入口19，在下端设有盐酸溶液排出口20。

本发明装置的工作流程是：将甲烷气通过燃气燃烧器的燃料吸入口6泵入燃烧喷嘴4，同时与由燃气燃烧器的助燃气体吸入口7泵入的氧气高效混合，充分燃烧形成高温燃烧尾气；高温燃烧尾气在燃烧喷嘴压力作用下由燃烧器的高温燃烧尾气出口8射流喷出，作为工作流体经射流热解反应器的气体入口9射入射流热解反应器中；金属氯化物溶液储槽11中LaCl₃溶液通过管道由被携带流体吸入口8进入到射流反应器中，迅速加热气化，完成热解反应，得到La₂O₃粉末和高温热解尾气；含有La₂O₃粉末的高温热解尾气由射流热解反应器的气体出口10通过管道由旋风分离系统气体吸入口13切向进入到旋风分离器16中经气固分离，得到分离尾气和La₂O₃粉末；La₂O₃粉末由旋风分离系统的灰斗11回收；分离尾气由旋风分离系统气体出口14通过管路由尾气吸收系统气体入口17泵入吸收塔中，与尾气吸收系统吸收剂入口19泵入的吸收剂逆流接触，完成吸收得到盐酸溶液，并由尾气吸收系统盐酸液体出口20排出；吸收净化后的尾气由尾气吸收系统净化尾气出口18排出。

通过该装置可将MgCl₂、AlCl₃、稀土氯化物等金属氯化物溶液射流热解为MgO、Al₂O₃、稀土氧化物等金属氧化物。

Claims

1.一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，其特征在于，包括射流热解系统、旋风分离系统、尾气吸收系统；所述射流热解系统包括燃气燃烧器和射流热解反应器，燃气燃烧器的高温燃烧尾气出口与射流热解反应器的气体入口相连接；所述旋风分离系统的气体入口与射流热解反应器的气体出口相连；所述尾气吸收系统的气体入口与旋风分离系统的气体出口相连。

2.根据权利要求1所述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，其特征在于，所述的燃气燃烧器包括射流喷嘴、点火和检火系统。

3.根据权利要求2所述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，其特征在于，所述的射流喷嘴设有燃料吸入口和助燃气体吸入口，射流喷嘴与燃料罐于燃料吸入口处相连，射流喷嘴与空气压缩机或氧气罐于助燃气体吸入口处相连。

4.根据权利要求1所述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，其特征在于，所述的射流热解反应器设有携带流体入口，射流热解反应器与金属氯化物溶液储槽于携带流体入口处相连。

5.根据权利要求1所述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，其特征在于，所述的旋风分离系统包括旋风分离器和灰斗。

6.根据权利要求5所述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，其特征在于，所述的旋风分离器为CZT型标准旋风分离器或CLK型旋风分离器。

7.根据权利要求1所述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，其特征在于，所述的尾气吸收系统为CST型标准填料吸收塔。

8.根据权利要求1或7所述的一种金属氯化物溶液射流热解制备金属氧化物的装置，其特征在于，所述的尾气吸收系统上端设有吸收剂入口和净化尾气出口，下端设有盐酸溶液出口。