CN113479926A - 一种利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，属于冶金和化工交叉技术领域。该方法首先将燃烧炉内产生的热气导入沸腾炉，加热其中的蓄热球并吹至悬浮状态；再将熔融硝酸盐雾化喷入沸腾炉中，经热解生成高温尘气进入旋风收尘装置，再经余热锅炉降温后进入收尘系统得到金属氧化物粉体，收尘后气一部分循环至燃烧炉，另一部分用于制备硝酸。本发明采用沸腾炉作为硝酸盐分解设备，操作压力高，处理量大，且体积较小，热效率相对较高。同时，沸腾炉是一种工业化很成熟的生产设备，故该工艺极易实现工业化与大型化。此外，本发明工艺简单高效，可操作性强，所制备的金属氧化物粉体和硝酸均为高附加值产品，经济效益显著。

Description

一种利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法
技术领域
本发明属于冶金和化工交叉技术领域，具体涉及一种利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法。
背景技术
硝酸盐为一类阳离子为金属，阴离子为硝酸根的化合物的统称，广泛应用于石油、冶金、食品、材料制备等领域。常见的硝酸盐有：硝酸钠、硝酸钾、硝酸铵、硝酸钙、硝酸铅、硝酸铈等。总体上，硝酸盐的水溶性较好，几乎全部易溶于水，只有硝酸脲微溶于水，碱式硝酸铋难溶于水，所以溶液中硝酸根不能被其他绝大多数阳离子沉淀。
固体硝酸盐加热时能分解放出氧，分解产物也会由于其阳离子不同而有所不同。其中最活泼的金属的硝酸盐仅放出部分氧而变成亚硝酸盐，其余大部分金属的硝酸盐分解为金属的氧化物、氧和二氧化氮。总的来说，硝酸盐的热分解产物分为三种情况：当阳离子金属元素较Mg活泼，如K、Ca、Na，其硝酸盐热解会生成相应的亚硝酸盐和氧气；阳离子金属元素的活泼性处在Mg和Cu之间的金属，其硝酸盐热分解时会生成相应的金属氧化物、二氧化氮和氧气；金属活泼性更小的金属(Cu之后)，其硝酸盐热分解时则会生成相应的金属、二氧化氮和氧气。
研究发现，硝酸铝、硝酸镁、硝酸铁、硝酸锌等硝酸盐在加热时会生成具有较高活性的氧化物，这是由于其在热解过程中会生成氧化氮、氧气等气体，促使氧化物表面形成多孔结构，从而使产物具有较大的比表面积及活性。此外，分解温度对产物性质有较大的影响，控制分解温度可以得到不同晶型的氧化物。
中国发明专利申请CN109721038A公开了一种硝酸盐热解回收硝酸的方法，该方法首先将硝酸盐输送到至少两级的预热装置中，进行加热，液化，再将硝酸盐热流体输送到分解器中，利用高温气体进行加热，使得硝酸盐分解产生混合气体和固体粉末；将混合气体和固体粉末分离，一部分混合气体输送到硝酸回收罐中，另一部分混合气体加热至500-800℃，然后回流至分解器中，用于加热硝酸盐热流体使之受热分解。该方法中所采用的分解炉为常压工作环境，气体流量小，故所需要的分解设备体积巨大，处理量相对较小。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷与不足，本发明公开了一种利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，该方法采用沸腾炉作为硝酸盐的分解装置，较传统硝酸盐分解设备具有散热小，热能利用率高，操作简单，适应性强，操作压力高，处理量大等优点。同时，本发明实现了硝酸盐的快速分解，所得到的金属氧化物粉体及再生硝酸均是附加值很高的产品，经济价值显著。
为实现该发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，包括以下步骤：
(1)将燃烧炉内燃料燃烧产生的大量热气经沸腾炉底部鼓入沸腾炉，将沸腾炉内的蓄热球加热并吹至悬浮状态，同时使炉体内的温度恒定在硝酸盐完全分解的温度；
(2)将加热熔化后的硝酸盐雾化，从沸腾炉底部喷吹到沸腾炉内，熔化的硝酸盐在高温气体的作用下快速分解，形成含金属氧化物、水蒸气和氮氧化物气体的高温尘气，该高温尘气经沸腾炉顶部出气口进入旋风收尘器；
(3)旋风分离后气经余热锅炉降温，再经过收尘系统得到金属氧化物粉体，收尘后气一部分返回燃烧炉再次加热后循环到沸腾炉内用于分解硝酸盐，另一部分进入硝酸吸收再生系统用于制备硝酸。
进一步的，步骤(1)中所述燃料包括天然气、煤制气或重油，燃烧方式包括常规燃烧或富氧燃烧，燃烧产生的热气的温度为600-1100℃。
进一步的，步骤(1)中鼓入沸腾炉的热气的压强为5000-10000Pa。
进一步的，步骤(1)中沸腾炉内蓄热球的材质包括刚玉或陶瓷，蓄热球的直径为1-10mm。
进一步的，步骤(1)中沸腾炉炉体内的温度恒定在500-900℃。
进一步的，步骤(2)中所述硝酸盐包括硝酸铜、硝酸铝、硝酸镁、硝酸钙、硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸锌中的一种或多种组合复盐。
进一步的，步骤(2)中所述加热熔化硝酸盐的温度范围为80-200℃。
进一步的，步骤(2)中所述硝酸盐雾化的方式为压缩空气喷雾雾化，雾化气的压强为0.1-1.5MPa。
进一步的，步骤(2)中熔化的硝酸盐在沸腾炉内分解的时间为5-60s，沸腾炉顶部出气口高温尘气的温度为400-800℃。
进一步的，步骤(2)还包括高温尘气经旋风收尘器将其中的大颗粒粉体以及夹带的少量蓄热球分离出来，再次返回到沸腾炉中。
进一步的，步骤(3)中所述旋风分离后气经余热锅炉降温至200-300℃。
进一步的，步骤(3)中所述收尘系统包括高温金属膜除尘、静电除尘、高温布袋除尘、重力沉降除尘装置中的一种或其组合形式。
进一步的，步骤(3)中返回燃烧炉再次用于分解硝酸盐的收尘后气的体积百分数为20-80％。
与现有技术相比，本发明技术方案具有如下积极效果或技术优势：
本发明首先将燃烧炉内产生的大量热气经沸腾炉底部导入沸腾炉，同时将沸腾炉内的蓄热球加热并吹至悬浮状态，使炉体内的温度恒定在硝酸盐完全分解的温度；随后将加热熔化后的硝酸盐雾化，同样经沸腾炉底部喷入沸腾炉中，硝酸盐熔体在分解炉内快速分解生成MeOx、NOx、H2O、O2，沸腾炉内的蓄热球在气体的作用下相互碰撞，球体表面上的金属粉体随之脱落；所得到的高温含尘气体进入旋风收尘装置，粉体中的大颗粒以及少量吹出去的蓄热球分离出来再次进入到沸腾炉中；旋风分离后的高温气体经余热锅炉降温，后经收尘系统得到金属氧化物粉体，收尘后的气体一部分循环至燃烧炉再次加热用于分解硝酸盐熔体，另一部分送至硝酸吸收再生系统用于制备硝酸。
本发明采用沸腾炉作为硝酸盐分解设备，该设备操作压力高，处理量大，并且该设备的体积较小，热效率相对较高。同时，沸腾炉是一种工业化很成熟的生产设备，因此，本发明所提供的工艺极易实现工业化与大型化。此外，本发明工艺简单高效，可操作性强，所制备的金属氧化物粉体和再生硝酸都是附加值很高的产品，提升了该工艺的综合经济价值。
附图说明
图1为本发明所述方法中所采用的沸腾炉的结构示意图。
其中，a-燃烧炉热风进风口，D1～D4-进料喷嘴，p1～p2-压力表，L1～L4-侧补风口，F1-侧补风口，e1～e6-热电偶，A1-旋风除尘器。
图2为本发明所述方法中所采用的装置的工艺流程示意图。
其中，1-燃烧炉，2-硝酸盐加热熔融装置，3-沸腾炉，4-旋风除尘器，5-余热锅炉，6-引风机，7-换热器，8-氮氧化物气体压缩机，9-吸收塔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
【实施例1】
天然气和空气在燃烧炉内燃烧，获得大量温度为1100℃的热气，将热气喷入到沸腾炉底部并将炉内的蓄热球吹至悬浮，蓄热球的直径为10mm，炉内压强为10000Pa。炉内温度逐渐上升并保持在900℃。在熔融装置内将硝酸铜水合物加热到110℃，得到硝酸铜热流体后以1.5MPa的压强雾化喷入到沸腾炉内加热分解60s，得到CuO、NOx、O2、H2O高温混合尘气，温度约为800℃。该尘气经过旋风分离器将其中的大颗粒以及少量夹带的蓄热球分离出来。旋风分离后气通过余热锅炉降温到300℃，随后进入收尘系统，得到的CuO的粒度尺寸为3.4μm，收尘后的20％气体经过燃烧炉加热，再次进入沸腾炉加热分解硝酸铜。其余气体进入硝酸再生系统，所得到的硝酸浓度为48.2％，硝酸铜的分解率为99.7％。
【实施例2】
天然气和空气在燃烧炉内燃烧，获得大量温度为600℃的热气，将热气喷入到沸腾炉底部并将炉内的蓄热球吹至悬浮，蓄热球的直径为1mm，炉内压强为5000Pa。炉内温度逐渐上升并保持在700℃。在熔融装置内将硝酸镁水合物加热到120℃，得到硝酸镁热流体后以1.2MPa的压强雾化喷入到沸腾炉内加热分解5s，得到MgO、NOx、O2、H2O高温混合尘气，温度为400℃。该尘气经过旋风分离器将其中的大颗粒以及少量夹带的蓄热球分离出来。旋风分离后气通过余热锅炉降温到200℃，随后进入收尘系统，得到的MgO的粒度尺寸为7.2μm，收尘后的80％气体经过燃烧炉加热，再次进入沸腾炉加热分解硝酸镁。其余气体到硝酸再生系统，所得到的硝酸浓度为47.9％，硝酸镁的分解率为99.7％。
【实施例3】
天然气和空气在燃烧炉内燃烧，获得大量温度为700℃的热气，将热气喷入到沸腾炉底部并将炉内的蓄热球吹至悬浮，蓄热球的直径为5mm，炉内压强为7000Pa。炉内温度逐渐上升并保持在600℃。在熔融装置内将硝酸铁水合物加热到110℃，得到硝酸铁热流体后以0.1MPa的压强雾化喷入到沸腾炉内加热分解30s，得到Fe2O3、NOx、O2、H2O高温混合尘气，温度为500℃。该尘气经过旋风分离器将其中的大颗粒以及少量夹带的蓄热球分离出来。旋风分离后气通过余热锅炉降温到280℃，随后进入收尘系统，得到的Fe2O3的晶型为α型，粒度尺寸为9.8μm，收尘后的60％气体经过燃烧炉加热，再次进入沸腾炉加热分解硝酸铁。其余气体到硝酸再生系统，所得到的硝酸浓度为47.7％，硝酸铁的分解率为99.3％。
【实施例4】
煤制气和空气在燃烧炉内燃烧，获得大量温度为800℃的热气，将热气喷入到沸腾炉底部并将炉内的蓄热球吹至悬浮，蓄热球的直径为3mm，炉内压强为8000Pa。炉内温度逐渐上升并保持在500℃。在熔融装置内将硝酸锌水合物加热到100℃，得到硝酸锌热流体后以0.8MPa的压强雾化喷入到沸腾炉内加热分解45s，得到ZnO、NOx、O2、H2O高温混合尘气，温度约为600℃。该尘气经过旋风分离器将其中的大颗粒以及少量夹带的蓄热球分离出来。旋风分离后气通过余热锅炉降温到250℃，随后进入收尘系统，得到ZnO的粒度尺寸为3.5μm，收尘后的70％气体经过燃烧炉加热，再次进入沸腾炉加热分解硝酸锌。其余气体到硝酸再生系统，所得到的硝酸浓度为47.5％，硝酸铁的分解率为99.2％。
【实施例5】
重油和空气在燃烧炉内燃烧，获得大量温度为900℃的热气，将热气喷入到沸腾炉底部并将炉内的蓄热球吹至悬浮，蓄热球的直径为7mm，炉内压强为6000Pa。炉内温度逐渐上升并保持在500℃。在熔融装置内将硝酸铁水合物加热到100℃，得到硝酸铁热流体后以0.6MPa的压强雾化喷入到沸腾炉内加热分解50s，得到Fe2O3、NOx、O2、H2O高温混合尘气，温度为700℃。该尘气经过旋风分离器将其中的大颗粒以及少量夹带的蓄热球分离出来。旋风分离后气通过余热锅炉降温到300℃，随后进入收尘系统，得到的Fe2O3的晶型为γ型，粒度尺寸为3.0μm。收尘后的40％气体经过燃烧炉加热，再次进入分解炉加热分解硝酸铁。其余气体到硝酸再生系统，所得到的硝酸浓度为47.3％，硝酸铁的分解率为99.1％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将燃烧炉内燃料燃烧产生的大量热气经沸腾炉底部鼓入沸腾炉，将沸腾炉内的蓄热球加热并吹至悬浮状态，同时使炉体内的温度恒定在硝酸盐完全分解的温度；
(2)将加热熔化后的硝酸盐雾化，从沸腾炉底部喷吹到沸腾炉内，熔化的硝酸盐在高温气体的作用下快速分解，形成含金属氧化物、水蒸气和氮氧化物气体的高温尘气，该高温尘气经沸腾炉顶部出气口进入旋风收尘器；
(3)旋风分离后气经余热锅炉降温，再经过收尘系统得到金属氧化物粉体，收尘后气一部分返回燃烧炉再次加热后循环到沸腾炉内用于分解硝酸盐，另一部分进入硝酸吸收再生系统用于制备硝酸。
2.如权利要求1所述的利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，其特征在于，步骤(1)中所述燃料包括天然气、煤制气或重油，燃烧方式包括常规燃烧或富氧燃烧，燃烧产生的热气的温度为600-1100℃；鼓入沸腾炉的热气的压强为5000-10000Pa。
3.如权利要求1所述的利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，其特征在于，步骤(1)中沸腾炉内蓄热球的材质包括刚玉或陶瓷，蓄热球的直径为1-10mm。
4.如权利要求1所述的利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，其特征在于，步骤(1)中沸腾炉炉体内的温度恒定在500-900℃。
5.如权利要求1所述的利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，其特征在于，步骤(2)中所述硝酸盐包括硝酸铜、硝酸铝、硝酸镁、硝酸钙、硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸锌中的一种或多种组合复盐。
6.如权利要求1所述的利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，其特征在于，步骤(2)中所述加热熔化硝酸盐的温度范围为80-200℃；所述硝酸盐雾化的方式为压缩空气喷雾雾化，雾化气的压强为0.1-1.5MPa；熔化的硝酸盐在沸腾炉内分解的时间为5-60s，沸腾炉顶部出气口高温尘气的温度为400-800℃。
7.如权利要求1所述的利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，其特征在于，步骤(2)还包括高温尘气经旋风收尘器将其中的大颗粒粉体以及夹带的少量蓄热球分离出来，再次返回到沸腾炉中。
8.如权利要求1所述的利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，其特征在于，步骤(3)中所述旋风分离后气经余热锅炉降温至200-300℃。
9.如权利要求1所述的利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，其特征在于，步骤(3)中所述收尘系统包括高温金属膜除尘、静电除尘、高温布袋除尘、重力沉降除尘装置中的一种或其组合形式。
10.如权利要求1所述的利用沸腾炉加热分解硝酸盐制备金属氧化物粉体的方法，其特征在于，步骤(3)中返回燃烧炉再次用于分解硝酸盐的收尘后气的体积百分数为20-80％。
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