一种低温沸腾氯化炉及生产四氯化钛的方法
【专利摘要】本发明提供了一种低温沸腾氯化炉及生产四氯化钛的方法。所述低温沸腾氯化炉包括炉体、气体收集装置、固体物料入口、气体入口、换热装置以及降温装置，炉体包括反应段、扩大段和沉降段，换热装置设置在反应段的具有物料料层的部位内并包括具有入口和出口的换热管道；降温装置设置在炉体外部并通过管道分别与换热装置的入口和出口连通，反应段与外部不连通。所述方法在上述低温沸腾氯化炉中，以碳化高炉渣和氯气为反应物料并以惰性气体为流态化气体来生产四氯化钛。本发明的优点包括：能够有效控制低温沸腾氯化炉内的反应温度；能够避免未反应氯气进入尾气处理系统，减少了氯化残渣的排放量，能够提高粗四氯化钛生产的氯化率。
【专利说明】一种低温沸腾氯化炉及生产四氯化钛的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及四氯化钛制备【技术领域】，具体来讲，涉及一种能够有效控制低温沸腾氯化反应的反应温度的低温沸腾氯化炉，以及使用该低温沸腾氯化炉来生产四氯化钛的方法。
【背景技术】
[0002]目前，沸腾氯化法是生产四氯化钛的主要工艺。然而，对于以碳化高炉渣(例如，含有按重量计6%?14%的碳化钛(TiC)的碳化高炉渣)为原料的沸腾氯化工艺而言，由于原料中的碳化钛无论是发生有氧氯化反应还是无氧氯化反应，都将放出大量的热，并且由于此工艺原料的特殊性，反应最终将产生大量的废渣，通过排渣操作将带走大量的反应热，因此，以碳化高炉渣为原料的沸腾氯化工艺需要严格控制沸腾氯化反应的反应温度。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于解决现有技术的上述不足中的至少一项。
[0004]例如，本发明的目的之一在于提供一种能够有效控制低温沸腾氯化反应的反应温度的低温沸腾氯化炉。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种能够提高氯化率并减少未反应氯气排放的低温沸腾氯化方法。
[0006]本发明的一方面提供了一种低温沸腾氯化炉。所述低温沸腾氯化炉包括炉体、气体收集装置和设置在炉体上的固体物料入口和气体入口，所述炉体由沿竖直方向依次连通的反应段、扩大段和沉降段组成，所述气体收集装置覆盖沉降段并收集从沉降段排出的气体，并且所述低温沸腾氯化炉还包括换热装置和降温装置，其中，换热装置包括具有入口和出口的换热管道以及从所述入口进入换热管道并从所述出口流出换热管道的冷却介质，换热装置设置在反应段的具有物料料层的部位内；降温装置通过管道分别与换热装置的所述入口和所述出口连通，并且降温装置能够对从所述出口进入的冷却介质进行降温，并将降温后的冷却介质输送至所述入口，降温装置设置在炉体外部，并且反应段与外部不连通。
[0007]本发明的另一方面提供了一种生产四氯化钛的方法。所述方法在如上所述的低温沸腾氯化炉中，以碳化高炉渣和氯气为反应物料并以惰性气体为流态化气体来生产四氯化钛，其中，碳化高炉渣由含钛铁矿经高炉炼铁后得到的高炉渣再经过碳化后得到。
[0008]与现有技术相比，本发明的有益效果包括:能够有效控制低温沸腾氯化炉内的反应温度；能够避免未反应氯气进入尾气处理系统，减少了氯化残渣的排放量，能够提高粗四氯化钛生产的氯化率。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的及特点将会变得更加清楚，其中:[0010]图1 (a)和图1 (b)示出了本发明的低温沸腾氯化炉的一个示例性实施例的结构示意图。
[0011]附图标记如下:
[0012]炉体-10、反应段-11、扩大段-12、沉降段-13、列管式换热器-20、列管21、冷却介质入口 22、冷却介质出口 23、散热孔Ila以及法兰24。
【具体实施方式】
[0013]在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的低温沸腾氯化炉及生产四氯化钛的方法。
[0014]发明人经过研究发现:在进行常规的低温沸腾氯化反应时，如果依靠后续加入新料和/或加大入炉流化氮气(25°C)的流量来降低炉内温度，则会造成炉内温度波动较大，炉况不稳定，以及物料在炉内的平均停留时间缩短等诸多问题。如果物料在炉内的平均停留时间过短，则会造成物料在没有反应完全的情况下被排出氯化炉，从而产生大量不完全反应的氯化残渣，而且多余未反应的氯气进入尾气处理系统，也就是说，会造成资源浪费、氯化率低下和环境污染。因此，发明人提出了以下方案以有效控制低温氯化炉内的反应温度。
[0015]根据本发明一方面的低温沸腾氯化炉包括炉体、气体收集装置、设置在炉体上的固体物料入口和气体入口以及换热装置和降温装置。其中，炉体由沿竖直方向依次连通的反应段、扩大段和沉降段组成。气体收集装置覆盖沉降段并收集从沉降段排出的气体(例如，含有四氯化钛的混合气体)。换热装置包括具有入口和出口的换热管道以及从所述入口进入换热管道并从所述出口流出换热管道的冷却介质；并且换热装置设置在炉体的反应段的具有物料料层的部位内，也就是说，在低温沸腾氯化炉使用时，位于炉体的反应段内的换热装置能够被固体物料(例如，碳化高炉渣)形成的料层完全覆盖。降温装置通过管道分别与换热装置的所述入口和所述出口连通，并且降温装置能够对从所述出口进入的冷却介质进行降温，并将降温后的冷却介质输送至所述入口，降温装置设置在炉体外部，并且反应段与外部不连通(例如，在反应段的炉壁与用于连接降温装置与换热装置的管道的接触位置形成良好密封，或者在反应段的炉壁与换热装置的入口和出口的接触位置形成良好密封)，以避免因在反应段内设置与位于炉体外部的降温装置连通的换热装置而导致反应段内的气体发生泄漏。本发明的低温沸腾氯化炉能够有效地控制沸腾氯化反应的反应温度，进而可以提高沸腾氯化反应的氯化率。
[0016]在本发明的低温沸腾氯化炉的一个示例性实施例中，低温沸腾氯化炉还可以在上述基础之上包括控制单元，并且该控制单元设置在炉体外部并与降温装置连接以控制进入换热装置的冷却介质的温度和流速。
[0017]在本发明的低温沸腾氯化炉的一个示例性实施例中，换热装置可以为沿水平方向设置的列管式换热器。该列管式换热器可由一根或多根列管组成。列管式换热器与反应段炉壁的接触位置可通过法兰来连接，这样能够确保反应段与外界形成良好密封。此外，优选地，本发明的低温沸腾氯化炉可以包括一个或两个以上的换热装置。
[0018]根据本发明另一方面的生产四氯化钛的方法在如上所述的低温沸腾氯化炉中，以碳化高炉渣和氯气为反应物料并以惰性气体(例如，氮气)为流态化气体来生产四氯化钛，其中，碳化高炉渣由含钛铁矿经高炉炼铁后得到的高炉渣再经过碳化后得到。通过使用如上所述结构的低温沸腾氯化炉，本发明的方法能够有效地控制沸腾氯化反应的反应温度，进而可以提高沸腾氯化反应的氯化率。沸腾氯化反应的反应温度的具体范围可以根据碳化高炉渣中碳化钛含量的多少来相应调整。此外，对于沸腾氯化反应过程中的诸如碳化高炉渣和氯气的反应物料的加入量、流态化气体的流量以及料层厚度等可根据实际情况来调難
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[0019]在本发明的生产四氯化钛方法的一个示例性实施例中，所使用的碳化高炉渣含有按重量计6%?14%的碳化钛。并且，该生产四氯化钛方法将低温沸腾氯化炉内的沸腾氯化反应温度控制为520°C?620°C，优选为540°C?600°C。
[0020]在本发明的生产四氯化钛方法的一个示例性实施例中，将碳化高炉渣在低温沸腾氯化炉的反应段内的停留时间控制为35min?45min。
[0021]下面结合附图描述详细描述本发明的低温沸腾氯化炉的一个具体示例。
[0022]图1 (a)和图1 (b)示出了本发明的低温沸腾氯化炉的一个示例性实施例的结构示意图。
[0023]如图1 (a)和图1 (b)所示，在本示例中，低温沸腾氯化炉包括:由沿竖直方向依次连通的反应段11、扩大段12和沉降段13组成的炉体10 ;设置在炉体上的固体物料入口(未示出)和气体入口(未示出);覆盖沉降段并收集从沉降段所排出气体的气体收集装置(未示出)；包括列管21、冷却介质入口 22和冷却介质出口 23的列管式换热器20 ;以及降温装置(未不出)。
[0024]其中，固体物料入口可以设置为与炉体的反应段11的上部连通，气体入口可以设置在炉体的下部，以将反应气体(例如，炉气)和起流化作用的惰性气体(例如，氮气)从下往上提供至炉体的反应段11内。
[0025]列管式换热器20包括多个列管22。冷却介质可以由冷却介质入口 22流入列管式换热器20，并由冷却介质出口 23流出列管式换热器20。列管式换热器20可以是多根列管，也可以是单根管道，其材质优选为高温耐腐蚀材质，例如，镍基合金、陶瓷或石英等。换热介质为常温下流动性较好的气体或液体，如空气、水或冷冻盐水。
[0026]如图1所示，炉体的反应段11的物料层的高度范围内的侧壁上开设有两个散热孔I Ia,两个列管式换热装置20分别通过两个散热孔I Ia设置在炉体的反应段内，并位于低温氯化炉有料层的部位内。通过法兰24覆盖炉体壁上的两个散热孔11a，并且二者外径严密配合，以确保炉体的密封。并且，列管式换热器20的冷却介质入口 22和冷却介质出口 23穿过法兰24并通过管道与设置在炉体外部的降温装置连通。降温装置能够对从冷却介质出口 23进入的冷却介质进行降温，并将降温后的冷却介质输送至冷却介质入口 22。
[0027]下面的示例I至3给出了使用图1 (a)和图1 (b)所示的低温沸腾氯化炉来生产四氯化钛的相关情况。
[0028]示例 I
[0029]作为原料的碳化高炉渣含有按重量计7%的碳化钛。料层厚度为1.5?2m。在沸腾氯化反应发生之前以加热氮气作为流态化气体，沸腾氯化反应过程中以常温氮气作为流态化气体。向炉中通入的标准状况下75m3/h?80m3/h的加热氮气,炉内温度上升至350°C?380°C时，通入标准状况下120mVh?150m3/h的纯氯气，停止通入加热氮气而通入常温氮气，进行沸腾氯化反应。
[0030]当低温沸腾氯化炉的反应段内的温度上升至520°C时，启动列管式换热器对沸腾氯化反应的温度进行调控，以将沸腾氯化反应的温度控制为520°C?620°C。待反应38min后，排渣换料。本示例的氯化率为88%。
[0031]示例 2
[0032]作为原料的碳化高炉渣含有按重量计13%的碳化钛。料层厚度为1.5?2m。以常温氮气作为流态化气体。向炉中通入标准状况下75m3/h?80m3/h的加热氮气，炉内温度上升至350°C?380°C时，通入标准状况下120m3/h?150mVh的纯氯气，停止通入加热氮气而通入常温氮气，进行沸腾氯化反应。
[0033]当低温沸腾氯化炉的反应段内的温度上升至540°C时，启动列管式换热器对沸腾氯化反应的温度进行调控，以将沸腾氯化反应的温度控制为540°C?600°C。待反应45min后，排渣换料。本示例的氯化率为97%。
[0034]示例3
[0035]作为原料的碳化高炉渣含有按重量计10%的碳化钛。料层厚度为1.5?2m。以常温氮气作为流态化气体。向炉中通入的标准状况下75m3/h?80m3/h的加热氮气,炉内温度上升至350°C?380°C时，通入标准状况下120m3/h?150mVh的纯氯气，停止通入加热氮气而通入常温氮气，进行沸腾氯化反应。
[0036]当低温沸腾氯化炉的反应段内的温度上升至520°C时，启动列管式换热器对沸腾氯化反应的温度进行调控，以将沸腾氯化反应的温度控制为530°C?610°C。待反应42min后，排渣换料。本示例的氯化率为95%。
[0037]综上所述，本发明能够有效控制低温沸腾氯化炉内的温度变化；能够避免未反应氯气进入尾气处理系统，减少了氯化残渣的排放量，能够提高粗四氯化钛生产的氯化率(例如，氯化率不低于80%，甚至于高达98%)。
[0038]尽管上面已经结合附图和示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
【权利要求】
1.一种低温沸腾氯化炉，所述低温沸腾氯化炉包括炉体、气体收集装置和设置在炉体上的固体物料入口和气体入口，所述炉体由沿竖直方向依次连通的反应段、扩大段和沉降段组成，所述气体收集装置覆盖沉降段并收集从沉降段排出的气体，其特征在于，所述低温沸腾氯化炉还包括换热装置和降温装置，其中， 换热装置包括具有入口和出口的换热管道以及从所述入口进入换热管道并从所述出口流出换热管道的冷却介质，换热装置设置在反应段的具有物料料层的部位内； 降温装置通过管道分别与换热装置的所述入口和所述出口连通，并且降温装置能够对从所述出口进入的冷却介质进行降温，并将降温后的冷却介质输送至所述入口，降温装置设置在炉体外部，并且反应段与外部不连通。
2.根据权利要求1所述的低温沸腾氯化炉，其特征在于，所述低温沸腾氯化炉还包括控制单元，该控制单元设置在炉体外部并与降温装置连接以控制进入换热装置的冷却介质的温度和流速。
3.根据权利要求1所述的低温沸腾氯化炉，其特征在于，所述换热装置为沿水平方向设置的列管式换热器。
4.根据权利要求1所述的低温沸腾氯化炉，其特征在于，所述换热装置的数量为两个以上。
5.一种生产四氯化钛的方法，其特征在于，所述方法在如权利要求1至4中任意一项所述的低温沸腾氯化炉中，以碳化高炉渣和氯气为反应物料并以惰性气体为流态化气体来生产四氯化钛，其中，碳化高炉渣由含钛铁矿经高炉炼铁后得到的高炉渣再经过碳化后得到。
6.根据权利要求5所述的生产四氯化钛的方法，其特征在于，所述碳化高炉渣含有按重量计6%?14%的碳化钛。
7.根据权利要求6所述的生产四氯化钛的方法，其特征在于，所述方法将低温沸腾氯化炉内的沸腾氯化反应温度控制为520°C?620°C。
8.根据权利要求6所述的生产四氯化钛的方法，其特征在于，所述方法将低温沸腾氯化炉内的沸腾氯化反应温度控制为540°C?600°C。
9.根据权利要求5所述的生产四氯化钛的方法，其特征在于，所述方法将碳化高炉渣在低温沸腾氯化炉的反应段内的停留时间控制为35min?45min。
【文档编号】C01G23/02GK103480306SQ201310403329
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】周艾然, 陆平, 王建鑫, 杜明 申请人:攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司