一种循环氯化生产四氯化钛的方法和设备

摘要

本发明提供了一种循环氯化生产四氯化钛的方法及设备。所述设备包括氯化炉、旋风分离装置、接料装置和高压喷吹装置，氯化炉具有炉体及设置在炉体下部的第一气体入口、设置在炉体上部的第一原料入口和设置在炉体顶部的第一气体出口，其中，旋风分离装置包括第二气体入口、第二气体出口和物料出口，第二气体入口与第一气体出口连通；接料装置包括接料口、第二原料入口、第三气体入口和物料输送管，接料口与旋风分离装置的物料出口通过管道连通，物料输送管与氯化炉的炉体连通；高压气体喷出装置向第三气体入口提供高压气体。本发明能够有效利用细粒级钛原料，能够提高固体原料的利用率，能够降低原料成本，能够减少固体废弃物的排放。

权利要求

1.一种循环氯化生产四氯化钛的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在含氯气的气体流通的状态下，将第一原料以流化状态装入氯化炉，其中，所述第一原料由粗颗粒钛原料和碳质还原剂组成，所述粗颗粒钛原料由金红石和/或高钛渣构成且其中粒径为150μm～250μm的占90％以上；

在氯化炉中，钛元素发生加碳氯化反应生成四氯化钛气体；

对从氯化炉中排出的夹带扬析颗粒的四氯化钛气体进行旋风分离，以沉降回收所述扬析颗粒；

将所述扬析颗粒与第二原料混合后，通过高压气体喷射进入氯化炉的底部，其中，所述第二原料由70～75重量份的细颗粒钛原料和25～30重量份的碳质还原剂组成，所述细颗粒钛原料金红石和/或高钛渣构成且其中粒径为50μm～178μm占95％以上，并且所述第二原料与扬析颗粒的质量比为1～1.5：1，经过高压气体喷射进入氯化炉中的扬析颗粒和细颗粒原料的质量之和不超过加入氯化炉中的粗颗粒原料质量的1/4，所述方法还包括对从氯化炉中排出的夹带扬析颗粒的四氯化钛气体进行保温，以及在进行所述旋风分离的同时进行保温，以使旋风分离得到的四氯化钛气体的温度不低于

850℃。

2.根据权利要求1所述的循环氯化生产四氯化钛的方法，其特征在于，所述旋风分离的步骤控制空塔气速为1.2m/s～1.5m/s。

3.根据权利要求1所述的循环氯化生产四氯化钛的方法，其特征在于，所述钛元素发生加碳氯化反应的步骤中，料层顶部温度为900℃～1000℃，压力为正压100Pa～200Pa，料层高度为2.5m～3m。

4.根据权利要求3所述的循环氯化生产四氯化钛的方法，其特征在于，所述方法将氯化炉的料层顶部的空塔气速控制为0.45m/s～0.55m/s。

5.根据权利要求1所述的循环氯化生产四氯化钛的方法，其特征在于，所述氯化炉为直筒型流态化氯化炉。

6.一种循环氯化生产四氯化钛的设备，所述设备包括氯化炉，所述氯化炉具有炉体以及设置在炉体下部的第一气体入口、设置在炉体上部的第一原料入口和设置在炉体顶部的第一气体出口，其特征在于，所述设备还包括旋风分离装置、接料装置、高压喷吹装置和保温装置，其中，所述旋风分离装置包括第二气体入口、第二气体出口和物料出口，所述第二气体入口与所述第一气体出口通过管道连通；

所述接料装置包括接料口、第二原料入口、第三气体入口和物料输送管，所述接料口与所述旋风分离装置的物料出口通过管道连通，所述物料输送管与所述氯化炉的炉体连通；

所述高压气体喷出装置向所述第三气体入口提供高压气体；

所述保温装置包覆在旋风分离装置以及连通第二气体入口与所述第一气体出口的管道上，以使旋风分离得到的四氯化钛气体的温度不低于850℃。

7.根据权利要求6所述的循环氯化生产四氯化钛的设备，其特征在于，所述氯化炉为直筒型流态化氯化炉。

8.根据权利要求6所述的循环氯化生产四氯化钛的设备，其特征在于，所述设备还包括设置在连通所述接料口与所述物料出口的管道上的第一阀门、设置在第二原料入口上的第二阀门、设置在第三气体入口的第三阀门以及设置在物料输送管上的第四阀门。

说明书

一种循环氯化生产四氯化钛的方法和设备

技术领域

[0001] 本发明涉及四氯化钛制备技术领域，具体来讲，涉及一种以沸腾氯化的方式循环生产四氯化钛的方法和设备。

背景技术

[0002] 通常，四氯化钛作为钛产业重要的中间原料，通常主要用于海绵钛及氯化法钛白的生产。目前，制备四氯化钛的工艺主要有熔盐氯化和沸腾氯化两种。

[0003] 相比较而言，熔盐氯化存在废盐量大、固废难处理、操作不稳定和产能低等缺点，沸腾氯化目前已成为国际国内生产四氯化钛的主流工艺技术。在国外，各企业均使用钙镁含量较低的粗颗粒高钛渣作为钛原料，并通过配加20%～40%的天然金红石来优化沸腾氯化工艺。而在国内，由于天然金红石成本较高以及低钙镁高钛渣中间产品稀缺，沸腾氯化生产原料供应一直存在部分缺口，需要外购满足现有产能。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于解决上述现有技术存在的不足中的至少一项。

[0005] 例如，本发明的目的之一在于提供一种能够有效利用细颗粒钛原料（例如，粒径为50μm～178μm占95%以上或粒径为50μm～140μm占90%以上）来生成四氯化钛的方法。

[0006] 本发明的另一目的在于提供一种能够提高钛原料的利用率的方法及设备。

[0007] 本发明的一方面提供了一种循环氯化生产四氯化钛的方法，所述方法包括以下步骤：在含氯气的气体流通的状态下，将第一原料以流化状态装入氯化炉，其中，所述第一原料由粗颗粒钛原料和碳质还原剂组成，所述粗颗粒钛原料由金红石和/或高钛渣构成且其中粒径为150μm～250μm的占90%以上；在氯化炉中，钛元素发生加碳氯化反应生成四氯化钛气体；对从氯化炉中排出的夹带扬析颗粒的四氯化钛气体进行旋风分离，以沉降回收所述扬析颗粒；将所述扬析颗粒与第二原料混合后，通过高压气体喷射进入氯化炉的底部，其中，所述第二原料由70～75重量份的细颗粒钛原料和25～30重量份的碳质还原剂组成，所述细颗粒钛原料金红石和/或高钛渣构成且其中粒径为50μm～178μm占95%以上，并且所述第二原料与扬析颗粒的质量比为1～1.5：1，经过高压气体喷射进入氯化炉中的扬析颗粒和细颗粒原料的质量之和不超过加入氯化炉中的粗颗粒原料质量的1/4。其中，这主要因为系统内颗粒发生缩核反应，直径变小产生扬析现象，扬析颗粒粒径为20μm～74μm，最高占粗颗粒的12%。

[0008] 本发明的另一方面提供了一种循环氯化生产四氯化钛的设备，所述设备包括氯化炉、旋风分离装置、接料装置和高压喷吹装置，所述氯化炉具有炉体以及设置在炉体下部的第一气体入口、设置在炉体上部的第一原料入口和设置在炉体顶部的第一气体出口，其中，所述旋风分离装置包括第二气体入口、第二气体出口和物料出口，所述第二气体入口与所述第一气体出口通过管道连通；所述接料装置包括接料口、第二原料入口、第三气体入口和物料输送管，所述接料口与所述旋风分离装置的物料出口通过管道连通，所述物料输送管与所述氯化炉的炉体连通；所述高压气体喷出装置向所述第三气体入口提供高压气体。

[0009] 本发明的优点包括以下内容中的至少一项：能够有效利用细粒级钛原料，能够提高固体原料的利用率，能够降低原料成本，能够减少固体废弃物的排放。

附图说明

[0010] 图1示出了根据本发明示例性实施例的循环氯化生产四氯化钛设备的结构示意图。

具体实施方式

[0011] 在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的循环氯化生产四氯化钛的方法和设备。

[0012] 根据本发明一方面的循环氯化生产四氯化钛的方法包括以下步骤：

[0013] 在含氯气的气体流通的状态下，将第一原料以流化状态装入氯化炉；在氯化炉中，钛元素发生加碳氯化反应生成四氯化钛气体；对从氯化炉中排出的夹带扬析颗粒（例如，其粒径可以为50μm～74μm）的四氯化钛气体进行旋风分离，以沉降回收扬析颗粒；将扬析颗粒与第二原料混合后，通过高压气体喷射进入氯化炉的底部，并且第二原料与扬析颗粒的质量比为1～1.5：1，经过高压气体喷射进入氯化炉中的扬析颗粒和细颗粒原料的质量之和不大于加入氯化炉中的粗颗粒原料质量的25%。这能够在保证细颗粒反应完全的情况下，避免因细颗粒过多而恶化炉况。一旦炉内细颗粒过多，将造成颗粒的粒子团聚死炉。

[0014] 在本发明中，第一原料由粗颗粒钛原料和碳质还原剂组成，粗颗粒钛原料由金红石（包括人造金红石和天然金红石）和/或高钛渣构成且其中粒径为150μm～250μm的占90%以上。此外，第一原料的成分配比可以根据钛元素的加碳氯化反应来确定。第二原料由70～75重量份的细颗粒钛原料和25～30重量份的碳质还原剂组成，细颗粒钛原料金红石（包括人造金红石和天然金红石）和/或高钛渣构成且其中粒径为50μm～178μm占
95%以上，优选地，其粒径为50μm～140μm占90%以上。例如，本发明所使用的细颗粒钛原料可以为由钒钛磁铁矿采选矿后所得的含钛尾矿（其粒径分布为50μm～178μm占95%以上）经盐酸浸蚀得到的颗粒粒径维持不变、形貌多沟壑且TiO2品位高于85%的含钛原料（在本发明中，将该含钛原料归为人造金红石）。

[0015] 在本发明的方法中，第一原料中的钛元素存在三种去向，发生反应生成气相TiCl4，缩核成极细颗粒无法收集从而进入后系统，少部分留在炉内当炉渣定期排出。

[0016] 在本发明循环氯化生产四氯化钛的方法的一个示例性实施例中，优选地，在旋风分离的步骤，控制旋风分离装置空塔气速为1.2m/s～1.5m/s。这样能够有效避免夹带扬析颗粒的四氯化钛气体中所含有的以气相或液相形式存在的诸如MgCl2、FeCl2、FeCl3以及AlCl3等金属氯化物在旋风分离步骤中沉降下来，而且能够增强扬析颗粒的沉降效果。

[0017] 在本发明循环氯化生产四氯化钛的方法的一个示例性实施例中，本发明的方法还可包括对从氯化炉中排出的夹带扬析颗粒的四氯化钛气体进行保温，以及在进行旋风分离的同时进行保温，以使旋风分离得到的四氯化钛气体的温度不低于880℃，从而旋风分离得到的四氯化钛气体能够便于后续工艺使用。

[0018] 在本发明循环氯化生产四氯化钛的方法的一个示例性实施例中，在钛元素发生加碳氯化反应的步骤中，优选地，将料层顶部温度控制为900℃～1000℃，压力控制为正压100Pa～200Pa，料层高度控制为2.5m～3m，从而能够进一步提高氯化反应对粗颗粒钛原料以及氯气的利用率。

[0019] 图1示出了根据本发明示例性实施例的循环氯化生产四氯化钛设备的结构示意图。

[0020] 如图1所示，根据本发明另一方面的循环氯化生产四氯化钛设备包括氯化炉、旋风分离装置（即，图1中的旋风分离器）、接料装置（即，图1中的接料罐）和高压喷吹装置（图1未示出）。

[0021] 其中，氯化炉具有炉体以及设置在炉体下部的第一气体入口（即，含有氯气的气体入口，主要用于向炉体内提供氯气和能够使炉体内的物料流态化的气体，例如，可以为氯气和氮气的混合气体）、设置在炉体上部的第一原料（即，图1中的粗颗粒原料）入口和设置在炉体顶部的第一气体出口（即，氯化反应物产物出口）。旋风分离装置包括第二气体入口、第二气体出口和物料出口，第二气体入口与第一气体出口通过管道连通以接纳从氯化炉中排出的夹杂有扬析颗粒的四氯化钛气体。接料装置包括接料口、用于接收第二原料的第二原料（即，图1中的钛原料）入口、第三气体（即，图1中的氮气）入口和物料输送管，接料口与旋风分离装置的物料出口通过管道连通，以接收夹杂有扬析颗粒的四氯化钛气体经旋风分离后得到的扬析颗粒，物料输送管与氯化炉的炉体连通，从而能够将经过调配后的第二原料与扬析颗粒的混合料输送至氯化炉内。高压气体喷出装置向第三气体入口提供高压气体，从而能够为由第二原料与扬析颗粒形成的混合料提供动力，使其喷射入氯化炉内。

[0022] 这里，氯化炉可以为直筒型流态化氯化炉，而不使用传统的三段式结构（例如，反应段、扩大段和沉降段）的氯化炉。由于本发明后续设置的旋风分离步骤和细颗粒回收利用步骤能够很好地与直筒型流态化氯化炉配合，所以在本发明中，通过采用直筒型流态化氯化炉，能够在确保氯化反应的效果的情况下，大大降低氯化炉及相关厂房的设备投资，而且有利于氯化炉系统的温度和流态化状态控制。

[0023] 在本发明的循环氯化生产四氯化钛设备的一个示例性实施例中，本发明的设备还可以包括包覆在旋风分离装置以及连通第二气体入口与第一气体出口的管道上的保温装置（未示出）。此外，本发明的设备还可以包括设置在连通接料口与物料出口的管道上的第一阀门（即，图1中的阀门1）、设置在第二原料入口上的第二阀门（即，图1中的阀门2）、设置在第三气体入口的第三阀门（即，图1中的阀门3）以及设置在物料输送管上的第四阀门（即，图1中的阀门4）。另外，本发明的设备还可包括设置在接收罐上部的第三气体排出管道和第五阀门（即，图1中的阀门5）。

[0024] 示例1

[0025] 本示例使用图1所示的装置来进行。

[0026] 第一原料由70重量份粗颗粒钛原料（其粒径分布为150μm～250μm的占90%以上）和30重量份石油焦组成。第二原料由70重量份的细颗粒钛原料和30重量份的碳质还原剂组成，这里，细颗粒钛原料为由钒钛磁铁矿采选矿后所得的含钛尾矿（其粒径分布为50μm～178μm占95%以上）经盐酸浸蚀得到的颗粒粒径维持不变、形貌多沟壑且TiO2品位高于85%的含钛原料。

[0027] 在含氯气的气体供入直筒型氯化炉的情况下，将第一原料以流化状态从第一原料入口装入氯化炉。在氯化炉中，钛元素发生加碳氯化反应生成四氯化钛气体；对从氯化炉的第一气体出口中排出的夹带扬析颗粒的四氯化钛气体进行旋风分离，以沉降回收扬析颗粒。将1重量份的扬析颗粒与1.5重量份的第二原料混合后，通过高压气体喷射进入氯化炉的底部，经过高压气体喷射进入氯化炉中的扬析颗粒和细颗粒钛原料的质量之和占加入氯化炉中的粗颗粒钛原料质量的20%。

[0028] 经检测，本示例中对于钛原料中钛元素的利用率为98%。

[0029] 示例2

[0030] 本示例使用图1所示的装置来进行。

[0031] 第一原料由72重量份的粗颗粒钛原料（其粒径分布为150μm～250μm的占90%以上）和28重量份的石油焦组成。第二原料由72重量份的细颗粒钛原料和28重量份的碳质还原剂组成，这里，细颗粒钛原料为由钒钛磁铁矿采选矿后所得的含钛尾矿（其粒径分布为50μm～140μm占90%以上）经盐酸浸蚀得到的颗粒粒径维持不变、形貌多沟壑且TiO2品位高于85%的含钛原料。

[0032] 在含氯气的气体供入直筒型氯化炉的情况下，将第一原料以流化状态从第一原料入口装入氯化炉。在氯化炉中，钛元素发生加碳氯化反应生成四氯化钛气体，这里，将料层顶部温度控制为950±10℃，压力控制为正压150±10Pa，料层高度控制为2.7±0.2m；对从氯化炉的第一气体出口中排出的夹带扬析颗粒的四氯化钛气体进行旋风分离，以沉降回收扬析颗粒。将1重量份的扬析颗粒与1.2重量份的第二原料混合后，通过高压气体喷射进入氯化炉的底部，经过高压气体喷射进入氯化炉中的扬析颗粒和细颗粒钛原料的质量之和占加入氯化炉中的粗颗粒钛原料质量的21%。

[0033] 经检测，本示例中对于钛原料中钛元素的利用率为96%。

[0034] 示例3

[0035] 本示例使用图1所示的装置来进行。

[0036] 第一原料由73重量份的粗颗粒钛原料（其粒径分布为150μm～250μm的占90%以上）和27重量份的石油焦组成。第二原料由75重量份的细颗粒钛原料和25重量份的碳质还原剂组成，这里，细颗粒钛原料为由钒钛磁铁矿采选矿后所得的含钛尾矿（其粒径分布为50μm～140μm占90%以上）经盐酸浸蚀得到的颗粒粒径维持不变、形貌多沟壑且TiO2品位高于85%的含钛原料。

[0037] 在含氯气的气体供入直筒型氯化炉的情况下，将第一原料以流化状态从第一原料入口装入氯化炉。在氯化炉中，钛元素发生加碳氯化反应生成四氯化钛气体，这里，将料层顶部温度控制为920±10℃，压力控制为正压180±10Pa，料层高度控制为2.8±0.2m；对从氯化炉的第一气体出口中排出的夹带扬析颗粒的四氯化钛气体进行旋风分离，以沉降回收扬析颗粒。将1重量份的扬析颗粒与1重量份的第二原料混合后，通过高压气体喷射进入氯化炉的底部，经过高压气体喷射进入氯化炉中的扬析颗粒和细颗粒钛原料的质量之和占加入氯化炉中的粗颗粒钛原料质量的22%。

[0038] 经检测，本示例中对于钛原料中钛元素的利用率为95%。

[0039] 示例4

[0040] 本示例使用图1所示的装置来进行。

[0041] 第一原料由75重量份的粗颗粒钛原料（其粒径分布为150μm～250μm的占90%以上）和25重量份的石油焦组成。第二原料由72重量份的细颗粒钛原料和28重量份的碳质还原剂组成，这里，细颗粒钛原料为由钒钛磁铁矿采选矿后所得的含钛尾矿（其粒径分布为50μm～140μm占90%以上）经盐酸浸蚀得到的颗粒粒径维持不变、形貌多沟壑且TiO2品位高于85%的含钛原料。

[0042] 在含氯气的气体供入直筒型氯化炉的情况下，将第一原料以流化状态从第一原料入口装入氯化炉。在氯化炉中，钛元素发生加碳氯化反应生成四氯化钛气体，这里，将料层顶部温度控制为980±10℃，压力控制为正压120±10Pa，料层高度控制为2.6±0.1m；对从氯化炉的第一气体出口中排出的夹带扬析颗粒的四氯化钛气体进行旋风分离，以沉降回收扬析颗粒。将1重量份的扬析颗粒与1重量份的第二原料混合后，通过高压气体喷射进入氯化炉的底部，经过高压气体喷射进入氯化炉中的扬析颗粒和细颗粒钛原料的质量之和占加入氯化炉中的粗颗粒钛原料质量的24%。

[0043] 经检测，本示例中对于钛原料中钛元素的利用率为92%。

[0044] 综上所述，本发明提供的由细粒级人造金红石生产四氯化钛的方法，通过改变现有炉型结构、增加旋风回收、高压气流入炉的方式进行循环氯化，即将现有三段式氯化炉（包括反应段、扩大段和沉降段）改为直筒式氯化炉。具体来讲，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0045] （1）本发明使用的旋风分离回收超细颗粒-细颗粒混合-炉底加料工艺可以使得细颗粒在氯化炉料层内部向上运动过程中，不断发生氯化反应，从而能够得到有效利用。

[0046] （2）本发明使用细颗粒钛原料来源于钒钛磁铁矿采选矿后所得的含钛尾矿，颗粒粒径分布为50μm～178μm占95%以上，经过盐酸浸蚀得到人造金红石，其颗粒粒径维持不变，多沟壑。此种方式提高了钒钛磁铁矿中钛元素资源的综合利用率，且直接用于生产高端氯化法钛白的中间原料TiCl4。

[0047] （3）本发明使用的氯化炉采用直筒型，改变了现有的三段式结构，大大降低了氯化炉及相关厂房的设备投资。另外，直筒型也有利于氯化炉系统的温度和流态化状态控制。

[0048] （4）本发明采用选风分离器收集回收氯化炉扬析颗粒，再返回氯化炉继续使用，提高了粗颗粒原料的利用率，例如，从通常90%左右提高到98%左右。

[0049] （5）本发明使用高钛渣和金红石两种钛原料，能有效中和高钛渣体系的系统余热和金红石体系的系统欠热，为系统稳定在最佳温度起到调节作用。

[0050] 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。