一种低温沸腾氯化系统

摘要

本发明提供了一种低温沸腾氯化系统。所述低温沸腾氯化系统包括低温沸腾氯化炉、进料装置和上排渣管，其中，低温沸腾氯化炉内设置有上下两组气体分布器，以从反应段的上部通入反应气体氯气和向炉底喷入流态化气体，进料装置用于向炉底内提供碳化渣，上排渣管设置在反应段的上部，碳化渣进入低温沸腾氯化炉炉底之后在流态化气体的作用下呈流化态并向上运动与氯气逆流接触发生氯化反应。本发明能够提高氯气的使用效率和碳化渣的氯化率并且能够实现连续生产、稳定排渣和大型化。

权利要求

1.一种低温沸腾氯化系统，其特征在于，所述低温沸腾氯化系统包括低温沸腾氯化炉、进料装置和上排渣管，所述低温沸腾氯化炉包括炉体，由炉体围成的炉体内腔，设置在所述炉体内腔中的第一气体分布器和第二气体分布器，以及设置在所述炉体上且与所述炉体内腔连通的上排渣口、加料口、氯气入口、排气口和流态化气体入口；

所述炉体由下至上被划分为炉底、反应段、连接段和沉降段；

所述上排渣口设置在所述反应段的上部，所述上排渣管与上排渣口连接；

所述排气口设置在所述沉降段的上部或顶部；

所述加料口设置在炉底或反应段下部；

所述进料装置设置在所述炉体之外并通过所述加料口向炉底提供碳化渣；

所述第一气体分布器通过管道与所述氯气入口连通，且用于从上方向所述反应段内提供氯气；

所述第二气体分布器通过管道与所述流态化气体入口连通，且用于向炉底喷入流态化气体；

所述碳化渣在流态化气体的作用下呈流化态并向上运动与所述氯气逆流接触发生氯化反应。

2.根据权利要求1所述的低温沸腾氯化系统，其特征在于，所述第一气体分布器包括用于使氯气沿所述炉体内腔横截面分布的第一气体分布管组件和设置在所述第一气体分布管组件靠近所述第二气体分布器一侧的管壁上的多个喷嘴，所述第二气体分布器包括用于使流态化气体沿所述炉体内腔横截面分布的第二气体分布管组件和设置在所述第二气体分布管组件远离所述第一气体分布器一侧的管壁上的多个喷嘴。

3.根据权利要求2所述的低温沸腾氯化系统，其特征在于，所述第一气体分布管组件和所述第二分布管组件均包括母管和与所述母管连通且呈同心环布置的多个支管。

4.根据权利要求1所述的低温沸腾氯化系统，其特征在于，所述第一气体分布器设置在所述低温沸腾氯化炉内固体物料的料层料面的上方0.25～0.5m处。

5.根据权利要求1所述的低温沸腾氯化系统，其特征在于，所述第二气体分布器设置在所述反应段和所述炉底的连接处。

6.根据权利要求1所述的低温沸腾氯化系统，其特征在于，所述加料口设置在所述反应段的下部并靠近所述第二气体分布器。

7.根据权利要求1所述的低温沸腾氯化系统，其特征在于，所述加料口和所述上排渣口沿所述炉体的周向相对设置。

8.根据权利要求1所述的低温沸腾氯化系统，其特征在于，所述低温沸腾氯化炉还包括设置在所述炉底底部且与所述炉体内腔连通的下排渣口。

9.根据权利要求8所述的低温沸腾氯化系统，其特征在于，所述低温沸腾氯化系统还包括下排渣管和吹扫装置，所述下排渣管包括与所述下排渣口连通的竖直段、向下倾斜设置的倾斜段以及用于连接所述竖直段和倾斜段的弯头，所述吹扫装置与所述弯头连通以通入吹扫气体。

10.根据权利要求1所述的低温沸腾氯化系统，其特征在于，所述低温沸腾氯化系统还包括与所述排气口连通的尾气处理系统。

说明书

一种低温沸腾氯化系统

技术领域

[0001] 本发明涉及低温沸腾氯化反应技术领域，更具体地讲，涉及一种用碳化高炉渣制取四氯化钛的低温沸腾氯化系统。

背景技术

[0002] 目前，全世界仅有攀钢在使用高钛型高炉渣(TiO2含量高达20～26wt％)提取四氯化钛的工艺，即“高炉渣高温碳化-低温选择氯化制取TiCl4”工艺，其是在电炉中用碳质还原剂对高钛型高炉渣进行高温还原碳化处理，将钛还原为碳化钛(TiC)，碳化处理后的高炉渣称为碳化渣(又称为碳化高炉渣)，然后将碳化渣进行低温选择性氯化，将碳化渣中的钛以TiCl4的形式提取出来。

[0003] 该工艺的低温氯化工序使用的氯化炉为空炉结构，即炉内除了设置在炉体下部的一个气体分布器外不存在任何内构件。具体地，现有的低温沸腾氯化炉包括炉体，炉体的上部设置有固体物料入口(即加料口)和气体出口，炉体的下部设置有渣料出口和气体分布器。固体物料(例如碳化渣)从加料口加入到炉体内部，反应气体(例如氯气)和流态化气体(例如氮气)通过气体分布器加入到炉体内部。固体物料在反应气体的流化作用下呈流3
化态并与反应气体反应。由于碳化渣的密度较大(2.0～2.2t/m)，有效成分较少致使炉内床层较高，这样的炉型结构会导致一些不足，比如扩散阻力过大、局部压力过大、炉体震动剧烈、原料停留时间短且分布不均，以及反应和传动的推动力下降等等，这些问题将会严重影响氯化生产的氯化率，造成大量氯气富余和氯化残渣，给生产系统和环境带来极大压力，并且大型化困难，亟需开发一种能够解决上述技术问题的低温沸腾氯化炉。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够提高氯气的使用效率和碳化渣的氯化率并且能够实现连续生产、稳定排渣和大型化的低温沸腾氯化系统。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种低温沸腾氯化系统。所述低温沸腾氯化系统包括低温沸腾氯化炉、进料装置和上排渣管，所述低温沸腾氯化炉包括炉体，由炉体围成的炉体内腔，设置在所述炉体内腔中的第一气体分布器和第二气体分布器，以及设置在所述炉体上且与所述炉体内腔连通的上排渣口、加料口、氯气入口、排气口和流态化气体入口；所述炉体由下至上被划分为炉底、反应段、连接段和沉降段；所述上排渣口设置在所述反应段的上部，所述上排渣管与上排渣口连接；所述进料装置设置在所述炉体之外并通过所述加料口向炉底提供碳化渣；所述排气口设置在所述沉降段的上部或顶部；所述第一气体分布器通过管道与所述氯气入口连通，且用于从上方向所述反应段内提供氯气；所述第二气体分布器通过管道与所述流态化气体入口连通，且用于向炉底喷入流态化气体；所述碳化渣在流态化气体的作用下呈流化态并向上运动与所述氯气逆流接触发生氯化反应。

[0006] 根据本发明低温沸腾氯化系统的一个示例性实施例，所述第一气体分布器可以包括用于使氯气沿所述炉体内腔横截面分布的第一气体分布管组件和设置在所述第一气体分布管组件靠近所述第二气体分布器一侧的管壁上的多个喷嘴，所述第二气体分布器可以包括用于使流态化气体沿所述炉体内腔横截面分布的第二气体分布管组件和设置在所述第二气体分布管组件远离所述第一气体分布器一侧的管壁上的多个喷嘴。

[0007] 根据本发明低温沸腾氯化系统的一个示例性实施例，所述第一气体分布管组件和所述第二分布管组件均可以包括母管和与所述母管连通且呈同心环布置的多个支管。

[0008] 根据本发明低温沸腾氯化系统的一个示例性实施例，所述第一气体分布器可以设置在所述低温沸腾氯化炉内固体物料的料层料面的上方0.25～0.5m处。

[0009] 根据本发明低温沸腾氯化系统的一个示例性实施例，所述第二气体分布器可以设置在所述反应段和所述炉底的连接处。

[0010] 根据本发明低温沸腾氯化系统的一个示例性实施例，所述加料口可以设置在所述反应段的下部并靠近所述第二气体分布器。优选地，所述加料口设置在第二气体分布器上方0.25m处。

[0011] 根据本发明低温沸腾氯化系统的一个示例性实施例，优选地，所述加料口和所述上排渣口沿所述炉体的周向相对设置。

[0012] 根据本发明低温沸腾氯化系统的一个示例性实施例，所述低温沸腾氯化炉还可以包括设置在所述炉底底部且与所述炉体内腔连通的下排渣口。

[0013] 根据本发明低温沸腾氯化系统的一个示例性实施例，所述低温沸腾氯化系统还可以包括下排渣管和吹扫装置，所述下排渣管包括与所述下排渣口连通的竖直段、向下倾斜设置的倾斜段以及用于连接所述竖直段和倾斜段的弯头，所述吹扫装置与所述弯头连通以通入吹扫气体。

[0014] 根据本发明低温沸腾氯化系统的一个示例性实施例，所述低温沸腾氯化系统还可以包括与所述排气口连通的尾气处理系统。

[0015] 根据本发明的低温沸腾氯化炉的一个实施例，所述反应段的内径可以为2.5～4m。

[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果包括：(1)摒弃传统通过从下方向反应段同时通入氮气和氯气的进气方式，而采用设置上下两组气体分布器，共同作用调整炉内原料停留时间和分布状况，氯气只做反应气体而不再参与作为碳化渣的流态化气体和提供上升动力，并且氯气能更充分均匀的与碳化渣接触，大大提升了氯气的利用率和碳化渣的氯化率。(2)Cl2的使用量较现有技术减少了48％，炉内物料床层高度较低，从而降低了炉内静压和扩散阻力，另外，形成的气泡较小，减小了因气泡爆裂而引起的炉体震动强度，同时抑制了气体的逆向返混，提高了传质、传热速率。(3)使用下部加料-上部和下部排渣相结合的方式，有利于氯化炉的连续运行，无需停氯停料排渣，系统能够更稳定地得到控制。(4)设置吹扫装置能够保证下排渣管排渣稳定流畅。(5)本发明中的能够实现沸腾氯化炉的大型化。

附图说明

[0017] 通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

[0018] 图1示出了本发明示例性实施例的低温沸腾氯化系统的主视结构示意图。

[0019] 图2示出了图1中第一气体分布器和管道连接关系的放大示意图。

[0020] 图3是图2中喷嘴的放大示意图。

[0021] 图4是图2的仰视图。

[0022] 附图标记说明：

[0023] 1、炉底，2、反应段，3、连接段，4、沉降段，5、排气管，6、第一气体分布器，6-1、十字母管，6-2支管，6-3喷嘴，7、第二气体分布器，8、原料仓，9、螺旋加料系统，10、上排渣管以及11、下排渣管。

具体实施方式

[0024] 在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的低温沸腾氯化系统。需要说明的是，本发明所说的碳化渣为含钛铁矿(例如钒钛磁铁矿)经高炉冶炼得到的高炉渣再经过碳化后形成，其中可含有10～14wt％的碳化钛(TiC)。

[0025] 图1是本发明示例性实施例的低温沸腾氯化系统的主视结构示意图。图2是图1中第一气体分布器和管道连接关系的放大示意图。图3是图2中喷嘴的放大示意图。图4是图2的仰视图。

[0026] 如图1所示，在本发明的一个示例性实施例中，该低温沸腾氯化系统包括低温沸腾氯化炉、进料装置、上排渣管10、下排渣管11、吹扫装置(未示出)。

[0027] 低温沸腾氯化炉包括炉体，由炉体围成的炉体内腔，设置在所述炉体内腔中的第一气体分布器6和第二气体分布器7以及设置在炉体上并与炉体内腔连通的上排渣口、下排渣口、加料口、氯气入口和流态化气体入口。该低温沸腾氯化炉的炉体由下至上被划分为炉底1、反应段2、连接段3和沉降段4，其中，反应段2的内径＜沉降段4的内径。反应段的内径可以为2.5～4m，在本实施例中，反应段2的内径为3.5m。

[0028] 加料装置设置在炉体之外，其包括原料仓8和螺旋加料系统9，加料装置通过加料口向炉底1输送碳化渣。

[0029] 上排渣管10与设置在反应段2上部的上排渣口连接，下排渣管11与设置在炉底1底部的下排渣口连接，用于排渣。其中，下排渣管11包括竖直段、倾斜段以及连接竖直段和倾斜段的弯头，其中，竖直段与下排渣口连通，倾斜段向下倾斜。吹扫装置与弯头连通并用于通入吹扫气体(例如氮气)，例如沿着图1中A箭头方向向上吹入氮气或向图1中的B箭头方向向倾斜段吹入氮气。

[0030] 第一气体分布器6设置在炉体内腔中并通过管道与氯气入口连通，其用于从上方向反应段2提供氯气。第二气体分布器7设置在炉体内腔中并通过管道与流态化气体入口连通，其向炉底喷入流态化气体(例如氮气)，碳化渣在流态化气体的作用下呈流化态并向上运动与氯气逆流接触发生氯化反应。在本实施例中，第一气体分布器6包括用于实现氯气沿炉体内腔横截面分布的第一气体分布管组件和设置第一气体分布管组件靠近第二气体分布器一侧的管壁上的多个喷嘴6-3，其中，第一气体分布管组件包括十字母管6-1和与十字母管6-1连通且呈同心环布置的多个支管6-2，例如2～4个，多个喷嘴均匀布置在支管6-2和十字母管6-1上，喷嘴6-3呈如图3所示的沙漏形状。第二气体分布器7与第一气体分布器6的结构类似，其包括用于实现流态化气体沿所述炉体内腔横截面分布的第二气体分布管组件和设置第二气体分布管组件远离第一气体分布器一侧的管壁上的多个喷嘴，第二气体分布管组件与第一气体分布管的结构相同。

[0031] 优选地，第一气体分布器6设置在低温沸腾氯化炉内固体物料的料层料面的上方0.25m～0.5m处，例如，如图1所示，第一气体分布器6设置在连接段5内并位于距离上排渣口0.5m处。第二气体分布器7设置在反应段2和炉底1的连接处。加料口可以设置在炉底或反应段下部，其中，当加料口设置在炉底时，不容易造成第二气体分布器的喷嘴堵塞，但是炉底内的物料容易导致加料口的堵塞；因而，优选地，可以将加料口设置在反应段下部并靠近第二气体分布器7，以避免加料口堵塞，并且，为了防止加料口送入的碳化渣物料在下落进入炉底时造成第二气体分布器的喷嘴堵塞，优选地，加料口设置在第二气体分布器7上方0.25m处，并且第二气体分布器7的喷嘴向下开设，以减少了氮气被加入物料堵塞的现象，另外，经实践表明，将加料口设置在反应段下部并靠近第二气体分布器，碳化渣下落进入炉底后，通常未到达炉底底面发生沉积就与流态化气体充分混分，折返向上运动，流态化效果较将加料口设置在炉底更好。另外，还可以将加料口和上排渣口沿炉体的周向相对设置，以增加新料在炉内的停留时间，保证物料氯化效果。炉底呈倒锥形。

[0032] 排气管5与设置在沉降段4的上部或顶部的排气口连通，用于排出氯化反应后的尾气(包括四氯化钛气体、过量的氯气、氮气)并将其输送至下一工序，例如，尾气处理系统。

[0033] 以下将结合附图详细描述采用上述低温沸腾氯化炉进行低温沸腾氯化的操作方式。

[0034] 具体地，首先，将碳化渣(含12wt％的TiC)通过加料装置送入炉体内腔中，加料速度控制为2000Kg/h，碳化渣从第二气体分布器7的第二气体分布管组件之间的间隙下落至炉底。通过第二气体分布器7向炉底喷入氮气，氮气进入炉底并与炉底的锥形侧壁接触后向上折返进入反应段2内形成均匀的流化气床，碳化渣在氮气的作用下呈流化态并形成一个个气泡，从炉底向炉顶运动，由于氯化炉从炉底到炉顶的炉体内径不断增大，而气体和其他物质逐步减少，因而从炉底向上压力不断减小，气泡逐渐变大，而在此过程中，氯气经过第一气体分布器6的作用向下进入到气泡场中，吹破气泡，促使炉内碳化渣分布均匀，并且与碳化渣充分接触，直接参与氯化反应。氯化反应产生的炉渣从上排渣管10溢流排出，而尾气从排气管5中排出。若只采用上排渣管进行排渣，如果遇到原料颗粒粒度较大或流化状况不好，淤积在炉体底部的大量氯化残渣和原料都无法排除，则会出现死炉、停炉现象造成巨大生产损失，而根据本发明，当上述情况发生或者当生产过程中渣量过大和上排渣管排渣不顺时，可以通过下排渣管11进行排渣，改善了单一上排渣方式的不足。上述低温沸腾氯化炉运行72小时，生产四氯化钛50t，碳化渣的氯化率达到92％。

[0035] 相对现有的沸腾氯化炉而言，本发明具有以下优势：

[0036] (1)现有氯化炉混合进气方式中，若氮气较小氯气量大则氯气过量且与物料接触不均匀，氯化率低，若氮气较大氯气较小则反应所需氯气不足同样氯化率低，因而正常生产时氯气通常是过量的，否则无法与物料充分混合，因此，氯化率始终低下。而根据本发明，摒弃传统通过从下方向反应段同时通入氮气和氯气的进气方式，而采用设置上下两组气体分布器，即上部通入反应气体氯气，下部通入流态化气体，共同作用调整炉内原料停留时间和分布状况，保证了单个炉体的产能，并且氯气只做反应气体，而不再参与作为碳化渣的流态化气体和提供上升动力，且氯气能更充分均匀的与碳化渣接触，大大提升了氯气的利用率和碳化渣的氯化率。

[0037] (2)Cl2的使用量较现有技术减少了48％，炉内物料床层高度较低，从而降低了炉内静压和扩散阻力，另外，形成的气泡较小，减小了因气泡爆裂而引起的炉体震动强度，同时抑制了气体的逆向返混，提高了传质、传热速率。

[0038] 其中，气泡较小是相对于传统氯化炉下方混合进气方式而言的，现有技术中的混合进气方式是氮气和氯气共同提升流化物料，保证物料流态化总进气量一定，气泡从下至上逐渐变大，直到碳化渣无法被包裹，气泡爆裂，而本申请采用氯气向下吹入的方式，在气泡变大爆裂之前就会把气泡吹破，故本申请形成的气泡相对较小，并减小了因气泡爆裂而引起的炉体震动强度。气体的逆向返混是由于现有氯化炉的Cl2过量而造成的，从底部吹入的Cl2未与物料充分接触反应就随生成的TiCl4和氮气一起进入后续的尾气处理系统，在尾气处理系统中过量的Cl2使碱液失效过快，导致尾气处理系统失效过快，较短时间内形成系统管道堵塞，整个系统的压力逐渐增加，这样有很多气体会被压回至氯化炉内，甚至反混入沸腾的物料中。而本申请采用上部通入反应气体氯气，下部通入流态化气体，氯气的使用量减少，有效地抑制了气体的逆向返混现象的发生。

[0039] (3)本发明改变传统的上部加料-底部排渣的方式，而使用下部加料-上部和下部排渣相结合的方式，有利于氯化炉的连续运行，无需停氯停料排渣，系统能够更稳定地得到控制。

[0040] (4)氯化残渣与从外部进入的水蒸汽接触生成有粘性的物质，很容易造成氯化残渣在下排料管的弯头处淤积堵塞，本发明设置吹扫装置可以有效吹动转角处的淤积残渣，使其顺利排出。

[0041] (5)国内的一般氯化炉直径在1.2～2m，大型化困难，本发明使其在大型化上没有传统工艺的障碍，炉体反应段直径可以达到2.5～4m。现有氯化炉采用的是从下方混合进气的方式，这种方式在实际生产中氯气无法与物料充分混合，氯化率在85～88％，总是有多余的氯气进入尾气系统，在大型化后富余的氯气量也会增多，尾气处理系统的负载增加，导致生产工艺毫无经济价值。本申请关键技术在于解决了氯气与物料的充分混合问题。氯化炉大型化后不会产生大量的富余氯气,提高物料的氯化率至92～98％。尾气处理系统的成本在可控范围内。

[0042] 尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。