一種含鈦原料的閃速懸浮氯化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種四氯化鈦合成工藝，特別涉及一種含鈦原料氯化制取粗四氯化鈦的方法，屬于化工領域。
【背景技術】
[0002]目前氯化鈦白行業氯化反應普遍采用流態化氯化工藝，其采用的氯化反應爐的基本結構為:由爐體、氣流分布器、加料器、排渣器組成，爐體由爐頂、爐身和爐底三部分組成。在含鈦原料制取粗四氯化鈦過程中，含炭燃料和高鈦渣通過混料機混合，通過加料螺旋機進入氯化爐爐體，氯氣由爐體底部通入爐體，通過控制氯氣的流速使固體顆粒懸浮，達到流態化狀態。反應后爐渣由爐底排出，爐氣由爐頂出口排到旋風收塵器。
[0003]在液態化氯化反應爐中，氯氣為流體和氯化劑，使高鈦渣和石油焦的混合料在沸騰爐內處于懸浮狀態，高溫下通過氯化反應抽取四氯化鈦。該設置對于氯化反應中的含鈦原料中二氧化鈦的質量分數要求較高，一般需要質量百分數大于92%的二氧化鈦才能夠滿足實際的氯化反應需求[1]。
[0004]在生產實踐中，當含鈦原料中CaO、MgO含量偏高時，氯化反應生成的CaCl2、MgCl2在氯化反應操作溫度條件下呈現出熔融體，熔融體粘結固體粉狀物料，改變流態化物料的粒徑范圍，惡化流態化操作環境，影響氯化反應的正常進行。攀西(攀枝花-西昌)地區的鈦資源十分豐富，該地區的釩鈦磁鐵礦中含有大約8%?10%的Ti02。上游廠商經過初步加工生產的含鈦原料中二氧化鈦含量基本保持在80%的水平，不能適應目前的氯化工藝，容易出現生產停車事故。為此，國內氯化鈦白粉生產廠家采用的含鈦原料要求CaO+MgO含量小于1.6%，這種高品質含鈦原料基本依靠進口，國內攀西地區生產的含鈦原料基本不能適應目前的氯化工藝。因此，有必要開發適應高雜質含鈦原料氯化反應的氯化工藝。
[0005]參考文獻1:劉立文，四氯化鈦生產工藝探討，《無機鹽工業》，2013，第45卷第2期。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服現有技術中所存在的上述不足，提供一種適應高雜質含鈦原料氯化反應的氯化工藝。解決現有流態化氯化技術對含鈦原料雜質指標的要求嚴格的問題，使我國攀西地區含鈦原料能夠適用于氯化法鈦白粉工藝。
[0007]為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案:
一種含鈦原料氯化生產四氯化鈦的方法，包括以下步驟:
(I)使用具有反應腔室和排空腔室的反應爐進行反應，所述反應腔室和排空腔室中間用隔板隔開，底部連通，形成U形連通結構。
[0008](3)在反應腔室內形成還原性氣氛條件，將含鈦原料用氯氣作為載氣從反應腔室的頂部或頂側噴入反應腔室內，保持含鈦原料和氯氣在反應爐內形成穩定懸浮狀，控制其溫度穩定在500~1200°C下反應。
[0009](4)在反應爐的底部設置有排渣口，反應中產生的固態粉狀物和熔融粘結雜質成分從排渣口排出，從排空腔室的頂部出口收集生成的四氯化鈦產物。
[0010]所述還原性氣氛條件是用非氧化性氣體作為載體噴入含炭燃料進行耗氧反應。
[0011]所述含鈦原料二氧化鈦的含量為大于70%，氧化I丐和氧化鎂含量小于5.0%(重量)。
[0012]所述含鈦原料和含炭燃料細度小于40目。
[0013]所述步驟(3)反應腔室內控制溫度穩定為600~800°C，反應腔室內氣壓為20~40kPa (絕對壓強)。
[0014]本發明合成四氯化鈦的方法，可以有效的保證含鈦原料與氯氣在爐內形成了穩定的懸浮狀，彼此之間擁有充分的氣固接觸面積和時間，滿足了含鈦原料的氯化反應動力學條件，爐底反應料渣排出爐外順暢，沒有發生堵塞現象，氯化反應設備運行周期長，含鈦原料中鈦收率達到現有氯化鈦白工藝的技術指標。含鈦原料和氯氣充分反應后生成的爐氣，包括TiC14、FeC13、FeC12、C02、CO等，通過煙道初步降塵以后，含有粗TiC14的爐氣進入后續處理工段，同時生成的固體廢渣落入氯化爐底部，廢渣從出渣口排出爐外。所述耗氧反應是指還原性炭粒在高溫條件下和氣氛中的氧化性物質反應生成一氧化碳和/或二氧化碳的情況。
[0015]實驗的技術指標表明，由該氯化工藝制取的粗四氯化鈦質量接近或達到現有沸騰氯化工藝生產粗四氯化鈦的指標，解決了現有沸騰氯化工藝的諸多問題，體現該新型氯化工藝的優越性。
[0016]進一步，還包括步驟(2):向反應腔室內噴入燃料和空氣，點火燃燒，使反應腔室升溫至550~1000°C。向反應腔室內噴入含炭燃料使之被點燃，同時停止噴入其它燃料，升溫至600~1200°C，實現還原性氣氛條件。停止向爐內噴入空氣，同時從反應腔室的頂部向反應腔室內噴入含鈦原料和氯氣進行反應。步驟(2)為四氯化鈦閃速反應過程的啟動方式，利用形成還原性氣體燃料和空氣中的氧氣發生燃燒快速的提升反應腔室內的溫度，使其滿足四氯化鈦合成過程中所需要達到的溫度條件。
[0017]進一步，排空腔室的頂部出口的尾氣含一氧化碳3_20%(V/V)。控制尾氣中一氧化碳的含量是對于反應室內還原性氣氛的間接保障，確保二氧化鈦在反應腔室內被充分氯化轉化。反應爐內溫度和還原性氣氛通過爐內保溫噴嘴向爐內噴入含炭燃料實現，噴入爐內的含炭燃料細度小于40目，含炭燃料噴入載氣為非氧化性氣體，如氮氣等，含炭燃料也可以和含鈦原料混合以后通過旋流分散噴嘴噴入閃速氯化爐內。
[0018]—種用于實現上述氯化反應的反應爐，包括立式爐體，所述立式爐體中間設置有一隔板將爐腔分隔成反應腔室和排空腔室。反應腔室和排空腔室下部是連通的，兩者形成U形流道。錐形爐底，所述錐形爐底設置在立式爐體的底部，錐形爐底具有排渣口。排氣煙道，排氣煙道設置在排空腔室的上部。旋流分散噴嘴，所述旋流分散噴嘴安裝在反應腔室的頂部，用于向立式爐體內的反應腔室噴入氯氣和含鈦原料。爐內保溫噴嘴，所述爐內保溫噴嘴安裝在反應腔室的頂部或者側部，用于向反應腔室噴入燃料和/或炭粒。
[0019]進一步，所述反應爐是用于生產四氯化鈦的懸浮氯化爐，也可以稱之為閃速懸浮氯化爐，包括立式爐體、錐形爐底、排氣煙道、旋流分散噴嘴、爐內保溫噴嘴、爐底排渣機，旋流分散噴嘴設在立式爐體頂部，以便從立式爐體頂部向爐腔內噴入含鈦原料和氯氣，在爐腔內形成懸浮氯化反應帶，避免反應生成的熔融體堵塞噴嘴，爐內保溫噴嘴安裝在立式爐體的側壁上，并且噴嘴方向傾斜向下，立式爐體、錐形爐底和排氣煙道相互連通，錐形爐底安裝有爐底排渣機，用于把反應生成的渣和未燃燒完全的含炭燃料等渣排出爐外，排氣煙道是粗TiCl4排出氯化反應爐的通道，同時也是對反應產物中的固相進行初步沉降分離。所述立式爐體是發生懸浮反應的腔室，其橫截面型式為圓形、橢圓、正方向、矩形、多邊形等。
[0020]進一步，所述排空腔室是粗11(:14的粗產品的排出通道，同時也是粗TiCl 4和氣相中的渣進行初步分離的沉降設備。
[0021]進一步，在錐形爐底具有儲料空間。儲料空間與反應腔室和排空腔室相連通。
[0022]進一步，排空腔室比反應腔室的更低。排空腔室處于較低的位置，同時反應腔室也就處于較高的位置，反應腔室中噴入的氯氣和含鈦原料是從上向下流動并發生還原反應的，反應腔室具有較長的向流道，可以保證反應的充分。同時，排空腔室處于較低的位置可以保證排體的氣體溫度降低控制在適宜的范圍內，使產物能夠完全以氣態排出。
[0023]進一步，所述旋流分散噴嘴安裝在立式爐體的頂部，以便從立式爐體頂部向懸浮反應腔室噴入氯氣和含鈦原料，含炭燃料或其他炭質燃料也可以和含鈦原料分別計量后，喂送到旋流分散噴嘴，通過噴嘴噴入到懸浮反應腔室。
[0024]進一步，所述旋流分散噴嘴的結構包括外管和設置在外管內的芯管，所述外管用于輸送含鈦原料，芯管用于輸送氯氣；外管的噴出含鈦原料的一端伸入反應腔室內，且該端頭孔徑較其余部分縮小；芯管的氯氣輸出端頭設置在外管端頭靠后的位置。當旋流分散噴嘴向反應腔室噴入含鈦原料和氯氣時，外管中的含鈦原料先是和芯管輸送的氯氣先在外管端頭部分混合，然后混合物料在外管端頭結構縮小作用下實現壓縮，經過壓縮的混合物料具有較高的壓力，在噴入反應腔室的瞬間快速膨脹開，達到高效反應的目的。
[0025]進一步，所述旋流分散噴嘴的外管外部還設置有氯氣輸送套管，氯氣輸送套管和外管結構相似，具有端頭孔徑縮小的特點。氯氣輸送套管(簡稱套管)是氯氣增補噴入結構，可以根據反應的物料比例需要調整補充輸送的氯氣量。因為，芯管和外管的結構主要是使氯氣和含鈦原料初步混合并有效壓縮，在兩者混合壓縮的過程中比例相對比較穩定，所以，當實際生產中需要調整兩者的摩爾比時，則較為困難。采用需要套管補充氯氣的結構，可以適當的減少芯管輸送氯氣的總量，通過套管補充輸入氯氣實現一定范圍內的摩爾比例連續調節，實現反應過程中的動態監控和調整效果，增加反應的效率。
[0026]進一步，所述氯氣輸送套管具有螺旋導流結構，氯氣在其中流動的時能夠自發的形成螺旋狀流態。雖然，芯管和外管的配合作用下實現了含鈦原料和氯氣的初步混合壓縮，能夠在噴入反應腔室時自動膨脹實現高效混合反應的作用，但是后續補充氯氣主要是在混合物料的外周，設置螺旋導流結構，可以