五氧化二钒厂设计(engineering design of vanadium pentoxide plant)

以各种含钒物质为原料，采用钠化氧化焙烧或直接酸浸等方法生产工业五氧化二钒产品的稀有金属冶炼厂设计。重要的含钒原料有钒渣、钒铁矿、钾钒铀矿、钒酸盐矿、绿硫钒矿、钒云母等矿物以及磷酸盐工业副产含钒磷铁、燃烧含钒有机矿物(煤、石油等)的飞灰、灰渣和石油工业的废催化剂等。

简史 钒的工业化生产是在1882年用低温盐酸处理法，从含1．1％钒的酸性转炉渣中制得钒开始的，数十年后才在冶金工业中得到了发展。1906年秘鲁的高品位绿硫钒矿被发现后，美国进行开采冶炼达50年之久，其产量占这一时期世界总产量的四分之一。美国在国内主要从钾钒铀矿中生产钒产品。1955年芬兰开始从磁铁矿中生产五氧化二钒。1957年南非也从钛磁铁矿中生产钒渣和五氧化二钒。苏联在1936年从贫钒铁矿中先获得钒渣，然后再制取钒产品。在20世纪60～80年代，美国、加拿大、日本和秘鲁等国又先后从石油灰及废催化剂中开始五氧化二钒的回收。

中国五氧化二钒生产始于40年代的锦州铁合金厂，开始以钒精矿为原料，后改用钒渣。60年代初，中国自行设计的五氧化二钒生产车间在上海建成。70年代前后，随着钒资源的不断增加，相继在四川、江苏、河北、湖南等地陆续建成以钒渣为原料的新厂。70～80年代，利用中国南方丰富的含钒石煤资源，又建设了一些地方小型石煤提钒厂。

设计规模与产品方案 20世纪90年代初，仅工业发达国家五氧化二钒(包括钒渣)的生产能力即达55000t／a左右，其最大五氧化二钒工厂生产能力约为8000t／a，一般工厂生产规模在2000～5000t／a。

中国钒产品分为冶金级V₂O₅99、V₂O₅98和化工级V₂O₅97三个牌号。冶金用V₂O₅为片状，片径不大于55mm×55mm，厚度不大于5mm；化工用五氧化二钒为分解后的自然粉状。其他还有化学纯或高纯五氧化二钒产品。生产五氧化二钒过程中的中间产品偏钒酸铵或多钒酸铵亦可在干燥后作为产品出售。此外还可利用同一流程生产其他钒化合物。

工艺流程选择 由于钒原料种类复杂多样，生产工艺流程亦有所不同。但主要的工艺流程仍不外钠化氧化焙烧法和酸浸法两种基本方法。

(1)钠化氧化焙烧法。使原料中的钒转化为可溶性钒酸钠的方法，多用于处理含钒铁精矿或钒渣。钒渣为以含钒铁矿炼钢过程中产出的副产物，在进行焙烧之前须经破碎磨细、磁选除铁。用含钒铁精矿作原料时，一般采用与钠盐添加剂混合制团的方法，添加剂常用食盐、硫酸钠或碳酸钠，也常使用两种钠化剂的混合物。焙烧产物水浸液经浓缩、过滤、铵盐转化、加酸沉淀析出钒酸铵送去过滤。滤饼经干燥、脱氨即得粉状五氧化二钒产品，或将滤饼直接熔化获得片状五氧化二钒产品。

其他含钒原料(如废催化剂、石煤或燃烧石煤所得灰渣)亦可用钠化氧化焙烧法进行处理。一般在焙烧浸出后采用水解沉钒、碱溶、铵盐转化，或在钠化氧化焙烧后采用稀酸浸出一萃取的方法。含钒磷铁亦可采用碳酸钠及食盐进行钠化氧化焙烧，水浸后再从溶液中除去磷酸盐然后水解沉淀。

此外，钠化氧化焙烧碱浸工艺亦用于处理钾钒铀矿。

钠化氧化焙烧法为生产五氧化二钒最主要的工艺流程，技术成熟，在工业上多采用廉价的食盐作钠化剂，经济效益较好。但在焙烧过程中产生大量氯、氯化氢及其他氯化物，易腐蚀设备及建筑物，并污染环境，且由于含钒原料复杂，影响钠化焙烧转化效果。因而工艺流程的选择，必须依据对原料进行冶炼试验的结果进行技术经济比较后确定。

钠化氧化焙烧法处理含钒原料的工艺流程见图。

(2)酸浸法。用于处理钾钒铀矿，矿石破碎磨细后用硫酸浸出，清液pH值调至1～1．2后送萃取提铀。有机相由92．5％1号柴油、5％叔胺和2．5％异癸醇组成，含铀的有机相送去回收氧化铀。将含钒的水相电动势降至低于150mV，使铁全部还原，以减少铁被萃入有机相而提高钒的实收率，然后加氨将溶液pH值调至2．0送萃取提钒。提钒有机相由91％1号柴油、6％双-2-乙基磷酸和3％异癸醇组成，用15％硫酸作反萃剂，将含钒反萃液送沉淀槽，通蒸汽加热，加氯化钠和氨使钒沉淀，经干燥、熔化铸成五氧化二钒薄片。

酸浸法亦用于石煤灰及石油灰的处理，所用酸多为硫酸。

设备选择 钠化氧化焙烧设备通常选用回转窑、多膛炉或竖炉。酸法一萃取流程采用一般湿法设备如搅拌槽和萃取箱等。

(1)回转窑。用重油、天然气或煤气作燃料，操作简便，生产条件容易控制。窑内分三个工作区：预热区、烧成区和冷却区。预热区温度为400～700℃，窑尾排出废气温度为400～500℃，废气含氧量为8％～12％；烧成区焙烧钒渣的温度通常为800～900℃，焙烧钒钛磁铁矿为1100～1200℃，烧成区长度为15～20m；冷却区的温度为350～500℃，冷却区长度为5～8m。

(2)多膛炉。中心有带耙子的立轴。第1层加入原料和附加剂，立轴带耙子转动，使炉料按规定方向随之移动。从上往下数第1～3层为脱水预热区；第4～7层为烧成区，焙烧温度为800～850℃；第8～10层为冷却区，熟料出炉温度为550℃，经破碎后冷却至200℃送入贮仓。焙烧时用天然气作燃料，先在燃烧室内获得1200℃高温烟气送往炉内。多膛炉占地面积小，炉料的搅动使与空气接触有利，但炉温受到一定限制。

(3)竖炉。占地面积比回转窑小，温度控制又不像多膛炉那样受限制，但操作较麻烦。原料及钠化剂制成10～15mm的球团，用固定在炉身中部的油燃烧器所产生的热气将球团加热到1150～1200℃，冷空气从炉底引入，将热球团冷却至400℃。80％的冷却空气从燃烧器之下的竖炉中部排出，经热交换器预热油燃烧器的二次空气。20％的冷却空气从炉顶排出。冷却后球团从炉底排出。

车间组成 钠化氧化焙烧法的主要生产车间包括原料准备、焙烧、浸滤、沉淀和成品库等。辅助生产设施有污水处理站、渣场和煤气站等。酸浸法生产则无焙烧车间而另增设萃取车间。

工厂布置与特殊要求 钒及其化合物有较大毒性，采用食盐作钠化剂时，焙烧过程产生氯及氯化物。工厂生活区要布置在上风向并与生产车间保持一定的距离，污水处理站设在厂内较低位置并有防渗设施。生产设备要严格密闭，作业场所设局部排风，对废气、废水设有效的净化除钒装置。

主要技术经济指标 钠化氧化焙烧法(以食盐作钠化剂)生产lt五氧化二钒的消耗为：

钒渣(V₂O₅10％)／t                     11．5～12．0

纯碱(Na₂CO₃>98％)／t           1．5～1．6

食盐(NaCl>95％)／t                    0．9～1．0

硫酸(H₂SO₄≥88％)／t              0．9～1．0

氯化铵(NH₄Cl≥98％)／t         0．7～0．8

烟煤／t                                             12

重油／t                                             2．5

电／kW•h                                        4000