СИСТЕМА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ ДЛЯ ВАНАДИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА
SYSTEM AND METHOD OF PRODUCING HIGH PURITY ELECTROLYTE FOR VANADIUM BATTERY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к областям получения энергии и химической технологии, в частности, к системе и способу получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Стандартное ископаемое топливо всегда было основным источником энергии, тем не менее длительное и интенсивное использование привело к истощению ресурсов и серьезному загрязнению окружающей среды. Внимание общества постепенно привлекало развитие и использование источников чистой возобновляемой энергии, такие как ветер, вода, солнце, приливы и отливы. Тем не менее, источники возобновляемой энергии представляют сложность для использования существующими системами управления энергией в связи с присущим им непостоянством доступности.
Технология хранения энергии является одним из путей решения таких проблем. В различных типах систем хранения энергии полностью ванадиевый проточный редокс-аккумулятор ПРА (VRB) является перспективным устройством хранения. Важнейшим преимуществом ПРА является его гибкость - емкость по мощности и по энергии независимы друг от друга. Мощность ПРА зависит от количества аккумуляторных элементов и полезной площади электродов аккумуляторных элементов, в то время как энергоемкость зависит от концентрации активного материала в электролите и объема электролита. Каждый аккумуляторный элемент состоит из двух электродных камер (камеры положительного и отрицательного электрода), разделенных протонообменной мембраной. Электролит, являющийся сульфатным раствором ванадия, используют для хранения энергии. Когда электролит протекает через аккумуляторный элемент, в камерах положительного и отрицательного электролита происходят окислительно-восстановительные реакции V(IV)/V(V) и V(II)/V(III), соответственно. Ванадиевый электролит является неотъемлемым компонентов полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора.
Новый комплект ванадиевых аккумуляторов обычно сконфигурирован с использованием смешанного электролита с соотношением концентраций V(III) к V(IV), равным 1:1, чтобы средняя валентность ионов ванадия в электролите составляла 3,5. Такой электролит может быть непосредственно добавлен для использования в камеры положительного и отрицательного электрода, что упрощает использование. Чистота ванадиевого электролита играет важную роль для характеристик аккумулятора, а высокая концентрация примесей в электролите приведет к следующим проблемам: (1) Конкурирующая реакция между ионами примесей и ионами ванадия, что снижает эффективность аккумулятора. (2) В камере положительного электрода ионы примесей откладываются на электроде из графитового фетра, что приводит к блокировке зазора в графитовом фетре и уменьшению определенной площади поверхности графитового фетра, что таким образом влияет на эффективность зарядки и разрядки. (3) В камере отрицательного электрода ионы примесей будут влиять на перенапряжение выделения водорода, и образование газа будет влиять на баланс давления внутри аккумулятора. (4) Ионы примесей сокращают срок службы протонообменной мембраны. (5) Ионы примесей влияют на устойчивость ионов ванадия, что приводит к преждевременному старению электролита.
Активность ванадиевого электролита относится к эффективной концентрации ионов ванадия в электролите, которые могут быть использованы для зарядки и разрядки. На ионы ванадия в электролите влияет температура, примеси и т.д., и будет образована кислородная мостиковая связь, что приводит к образованию поликонденсации и снижению электрохимической активности. Таким образом, увеличение активности ванадиевого электролита может значительно увеличить эффективность ванадиевых ресурсов, что снизит стоимость ванадиевого аккумулятора.
4
4
4
4
2
5
2
5
2
5
2
3
2
4
3
2
3
2
3
2
3
2
4
3
2
5
2
4
3
2
4
3
2
5
2
4
2
3
2
4
2
3
2
4
2
5
2
3
2
3
Способы получения электролита ПРА следующие: (1) способ VOSO: В патенте США US 849094 раскрыт смешанный электролит с соотношением концентраций V(III) к V(IV), равным 1:1, полученный посредством растворения VOSO в растворе серной кислоты, а затем - электрохимического регулирования валентного состояния. Основной проблемой данного способа является более сложный процесс получения VOSO и высокая стоимость, что не способствует крупномасштабному применению в ПРА. Для VOSO сложно достичь высокой степени очистки, поэтому электролит, полученный за счет такого процесса, содержит больше примесей. Для регулирования соотношения концентраций V(III) к V(IV) до 1:1 требуется электрохимическая обработка, чтобы средняя валентность ионов ванадия в электролите составляла 3,5. (2) Способ химического восстановления: В китайской патентной заявке CN 101562256 раскрыт смешанный ванадиевый электролит из V(III) и V(IV), полученный за счет добавления восстановителя, например, щавелевой кислоты, масляного альдегида и т.д., в смешанную систему VO и раствора серной кислоты, и выдерживания смеси при 50-100°С в течение 0,5-10 часов для химического восстановления. Основной проблемой способа является то, что нелегко достичь точного контроля за степенью восстановления. Для VO, полученного существующим способом, сложно достичь высокой степени очистки, и электролит, полученный за счет такого процесса, содержит больше примесей. За счет добавления восстановителя в систему ванадиевого электролита будет введена новая примесь, что повлияет на чистоту электролита. (3) Электролитический способ: В международном патенте РСТ AKU88/000471 раскрыт смешанный электролит с соотношением концентраций V(III) и V(IV), равным 1:1, полученный посредством добавления активированного VO в раствор серной кислоты, а затем - выполнения электролиза при постоянном токе. Получение ванадиевого электролита электролитическим способом подходит для крупномасштабного производства электролита, но процесс требует предварительной активирующей обработки, для чего необходимо дополнительное электролитическое устройство, и расходует электроэнергию. Также проблема состоит в том, что электролит содержит больше примесей. (4) Способ за счет растворения оксида ванадия низкой валентности: В китайской патентной заявке CN 101728560 A раскрыто, что VO используют в качестве сырья и растворяют в соотношении 1:1 в разбавленной серной кислоте при температуре 80-150°С, чтобы получить раствор V(SO), используемый как электролит отрицательного электрода. Основной проблемой процесса является то, что он выполняется при температуре 80-150°С (при которой V(III) гидрат иона ванадия предрасположен к формированию кислородной мостиковой связи, что приводит к поликонденсации и пониженной активности электролита) и в нем отсутствует этап активации. Данный способ может быть применен только для получения электролита отрицательного электрода с узкой областью применения. Несмотря на то, что промышленный VO высокой чистоты, используемый в патенте, имеет общее содержание ванадия 67% (соответствующее чистоте 98,5%), он все еще содержит множество ионов примесей. В китайской патентной заявке CN 102468509 A раскрыт способ для получения электролита для ванадиевого аккумулятора, содержащий: получение VO посредством сегментного кальцинирования при 200-300°С и 600-700°С с использованием метаванадата аммония и бикарбоната аммония в качестве сырья, растворение VO в разбавленной серной кислоте и осуществление реакции в течение 5-20 часов при 50-120°С для получения раствора V(SO), и растворение VO в растворе V(SO) и осуществление реакции в течение 1-3 часов при 80-110°С, чтобы получить электролит для ванадиевого аккумулятора со средней валентностью иона ванадия, равной 3,5. В данном патенте раствор V(SO) получают как электролит отрицательного электрода. Основной проблемой способа является длительное осуществление растворения при высокой температуре (при которой V(III) гидрат иона ванадия предрасположен к формированию кислородной мостиковой связи, что приводит к поликонденсации и пониженной активности электролита) и отсутствие этапа активации, а также невысокая чистота электролита. В китайской патентной заявке CN 103401010 A раскрыт способ для получения электролита для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора, содержащий: снижение количества порошка VO в водороде для получения порошка VO и порошка VO, растворение VO и VO в концентрированной серной кислоте, соответственно, чтобы получить электролиты положительного и отрицательного электрода ванадиевого аккумулятора. Основная проблема патента состоит в том, что не указан определенный процесс восстановления. Порошок VO получают за счет снижения количества VO в водороде, тем не менее в процессе имеет тенденцию происходить чрезмерное восстановление или недостаточное восстановление, и процесс может быть достигнут только за счет точного контроля, но в патенте не представлены мероприятия для точного контроля восстановления. Кроме того, чистота низкая. В китайских патентных заявках CN 101880059 A и CN 102557134 А раскрыта печь для восстановления в кипящем слое и способ восстановления для получения триоксида ванадия высокой чистоты, где внутренний элемент передачи тепла добавляют в псевдоожиженный слой для достижения повышенной передачи тепла; и циклонное предварительное нагревание применяют для увеличения степени использования энергии и эффективного получения VO. Тем не менее, так как системы не оснащены функцией точного контроля восстановления, способы, раскрытые в этих двух патентных заявках, подходят только для получения VO и не подходят для получения других оксидов ванадия низкой валентности.
Таким образом, в уровне техники существует острая необходимость в устранении недостатков процесса и технологии получения электролита для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора, чтобы упростить процесс получения, увеличить чистоту и активность электролита и увеличить простоту получения и использования электролита.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Принимая во внимание вышеизложенное, настоящее изобретение предлагает систему и способ для получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора, чтобы упростить процесс получения, увеличить чистоту электролита, увеличить простоту получения электролита и способствовать транспортировке. Для достижения данных целей настоящее изобретение основано на следующих технических решениях.
Настоящее изобретение предлагает систему для получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора, содержащую бак 1 для хранения окситрихлорида ванадия, устройство 2 гидролиза жидкой фазы, устройство 3 подачи пентоксида ванадия, систему 4 предварительного нагрева, псевдоожиженный слой 5 восстановления, камеру 6 сгорания, систему 7 охлаждения, вторичную систему 8 охлаждения, устройство 9 подачи оксида ванадия низкой валентности, реактор 10 для растворения и устройство 11 активации;
где устройство 2 гидролиза жидкой фазы содержит бак 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы и промывочный фильтр 2-2;
устройство 3 подачи пентоксида ванадия содержит загрузочную воронку 3-1 пентоксида ванадия и шнековый питатель 3-2 пентоксида ванадия;
система 4 предварительного нагрева содержит подогреватель 4-1 Вентури, первичный циклонный подогреватель 4-2, вторичный циклонный подогреватель 4-3 и пылеуловитель 4-4 с рукавными фильтрами;
Псевдоожиженный слой 5 восстановления содержит питатель 5-1, массу 5-2 слоя, отводящее устройство 5-3, газовый нагреватель 5-4, очиститель 5-5 газа и первичный циклонный сепаратор 5-6;
система 7 охлаждения содержит охладитель 7-1 Вентури, циклонный охладитель 7-2 и вторичный циклонный сепаратор 7-3;
устройство 9 подачи оксида ванадия низкой валентности содержит загрузочную воронку 9-1 оксида ванадия низкой валентности и шнековый питатель 9-2 оксида ванадия низкой валентности;
где вывод сырья внизу бака 1 хранения окситрихлорида ванадия соединен с вводом соли соляной кислоты бака 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы через трубопровод; ввод очищенной воды бака 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы соединен с основной трубой для очищенной воды трубопровода; вывод кислотного газа бака 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы соединен с системой обработки остаточного газа; вывод шлама бака 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы соединен с вводом шлама промывочного фильтра 2-2 через трубопровод; ввод очищенной воды промывочного фильтра 2-2 соединен с основной трубой для очищенной воды; вывод промывочной жидкости промывочного фильтра 2-2 соединен с системой обработки сточных вод через трубопровод; и вывод твердого материала промывочного фильтра 2-2 соединен с вводом сырья загрузочной воронки 3-1 пентоксида ванадия через трубопровод;
вывод сырья на дне загрузочной воронки 3-1 пентоксида ванадия соединен с вводом сырья шнекового питателя 3-2 для пентоксида ванадия; и вывод сырья шнекового питателя 3-2 пентоксида ванадия соединен с вводом сырья подогревателя 4-1 Вентури через трубопровод;
вход газа подогревателя 4-1 Вентури соединен с выводом газа камеры 6 сгорания через трубопровод; вывод газа подогревателя 4-1 Вентури соединен с вводом газа первичного циклонного подогревателя 4-2 через трубопровод; вывод газа первичного циклонного подогревателя соединен с вводом газа вторичного циклонного подогревателя через трубопровод; вывод сырья первичного циклонного подогревателя 4-2 соединен с вводом сырья питателя 5-1 через трубопровод; вывод газа вторичного циклонного подогревателя 4-3 соединен с входом газа пылеуловителя 4-4 с рукавными фильтрами через трубопровод; вывод сырья вторичного циклонного подогревателя 4-3 соединен с вводом сырья питателя 5-1 через трубопровод; вывод газа пылеуловителя 4-4 с рукавными фильтрами соединен с системой обработки остаточного газа; и вывод сырья пылеуловителя 4-4 с рукавными фильтрами соединен с вводом сырья питателя 5-1 через трубопровод;
вход воздуха аэрации питателя 5-1 соединен с основной трубой очищенного газообразного азота; вывод сырья питателя 5-1 соединен с вводом сырья массы 5-2 слоя через трубопровод; вход газа массы 5-2 слоя соединен с выводом газа нагревателя 5-4 газа через трубопровод; вход газа нагревателя 5-4 газа соединен с выходом газа вторичного циклонного сепаратора 7-3 и выходом газа очистителя 5-5 газа через трубопроводы; впуск воздуха в зону горения нагревателя 5-4 газа соединен с основной трубой сжатого воздуха; ввод топлива нагревателя 5-4 газа соединен с основной трубой топлива; вход газа очистителя 5-5 газа соединен с основной трубой восстановительного газа; вывод сырья массы 5-2 слоя соединен с вводом сырья отводящего устройства 5-3 через трубопровод; вход воздуха аэрации отводящего устройства 5-3 соединен с основной трубой очищенного газообразного азота; вывод сырья отводящего устройства 5-3 соединен с вводом сырья охладителя 7-1 Вентури через трубопровод; вывод газа массы 5-2 слоя соединен с вводом газа первичного циклонного сепаратора 5-6 через трубопровод; вывод сырья первичного циклонного сепаратора 5-6 соединен с вводом сырья отводящего устройства 5-3 через трубопровод; и вывод газа первичного циклонного сепаратора 5-6 соединен с вводом газа камеры 6 сгорания через трубопровод;
впуск воздуха в зону горения камеры 6 сгорания соединен с основной трубой сжатого воздуха; и вывод газа камеры 6 сгорания соединен с вводом газа подогревателя Вентури через трубопровод;
вход газа охладителя 7-1 Вентури соединен с основной трубой очищенного газообразного азота; вывод газа охладителя 7-1 Вентури соединен с входом циклонного охладителя 7-2 через трубопровод; выход газа циклонного охладителя 7-2 соединен с входом газа вторичного циклонного сепаратора 7-3 через трубопровод; вывод сырья циклонного охладителя 7-2 соединен с вводом сырья вторичного охлаждающего устройства 8 через трубопровод; вывод газа вторичного циклонного сепаратора 7-3 соединен с вводом газа газового нагревателя 5-4 через трубопровод; и вывод сырья вторичного циклонного сепаратора 7-3 соединен с вводом сырья вторичного охлаждающего устройства 8 через трубопровод;
вывод сырья вторичного охлаждающего устройства 8 соединен с вводом сырья загрузочной воронки 9-1 оксида ванадия низкой валентности через трубопровод; ввод технологической воды вторичного охлаждающего устройства 8 соединен с основной трубой технологической воды через трубопровод; и вывод воды вторичного охлаждающего устройства 8 соединен с системой охлаждения воды через трубопровод;
вывод сырья на дне загрузочной воронки 9-1 оксида ванадия низкой валентности соединен с вводом сырья шнекового питателя 9-2 для оксида ванадия низкой валентности; и вывод сырья шнекового питателя 9-2 оксида ванадия соединен с вводом сырья реактора 10 для растворения через трубопровод;
ввод очищенной воды реактора 10 для растворения соединен с основной трубой очищенной воды через трубопровод; ввод концентрированной серной кислоты реактора 10 для растворения соединен с основной трубой концентрированной серной кислоты через трубопровод; вывод газа реактора 10 растворения соединен с системой обработки остаточного газа; и вывод первичного электролита реактора 10 растворения соединен с вводом первичного электролита устройства 11 активации через трубопровод.
Настоящее изобретение дополнительно предлагает способ для получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора на основе вышеуказанной системы, содержащий следующие этапы:
обеспечение возможности поступления жидкости окситрихлорида ванадия из бака 1 хранения окситрихлорида ванадия в бак 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы через трубопровод, а затем - гидролитического осаждения вместе с очищенной водой из основной трубы очищенной воды для образования смешанного шлама осадка пентоксида ванадия и раствора соляной кислоты; передача образовавшегося кислотного газа в систему обработки остаточного газа через трубопровод; обеспечение входа шлама в промывочный фильтр 2-2 и промывки очищенной водой, а также фильтрации для получения промывочной жидкости и порошка осадка пентоксида ванадия; передача промывочной жидкости в систему обработки сточных вод; и передача осадка пентоксида ванадия в загрузочную воронку 3-1 пентоксида ванадия;
обеспечение поступления осадка пентоксида ванадия из загрузочной воронки 3-1 пентоксида ванадия в первичный циклонный подогреватель 4-2 через шнековый питатель 3-2 пентоксида ванадия и подогреватель 4-1 Вентури по очереди и входа в массу 5-2 слоя через питатель 5-1 вместе с мелкодисперсным порошком, восстановленным при помощи вторичного циклонного подогревателя 4-3 и пылеуловителя 4-4 с рукавными фильтрами; и обеспечение поступления очищенного газообразного азота из основной трубы очищенного газообразного азота в охладитель 7-1 Вентури, циклонный охладитель 7-2 и вторичный циклонный сепаратор 7-3 по очереди, слияния с очищенным газом восстановления из очистителя 5-5 газа, предварительного нагрева газовым нагревателем 5-4, а затем - передачи в массу 5-2 слоя так, что материал порошка пентоксида ванадия поддерживают в псевдоожиженном состоянии и восстанавливают для получения порошка оксида ванадия низкой валентности со средней валентностью ванадия 3,5 и дымового газа восстановления;
обеспечение поступления оксида ванадия низкой валентности в циклонный охладитель 7-2 через отводящее устройство 5-3 и охладитель 7-1 Вентури по очереди, а затем - поступления в реактор 10 для растворения через вторичное устройство 8 охлаждения, загрузочную воронку 9-1 оксида ванадия низкой валентности и шнековый питатель 9-2 оксида ванадия низкой валентности вместе с мелкодисперсным порошком, восстановленным вторичным циклонным сепаратором 7-3, и реакции растворения в очищенной воде из основной трубы очищенной воды и концентрированной серной кислоте из основной трубы концентрированной серной кислоты для получения первичного электролита, передачи полученного газа кислотного тумана в систему обработки остаточного газа, и активации первичного электролита устройством 11 активации для получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора;
где полученный дымовой газ восстановления подвергают обеспыливанию первичным циклонным сепаратором 5-6, а затем перемещают в камеру 6 сгорания вместе с воздухом, поступающим в зону горения, и полученный дымовой газ высокой температуры поступает в подогреватель 4-1 Вентури, первичный циклонный подогреватель 4-2 и вторичный циклонный подогреватель 4-3 по очереди и подвергается обеспыливанию при помощи пылеуловителя 4-4 с рукавными фильтрами, а затем передается в систему обработки остаточного газа.
Первая характеристика настоящего изобретения состоит в том, что масса псевдоожиженного слоя восстановления имеет форму прямоугольного мульти-резервуара с встроенной вертикальной перегородкой.
Вторая характеристика настоящего изобретения состоит в том, что сырьевой материал окситрихлорида ванадия обладает чистотой 99%-99,9999%, т.е., 2N-6N.
Третья характеристика настоящего изобретения состоит в том, что в баке 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы массовое соотношение очищенной воды к добавленному окситрихлориду ванадия составляет 0,5-20, а рабочая температура - 30-90°С.
Четвертая характеристика настоящего изобретения состоит в том, что газ восстановления, введенный в очиститель 5-5 газа восстановления, является газообразным водородом или угольным газом.
3
3
Пятая характеристика настоящего изобретения заключается в том, что в массе 5-2 псевдоожиженного слоя восстановления рабочая температура составляет 300-700°С при восстановлении, и после очищения газа восстановления очистителем 5-5 содержание органических веществ составляет менее 1 мг/Нм, общее содержание твердых частиц составляет менее 2 мг/Нм, объемное содержание газа восстановления в смеси введенного газообразного азота и газа восстановления составляет 10%-90%, а среднее время выдерживания порошка составляет 20-120 мин.
Шестая характеристика настоящего изобретения состоит в том, что в реакторе 10 растворения сопротивление добавленной очищенной воды составляет не менее 12,0 MΩ⋅см, концентрированная соляная кислота является концентрированной соляной кислотой электронной чистоты, и температура растворения составляет 30-90°С.
Седьмая характеристика настоящего изобретения состоит в том, что ванадиевый электролит является смешанным электролитом с соотношением молярной концентрации ионов ванадия V(III) и V(IV), равным 1:1, и средней валентностью ионов ванадия 3,5, и электролит ванадия может быть использован непосредственно в новом комплекте полностью ванадиевых проточных редокс-аккумуляторов.
3
Восьмая характеристика настоящего изобретения состоит в том, что в устройстве 11 активации ионы ванадия активируются за счет ультрафиолета, где время растворения и активации составляет 30-300 минут, температура растворения и активации составляет 20-45°С, а удельная мощность составляет 10-300 Вт/м.
Электролит, полученный в соответствии с данным изобретением, обладает высокой чистотой, высокой активностью и простой совокупностью компонентов. Настоящее изобретение обеспечивает следующие отличительные преимущества:
(1) Высокая чистота: окситрихлорид ванадия, легко поддающийся глубокой очистке, используется в качестве сырьевого материала, и легко получить окситрихлорид ванадия высокой чистоты с чистотой 2N-6N. Возьмем, например, окситрихлорид ванадия 5N, оксид ванадия низкой валентности с чистотой 4N5 (т.е. с чистотой 99,995%) может быть получен за счет настоящего изобретения, и, таким образом, может быть получен ванадиевый электролит высокой чистоты. В дополнение к эффективным компонентам общее содержание примесей составляет менее 5 мкг/г.
(2) Гидролиз жидкой фазы: операция является простой, что удобно для промышленного применения.
(3) Осуществление использования тепла остаточного газа высокой температуры и продукта восстановления высокой температуры в псевдоожиженном слое: остаточный газ высокой температуры в псевдоожиженном слое восстановления сжигают для предварительного нагрева материала ванадиевого порошка, чтобы восстановить удельную теплоту и скрытую теплоту остаточного газа высокой температуры, и удельная теплота продукта восстановления восстанавливается за счет теплообмена между продуктом восстановления и псевдоожиженным газообразным азотом.
(4) Точный контроль восстановления: прямоугольный мульти-резервуарный псевдоожиженный слой используется для достижения точного контроля за восстановлением валентного состояния.
(5) Высокая активность: ионы ванадия активируются за счет ультрафиолетового излучения, которое значительно увеличивает активность электролита.
(6) Удобство транспортировки: процесс получения электролита короткий и подходит для компоновки ванадиевых аккумуляторов на месте установки, оксид ванадия низкой валентности может быть транспортирован, что значительно снижает затраты на транспортировку.
(7) Электролит с валентностью 3,5: электролит подходит для компоновки нового комплекта ванадиевых аккумуляторов и может быть непосредственно добавлен для использования в камеры положительного и отрицательного электрода, что упрощает использование.
Настоящее изобретение обеспечивает преимущества низкого энергопотребления при производстве и низких операционных затрат, высокой чистоты продукта, стабильного качества, простого получения электролита и компоновки и т.д., а также подходит для крупномасштабного промышленного производства электролита для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора с экономическими и социальными выгодами.
КРАТКОЕ РАСКРЫТИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Прилагаемый чертеж использован для обеспечения дополнительной иллюстрации настоящего изобретения и составляет часть раскрытия. Он использован для пояснения настоящего изобретения совместно с примерами настоящего изобретения, но не для ограничения настоящего изобретения.
ФИГ. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую конфигурацию системы получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора согласно настоящему изобретению.
Ссылочные позиции:
1 Бак для хранения окситрихлорида ванадия
2 Устройство гидролиза жидкой фазы
2-1 Бак реакции гидролиза жидкой фазы
2- 2 Промывочный фильтр
3 Устройство подачи пентоксида ванадия
3-1 Загрузочная воронка для пентоксида ванадия
3-2 Шнековый питатель для пентоксида ванадия
4 Система предварительного нагрева
4-1 Подогреватель Вентури
4-2 Первичный циклонный подогреватель
4-3 Вторичный циклонный подогреватель
4-4 Пылеуловитель с рукавными фильтрами
5 Псевдоожиженный слой восстановления
5- 1 Питатель
5-2 Масса слоя
5-3 Отводящее устройство
5-4 Газонагреватель
5-5 Очиститель газа
5-6 Первичный циклонный сепаратор
6 Камера сгорания
7 Система охлаждения
7-1 Охладитель Вентури
7-2 Циклонный охладитель
7-3 Вторичный циклонный сепаратор
8 Вторичная система охлаждения
9 Устройство подачи оксида ванадия низкой валентности
9-1 Загрузочная воронка оксида ванадия низкой валентности
9-2 Шнековый питатель оксида ванадия низкой валентности
10 Реактор растворения
11 Устройство активации
ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для того чтобы прояснить цель, техническое решение и преимущества настоящего изобретения, в примерах настоящего изобретения техническое решение будет раскрыто ясно и полностью ниже со ссылкой на прилагаемый чертеж примеров настоящего изобретения. Очевидно, раскрытые примеры представляют собой лишь часть примеров настоящего изобретения, а не все примеры. Стоит отметить, что примеры использованы лишь для иллюстрации технического решения настоящего изобретения, а не ограничения настоящего изобретения. ФИГ. 1 представляет собой схему системы и способа получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора согласно настоящему изобретению.
Пример 1
Как показано со ссылкой на ФИГ. 1, система получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора в данном примере, содержит бак 1 для хранения окситрихлорида ванадия, устройство 2 гидролиза жидкой фазы, устройство 3 подачи пентоксида ванадия, систему 4 предварительного нагрева, псевдоожиженный слой 5 восстановления, камеру 6 сгорания, систему 7 охлаждения, вторичную систему 8 охлаждения, устройство 9 подачи оксида ванадия низкой валентности, реактор 10 для растворения и устройство 11 активации.
Устройство 2 гидролиза жидкой фазы содержит бак 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы и промывочный фильтр 2-2.
Устройство 3 подачи пентоксида ванадия содержит загрузочную воронку 3-1 пентоксида ванадия и шнековый питатель 3-2 пентоксида ванадия.
Система 4 предварительного нагрева содержит подогреватель 4-1 Вентури, первичный циклонный подогреватель 4-2, вторичный циклонный подогреватель 4-3 и пылеуловитель 4-4 с рукавными фильтрами.
Псевдоожиженный слой 5 восстановления содержит питатель 5-1, массу 5-2 слоя, отводящее устройство 5-3, газовый нагреватель 5-4, очиститель 5-5 газа и первичный циклонный сепаратор 5-6.
Система 7 охлаждения содержит охладитель 7-1 Вентури, циклонный охладитель 7-2 и вторичный циклонный сепаратор 7-3.
Устройство 9 подачи оксида ванадия низкой валентности содержит загрузочную воронку 9-1 оксида ванадия низкой валентности и шнековый питатель 9-2 оксида ванадия низкой валентности.
Вывод сырья внизу бака 1 хранения окситрихлорида ванадия соединен с вводом соли соляной кислоты бака 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы через трубопровод; ввод очищенной воды бака 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы соединен с основной трубой для очищенной воды через трубопровод; вывод кислотного газа бака 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы соединен с системой обработки остаточного газа; вывод шлама бака 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы соединен с вводом шлама промывочного фильтра 2-2 через трубопровод; ввод очищенной воды промывочного фильтра 2-2 соединен с основной трубой для очищенной воды; вывод промывочной жидкости промывочного фильтра 2-2 соединен с системой обработки сточных вод через трубопровод; и вывод твердого материала промывочного фильтра 2-2 соединен с вводом сырья загрузочной воронки 3-1 пентоксида ванадия через трубопровод.
Вывод сырья на дне загрузочной воронки 3-1 пентоксида ванадия соединен с вводом сырья шнекового питателя 3-2 для пентоксида ванадия; и вывод сырья шнекового питателя 3-2 пентоксида ванадия соединен с вводом сырья подогревателя 4-1 Вентури через трубопровод.
Вход газа подогревателя 4-1 Вентури соединен с выводом газа камеры 6 сгорания через трубопровод; вывод газа подогревателя 4-1 Вентури соединен с вводом газа первичного циклонного подогревателя 4-2 через трубопровод; вывод газа первичного циклонного подогревателя соединен с вводом газа вторичного циклонного подогревателя через трубопровод; вывод сырья первичного циклонного подогревателя 4-2 соединен с вводом сырья питателя 5-1 через трубопровод; вывод газа вторичного циклонного подогревателя 4-3 соединен с входом газа пылеуловителя 4-4 с рукавными фильтрами через трубопровод; вывод сырья вторичного циклонного подогревателя 4-3 соединен с вводом сырья питателя 5-1 через трубопровод; вывод газа пылеуловителя 4-4 с рукавными фильтрами соединен с системой обработки остаточного газа; и вывод сырья пылеуловителя 4-4 с рукавными фильтрами соединен с вводом сырья питателя 5-1 через трубопровод.
Вход воздуха аэрации питателя 5-1 соединен с основной трубой очищенного газообразного азота; вывод сырья питателя 5-1 соединен с вводом сырья массы 5-2 слоя через трубопровод; вход газа массы 5-2 слоя соединен с выводом газа нагревателя 5-4 газа через трубопровод; вход газа нагревателя газа соединен с выходом газа вторичного циклонного сепаратора 7-3 и выходом газа очистителя 5-5 газа через трубопроводы; впуск воздуха в зону горения нагревателя 5-4 газа соединен с основной трубой сжатого воздуха; ввод топлива нагревателя 5-4 газа соединен с основной трубой топлива; вход газа очистителя 5-5 газа соединен с основной трубой восстановительного газа; вывод сырья массы 5-2 слоя соединен с вводом сырья отводящего устройства 5-3 через трубопровод; вход воздуха аэрации отводящего устройства 5-3 соединен с основной трубой очищенного газообразного азота; вывод сырья отводящего устройства 5-3 соединен с вводом сырья охладителя 7-1 Вентури через трубопровод; вывод газа массы 5-2 слоя соединен с вводом газа первичного циклонного сепаратора 5-6 через трубопровод; вывод сырья первичного циклонного сепаратора 5-6 соединен с вводом сырья отводящего устройства 5-3 через трубопровод; и вывод газа первичного циклонного сепаратора 5-6 соединен с вводом газа камеры 6 сгорания через трубопровод.
Впуск воздуха в зону горения камеры 6 сгорания соединен с основной трубой сжатого воздуха; и вывод газа камеры 6 сгорания соединен с вводом газа подогревателя Вентури через трубопровод.
Вход газа охладителя 7-1 Вентури соединен с основной трубой очищенного газообразного азота; вывод газа охладителя 7-1 Вентури соединен с входом газа циклонного охладителя 7-2 через трубопровод; выход газа циклонного охладителя 7-2 соединен с входом газа вторичного циклонного сепаратора 7-3 через трубопровод; вывод сырья циклонного охладителя 7-2 соединен с вводом сырья вторичного охлаждающего устройства 8 через трубопровод; вывод газа вторичного циклонного сепаратора 7-3 соединен с вводом газа газового нагревателя 5-4 через трубопровод; и вывод сырья вторичного циклонного сепаратора 7-3 соединен с вводом сырья вторичного охлаждающего устройства 8 через трубопровод.
Вывод сырья вторичного охлаждающего устройства 8 соединен с вводом сырья загрузочной воронки 9-1 оксида ванадия низкой валентности через трубопровод; ввод технологической воды вторичного охлаждающего устройства 8 соединен с основной трубой технологической воды через трубопровод; и вывод воды вторичного охлаждающего устройства 8 соединен с системой охлаждения воды через трубопровод.
Вывод сырья на дне загрузочной воронки 9-1 оксида ванадия низкой валентности соединен с вводом сырья шнекового питателя 9-2 для оксида ванадия низкой валентности; и вывод сырья шнекового питателя 9-2 оксида ванадия соединен с вводом сырья реактора 10 для растворения через трубопровод.
Ввод очищенной воды реактора 10 для растворения соединен с основной трубой очищенной воды через трубопровод; ввод концентрированной серной кислоты реактора 10 для растворения соединен с основной трубой концентрированной серной кислоты через трубопровод; вывод газа реактора 10 растворения соединен с системой обработки остаточного газа; и вывод первичного электролита реактора 10 растворения соединен с вводом первичного электролита устройства 11 активации через трубопровод.
Пример 2
Вышеописанную систему используют в данном примере для получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора. Способ, в частности, содержит следующие этапы.
Жидкость окситрихлорида ванадия из бака 1 хранения окситрихлорида ванадия поступает в бак 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы через трубопровод, а затем подвергается гидролитическому осаждению вместе с очищенной водой из основной трубы очищенной воды для образования смешанного шлама осадка пентоксида ванадия и раствора соляной кислоты. Образовавшийся кислотный газ передают в систему обработки остаточного газа через трубопровод. Шлам поступает в промывочный фильтр 2-2 и подвергается промывке очищенной водой и фильтрации для получения промывочной жидкости и порошка осадка пентоксида ванадия. Промывочную жидкость передают в систему обработки сточных вод. Осадок пентоксида ванадия передают в загрузочную воронку 3-1 пентоксида ванадия.
Осадок пентоксида ванадия в загрузочной воронке 3-1 пентоксида ванадия поступает в первичный циклонный подогреватель 4-2 через шнековый питатель 3-2 пентоксида ванадия и подогреватель 4-1 Вентури по очереди и поступает в массу 5-2 слоя через питатель 5-1 вместе с мелкодисперсным порошком, восстановленным вторичным циклонным подогревателем 4-3 и пылеуловителем 4-4 с рукавными фильтрами. Очищенный газообразный азот из основной трубы очищенного газообразного азота поступает в охладитель 7-1 Вентури, циклонный охладитель 7-2 и вторичный циклонный сепаратор 7-3 по очереди, сливается с очищенным газом восстановления из очистителя 5-5 газа, предварительно нагревается газовым нагревателем 5-4, а затем - передается в массу 5-2 слоя так, что материал порошка пентоксида ванадия поддерживают в псевдоожиженном состоянии и восстанавливают для получения порошка оксида ванадия низкой валентности со средней валентностью ванадия 3,5 и дымового газа восстановления. Оксид ванадия низкой валентности поступает в циклонный охладитель 7-2 через отводящее устройство 5-3 и охладитель 7-1 Вентури по очереди, а затем поступает в реактор 10 для растворения через вторичное устройство 8 охлаждения, загрузочную воронку 9-1 оксида ванадия низкой валентности и шнековый питатель 9-2 оксида ванадия низкой валентности вместе с мелкодисперсным порошком, восстановленным вторичным циклонным сепаратором 7-3, и подвергается реакции растворения в очищенной воде из основной трубы очищенной воды и концентрированной серной кислоте из основной трубы концентрированной серной кислоты для получения первичного электролита, полученный газ кислотного тумана передают в систему обработки остаточного газа, и первичный электролит активируют устройством 11 активации для получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора. Где полученный дымовой газ восстановления подвергают обеспыливанию первичным циклонным сепаратором 5-6, а затем перемещают в камеру 6 сгорания вместе с воздухом, поступающим в зону горения, и полученный дымовой газ высокой температуры поступает в подогреватель 4-1 Вентури, первичный циклонный подогреватель 4-2 и вторичный циклонный подогреватель 4-3 по очереди и подвергается обеспыливанию при помощи пылеуловителя 4-4 с рукавными фильтрами, а затем передается в систему обработки остаточного газа.
Пример 3
3
В этом примере окситрихлорид ванадия (с чистотой более 2N) был использован как сырьевой материал, и производительность составляла 3 кг/ч. В баке 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы очищенная вода (с сопротивлением 15,0 МΩ⋅см) и окситрихлорид ванадия были добавлены в массовом соотношении 0,5, рабочая температура была установлена на 90°С для получения шлама пентоксида ванадия. Шлам поступал в промывочный фильтр 2-2 для промывки очищенной водой (с сопротивлением 15,0 МΩ⋅см) и фильтрации, чтобы получить промывочную жидкость и порошок осадка пентоксида ванадия, где промывочная жидкость передавалась в систему очистки сточных вод и осадок пентоксида ванадия был предварительно нагрет системой предварительного нагрева и затем был введен в псевдоожиженный слой восстановления. В псевдоожиженном слое 5 восстановления введенным газом восстановления был угольный газ, объемная доля угольного газа в смешанном газе из газообразного азота и угольного газа, введенных в псевдоожиженный слой 5 восстановления, составляла 10%, среднее время выдерживания порошка составляло 120 мин., рабочая температура составляла 300°С, и был получен оксид ванадия низкой валентности со средней валентностью 3,5, и была достигнута чистота 98,5%. В реактор для растворения добавляют концентрированную соляную кислоту электронной чистоты и очищенную воду (с сопротивлением 15,0 MΩ⋅см), температура растворения составляла 90°С. В устройстве 11 активации активация проводилась в течение 300 минут с плотностью ультрафиолетовой энергии 30 Вт/м и температурой активации 20°С, чтобы получить электролит ванадия с общим содержанием примесей менее 0,25% (за исключением действующих компонентов).
Пример 4
3
В этом примере окситрихлорид ванадия (с чистотой более 3N) был использован как сырьевой материал, и производительность составляла 30 кг/ч. В баке 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы очищенная вода (с сопротивлением 15,0 МΩ⋅см) и окситрихлорид ванадия были добавлены в массовом соотношении 20, рабочая температура была установлена на 30°С для получения шлама пентоксида ванадия. Шлам поступал в промывочный фильтр 2-2 для промывки очищенной водой (с сопротивлением 15,0 МΩ⋅см) и фильтрации, чтобы получить промывочную жидкость и порошок осадка пентоксида ванадия, где промывочная жидкость передавалась в систему очистки сточных вод и осадок пентоксида ванадия был предварительно нагрет системой предварительного нагрева и затем был введен в псевдоожиженный слой восстановления. В псевдоожиженном слое 5 восстановления введенным газом восстановления был угольный газ, объемная доля угольного газа в смешанном газе из газообразного азота и угольного газа, введенных в псевдоожиженный слой 5 восстановления, составляла 90%, среднее время выдерживания порошка составляло 20 мин., рабочая температура составляла 700°С, и был получен оксид ванадия низкой валентности со средней валентностью 3,5, и была достигнута чистота 99,85%. В реактор для растворения добавляют концентрированную соляную кислоту электронной чистоты и очищенную воду (с сопротивлением 15,0 MΩ⋅см), температура растворения составляла 30°С. В устройстве 11 активации активация проводилась в течение 30 минут с плотностью ультрафиолетовой энергии 300 Вт/м и температурой активации 45°С, чтобы получить электролит ванадия высокой чистоты с общим содержанием примесей менее 0,03% (за исключением действующих компонентов).
Пример 5
3
В этом примере окситрихлорид ванадия (с чистотой более 4N) был использован как сырьевой материал, и производительность составляла 300 кг/ч. В баке 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы очищенная вода (с сопротивлением 18,0 MΩ⋅см) и окситрихлорид ванадия были добавлены в массовом соотношении 10, рабочая температура была установлена на 60°С для получения шлама пентоксида ванадия. Шлам поступал в промывочный фильтр 2-2 для промывки очищенной водой (с сопротивлением 18,0 МΩ⋅см) и фильтрации, чтобы получить промывочную жидкость и порошок осадка пентоксида ванадия, где промывочная жидкость передавалась в систему очистки сточных вод и осадок пентоксида ванадия был предварительно нагрет системой предварительного нагрева и затем был введен в псевдоожиженный слой восстановления. В псевдоожиженном слое 5 восстановления введенным газом восстановления был газообразный водород, объемная доля газообразного водорода в смешанном газе из газообразного водорода и угольного газа, введенных в псевдоожиженный слой 5 восстановления, составляла 60%, среднее время выдерживания порошка составляло 90 мин., рабочая температура составляла 600°С, и был получен оксид ванадия низкой валентности со средней валентностью 3,5, и была достигнута чистота 99,98%. В реактор для растворения добавляют концентрированную соляную кислоту электронной чистоты и очищенную воду (с сопротивлением 18,0 МΩ⋅см), температура растворения составляла 60°С. В устройстве 11 активации активация проводилась в течение 200 минут с плотностью ультрафиолетовой энергии 200 Вт/м и температурой активации 40°С, чтобы получить электролит ванадия высокой чистоты с общим содержанием примесей менее 0,005% (за исключением действующих компонентов).
Пример 6
3
В этом примере окситрихлорид ванадия (с чистотой более 5N) был использован как сырьевой материал, и производительность составляла 3000 кг/ч. В баке 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы очищенная вода (с сопротивлением 18,0 МΩ⋅см) и окситрихлорид ванадия были добавлены в массовом соотношении 3, рабочая температура была установлена на 50°С для получения шлама пентоксида ванадия. Шлам поступал в промывочный фильтр 2-2 для промывки очищенной водой (с сопротивлением 18,0 МΩ⋅см) и фильтрации, чтобы получить промывочную жидкость и порошок осадка пентоксида ванадия, где промывочная жидкость передавалась в систему очистки сточных вод и осадок пентоксида ванадия был предварительно нагрет системой предварительного нагрева и затем был введен в псевдоожиженный слой восстановления. В псевдоожиженном слое 5 восстановления введенным газом восстановления был газообразный водород, объемная доля газообразного водорода в смешанном газе из газообразного водорода и угольного газа, введенных в псевдоожиженный слой 5 восстановления, составляла 50%, среднее время выдерживания порошка составляло 30 мин., рабочая температура составляла 550°С, и был получен оксид ванадия низкой валентности со средней валентностью 3,5, и была достигнута чистота 99,997%. В реактор для растворения добавляют концентрированную соляную кислоту электронной чистоты и очищенную воду (с сопротивлением 18,0 МΩ⋅см), температура растворения составляла 50°С. В устройстве 11 активации активация проводилась в течение 150 минут с плотностью ультрафиолетовой энергии 100 Вт/м и температурой активации 30°С, чтобы получить электролит ванадия высокой чистоты с общим содержанием примесей менее 5 мкг/г (за исключением действующих компонентов).
Пример 7
3
В этом примере окситрихлорид ванадия (с чистотой более 6N) был использован как сырьевой материал, и производительность составляла 3000 кг/ч. В баке 2-1 реакции гидролиза жидкой фазы очищенная вода (с сопротивлением 18,0 МΩ⋅см) и окситрихлорид ванадия были добавлены в массовом соотношении 3, рабочая температура была установлена на 50°С для получения шлама пентоксида ванадия. Шлам поступал в промывочный фильтр 2-2 для промывки очищенной водой (с сопротивлением 18,0 MΩ⋅см) и фильтрации, чтобы получить промывочную жидкость и порошок осадка пентоксида ванадия, где промывочная жидкость передавалась в систему очистки сточных вод и осадок пентоксида ванадия был предварительно нагрет системой предварительного нагрева и затем был введен в псевдоожиженный слой восстановления. В псевдоожиженном слое 5 восстановления введенным газом восстановления был газообразный водород, объемная доля газообразного водорода в смешанном газе из газообразного водорода и угольного газа, введенных в псевдоожиженный слой 5 восстановления, составляла 50%, среднее время выдерживания порошка составляло 30 мин., рабочая температура составляла 550°С, и был получен оксид ванадия низкой валентности со средней валентностью 3,5, и была достигнута чистота 5N5 (т.е. чистота 99,9995%). В реактор для растворения добавляют концентрированную соляную кислоту электронной чистоты и очищенную воду (с сопротивлением 18,0 МΩ⋅см), температура растворения составляла 50°С. В устройстве 11 активации активация проводилась в течение 150 минут с плотностью ультрафиолетовой энергии 100 Вт/м и температурой активации 30°С, чтобы получить электролит ванадия высокой чистоты с общим содержанием примесей менее 1 мкг/г (за исключением действующих компонентов).
Содержание, подробно не проиллюстрированное в настоящем изобретении, относится к хорошо известным в данной области технологиям.
Конечно, настоящее изобретение также может предусматривать разнообразные примеры. Согласно раскрытию настоящего изобретения специалисты в данной области могут внести разнообразные соответствующие изменения и модификации в пределах сущности и существа настоящего изобретения. Тем не менее, все соответствующие изменения и модификации должны соответствовать объему притязаний формулы изобретения настоящего изобретения.