СИСТЕМА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ ДЛЯ ПОЛНОСТЬЮ ВАНАДИЕВОГО ПРОТОЧНОГО АККУМУЛЯТОРА
SYSTEM AND METHOD OF PRODUCING ELECTROLYTE OF HIGH PURITY FOR COMPLETELY VANADIUM FLOW REDOX ACCUMULATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к областям энергетики и химической технологии, в частности к системе и способу получения электролита высокой чистоты для полностью ванадиевого проточного редокс-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.
4
4
4
2
5
2
5
2
3
2
4
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 широкому применению в ПРА. (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. Основная проблема способа заключается в сложности контроля степени восстановления и появлении новой примеси в системе ванадиевого электролита вследствие добавления восстановителя. (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. (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. Процесс 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. В китайской патентной заявке CN 102468509 A раскрыт способ 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 А раскрыт способ 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 управления, но в патенте не представлены мероприятия для точного управления восстановлением. 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 управления восстановлением, 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
В целях преодоления вышеизложенных недостатков настоящим изобретением предложена система и способ получения электролита высокой чистоты для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора, позволяющие легко и быстро получать электролит для ванадиевого редокс-аккумулятора и отличающиеся низкой стоимостью, высокой скоростью протекания процесса, возможностью контроля состояния валентности и высокой активностью. Для достижения данных целей настоящее изобретение основано на следующих технических решениях.
Настоящим изобретением предложена система для получения электролита высокой чистоты для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора, содержащая устройство 1 подачи ванадий-содержащего материала, устройство 2 предварительного подогрева ванадий-содержащего материала, устройство 3 восстановления в псевдоожиженном слое, устройство 4 предварительного охлаждения оксида ванадия низкой валентности, вторичное устройство 5 охлаждения оксида ванадия низкой валентности, устройство 6 подачи оксида ванадия низкой валентности, реактор 7 для растворения и устройство 8 активации электролита;
в которой устройство 1 подачи ванадий-содержащего материала содержит загрузочную воронку 1-1 для ванадий-содержащего материала и шнековый питатель 1-2 для ванадий-содержащего материала;
устройство 2 предварительного подогрева ванадий-содержащего материала содержит подогреватель 2-1 Вентури, циклонный подогреватель 2-2 и первый циклонный сепаратор 2-3;
псевдоожиженный слой 3 восстановления содержит питатель 3-1 ванадий-содержащего материала, массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, циклонный сепаратор 3-3 при псевдоожиженном слое восстановления, отводящее устройство 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления, подогреватель 3-5 псевдоожиженного слоя восстановления и очиститель 3-6 восстановительного газа;
устройство 4 предварительного охлаждения оксида ванадия низкой валентности содержит охладитель 4-1 Вентури, циклонный охладитель 4-2 и вторичный циклонный сепаратор 4-3;
устройство 6 подачи оксида ванадия низкой валентности содержит загрузочную воронку 6-1 оксида ванадия низкой валентности и шнековый питатель 6-2 оксида ванадия низкой валентности;
вывод сырья на дне загрузочной воронки 1-1 ванадий-содержащего материала соединен с вводом сырья шнекового питателя 1-2 для ванадий-содержащего материала; и вывод сырья шнекового питателя 1-2 ванадий-содержащего материала соединен с вводом сырья подогревателя 2-1 Вентури через трубопровод;
ввод газа подогревателя 2-1 Вентури соединен с выводом газа циклонного сепаратора 3-3 при псевдоожиженном слое восстановления; вывод сырья подогревателя 2-1 Вентури соединен с вводом сырья циклонного подогревателя 2-2 через трубопровод; вывод сырья циклонного подогревателя 2-2 соединен с вводом сырья питателя 3-1 ванадий-содержащего материала через трубопровод; вывод газа циклонного подогревателя 2-2 соединен с вводом газа первого циклонного сепаратора 2-3 через трубопровод; вывод газа первого циклонного сепаратора 2-3 соединен с системой обработки отходящих газов через трубопровод, и вывод сырья первого циклонного сепаратора 2-3 соединен с вводом сырья питателя 3-1 ванадий-содержащего материала через трубопровод;
вывод сырья питателя 3-1 ванадий-содержащего материала соединен с вводом сырья массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления через трубопровод; ввод воздуха аэрации питателя 3-1 ванадий-содержащего материала соединен с основной трубой очищенного газообразного азота через трубопровод; вывод газа массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления соединен с вводом газа циклонного сепаратора 3-3 при псевдоожиженном слое восстановления через трубопровод; вывод сырья циклонного сепаратора 3-3 при псевдоожиженном слое восстановления соединен с вводом сырья отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления через трубопровод; вывод сырья массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления соединен с вводом сырья отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления через трубопровод; вывод сырья отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления соединен с вводом сырья охладителя 4-1 Вентури через трубопровод; ввод воздуха аэрации отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления соединен с основной трубой очищенного газообразного азота через трубопровод; ввод восстановительного газа массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления соединен с выводом газа подогревателя 3-5 восстановительного газа через трубопровод; ввод газа подогревателя восстановительного газа соединен с выводом газа вторичного циклонного сепаратора 4-3 через трубопровод; ввод газа подогревателя восстановительного газа соединен с выводом газа очистителя 3-6 восстановительного газа через трубопровод; ввод газа очистителя 3-6 восстановительного газа соединен с основной трубой восстановительного газа через трубопровод; и ввод воздуха и ввод топлива подогревателя 3-5 восстановительного газа соединены с основной трубой сжатого воздуха и основной трубой топлива, соответственно;
ввод газа охладителя 4-1 Вентури соединен с основной трубой очищенного газообразного азота; вывод сырья охладителя 4-1 Вентури соединен с вводом сырья циклонного охладителя 4-2 через трубопровод; вывод сырья циклонного охладителя 4-2 соединен с вводом вторичной системы 5 охлаждения оксида ванадия низкой валентности через трубопровод; вывод газа циклонного охладителя 4-2 соединен с вводом газа вторичного циклонного сепаратора 4-3 через трубопровод; вывод сырья вторичного циклонного сепаратора 4-3 соединен с вводом сырья вторичного охладителя оксида ванадия низкой валентности 5 через трубопровод;
вывод сырья вторичного охлаждающего устройства 5 оксида ванадия низкой валентности соединен с вводом сырья загрузочной воронки 6-1 оксида ванадия низкой валентности через трубопровод; ввод технологической воды вторичного охлаждающего устройства оксида ванадия низкой валентности 5 соединен с основной трубой технологической воды через трубопровод; и вывод технологической воды вторичного охлаждающего устройства оксида ванадия низкой валентности 5 соединен с системой охлаждения воды через трубопровод;
вывод сырья на дне загрузочной воронки 6-1 оксида ванадия низкой валентности соединен с вводом сырья шнекового питателя 6-2 для оксида ванадия низкой валентности; и вывод сырья шнекового питателя 6-2 оксида ванадия низкой валентности соединен с вводом сырья реактора 7 для растворения через трубопровод;
ввод очищенной воды реактора 7 растворения соединен с основной трубой очищенной воды через трубопровод; ввод концентрированной серной кислоты реактора 7 для растворения соединен с основной трубой концентрированной серной кислоты через трубопровод; вывод газа реактора 7 растворения соединен с системой обработки остаточного газа через трубопровод; и вывод электролита реактора 7 растворения соединен с вводом электролита устройства 7 активации электролита через трубопровод.
Настоящее изобретение дополнительно предлагает способ получения электролита определенной валентности высокой чистоты для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора на основе вышеуказанной системы, содержащий следующие этапы:
последовательное введение ванадий-содержащего материала из загрузочной воронки 1-1 ванадий-содержащего материала в подогреватель 2-1 Вентури, циклонный подогреватель 2-2 и первый циклонный сепаратор 2-3 через шнековый питатель 1-2 для ванадий-содержащего материала, и последующее введение массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления через питатель 3-1 ванадий-содержащего материала; сбор порошка, захваченного отходящим газом высокой температуры, выпускаемым из массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, с помощью циклонного сепаратора 3-3 при массе псевдоожиженного слоя с последующей подачей на ввод сырья отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления; выгрузка восстановленного оксида ванадия низкой валентности из вывода сырья массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления и последовательная подача в охладитель 4-1 Вентури и циклонный охладитель 4-2 через отводящее устройство 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления, с дальнейшей подачей оксида ванадия низкой валентности во вторичный охладитель 5 и загрузочную воронку 6-1 для оксида ванадия низкой валентности вместе с порошковым материалом, уловленным вторым циклонным сепаратором 4-3; введение материала в реактор 7 растворения через шнековый питатель 6-2 для оксида ванадия низкой валентности и инициация реакции его растворения в чистой воде из основной трубы чистой воды и концентрированной серной кислоте из основной трубы концентрированной серной кислоты с целью получения первичного электролита; введение первичного электролита из реактора 7 растворения в устройство 8 активации электролита через трубопровод с клапаном и последующая активация для получения электролита со специальной валентностью и высокой активностью для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора;
причем очищенный газообразный азот последовательно вводят в охладитель 4-1 Вентури, циклонный охладитель 4-2 и второй циклонный сепаратор 4-3 и смешивают с восстановительным газом, очищенным в очистителе 3-6 восстановительного газа и подогретым в подогревателе 3-5 псевдоожиженного слоя восстановления, после чего вводят в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, в результате чего порошковый ванадий-содержащий материал остается в псевдоожиженном состоянии и восстанавливается; отходящий газ высокой температуры после восстановления последовательно вводят в циклонный сепаратор 3-3 псевдоожиженного слоя восстановления, подогреватель 2-1 Вентури и циклонный подогреватель 2-2, после чего освобождают от пыли в первом циклонном сепараторе 2-3 и передают в систему обработки отходящего газа; газообразный азот из двух прочих трубопроводов, отходящих от основной трубы очищенного газообразного азота, подают в питатель 3-1 ванадий-содержащего материала и отводящее устройство 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления, соответственно;
причем сжатый воздух и топливо подают на ввод сжатого воздуха и ввод топлива в подогревателе 3-5 псевдоожиженного слоя восстановления, соответственно;
причем технологическую воду из основной трубы технологической воды подают на ввод для воды вторичного охладителя 5 оксида ванадия низкой валентности и выпускают из вывода воды вторичного охладителя 5 оксида ванадия низкой валентности, после чего подают в систему водяного охлаждения.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения масса 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления выполнена в виде прямоугольной многокамерной двойной выпускной конструкции, а псевдоожиженный слой имеет встроенную вертикальную перегородку, каждый вывод сырья содержит вставной клапан, и два вывода сырья в верхнем и нижнем положении, соответственно, соединены с вводом сырья отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления через трубопроводы.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения ванадий-содержащий материал представляет собой пентоксид ванадия и/или метаванадат аммония и/или поливанадат аммония.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения восстановительный газ, вводимый в очиститель 3-6 восстановительного газа, представляет собой смесь одного или двух газов, выбранных из следующей группы: газообразный водород, газообразный аммиак, газ дуговой электропечи, конвертерный газ, доменный газ, газ коксовой печи и газ из газогенератора.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, при контроле рабочей температуры, среднего времени выдержки порошка и восстановительной атмосферы в псевдоожиженном слое восстановления средняя валентность ванадия в оксиде ванадия низкой валентности в продукте восстановления может принимать любое значение в диапазоне 3,0-4,5;
при этом рабочая температура в псевдоожиженном слое восстановления составляет 400-700°С, для чего соответствующую температуру подогревателя 3-5 псевдоожиженного слоя восстановления поддерживают на уровне 450-950°С;
среднее время выдержки порошка составляет 30-60 минут, причем, если средняя валентность ванадия в получаемом оксиде ванадия низкой валентности составляет 3,0-3,6, для выгрузки используют вывод сырья в верхнем положении; если средняя валентность ванадия в получаемом оксиде ванадия низкой валентности составляет 3,6-4,5, для выгрузки используют вывод сырья в нижнем положении;
под контролем восстановительной атмосферы понимают, что объемная доля восстановительного газа в смеси газообразного азота и восстановительного газа составляет 10%-90%.
Согласно пятому аспекту настоящего изобретения в электролите высокой активности со специальной валентностью для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора, полученном в реакторе 7 растворения, средняя валентность ионов ванадия принимает любое значение в диапазоне 3,0-4,5, концентрация ионов ванадия составляет 1,0-3,0 моль/л, а концентрация серной кислоты составляет 3,0-6,0 моль/л; в частности, если средняя валентность ионов ванадия в электролите равна 3,5, электролит можно непосредственно использовать для нового полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора.
Согласно шестому аспекту настоящего изобретения, электролит активируют в устройстве 8 активации электролита путем приложения микроволнового поля снаружи при длительности активации 30-300 минут, температуре активации 20-85°С, плотности потока мощности микроволн 10-300 Вт/л и частоте микроволн 2450 МГц или 916 МГц.
Способ получения электролита согласно настоящему изобретению отличается экономичностью, быстротой, возможностью контроля состояния валентности, высокой активностью, удобством транспортировки, а также простотой. По сравнению с предшествующим уровнем техники настоящее изобретение обеспечивает следующие отличительные преимущества:
(1) Использование физической теплоты отходящего газа высокой температуры и продукта восстановления высокой температуры в псевдоожиженном слое: отходящий газ высокой температуры, выпускаемый из псевдоожиженного слоя восстановления, вступает в непосредственный контакт с холодным ванадий-содержащим материалом, в результате чего холодный ванадий-содержащий материал нагревается с восстановлением физической теплоты отходящего восстановительного газа высокой температуры; очищенный газообразный азот для восстановления вступает в непосредственный контакт с выгруженным оксидом ванадия высокой температуры с низкой валентностью, в результате чего очищенный газообразный азот подогревается, в то время как восстановительный продукт охлаждается для восстановления физической теплоты восстановительного продукта высокой температуры.
(2) Открытая циркуляция ультратонкого порошка: отходящий газ из псевдоожиженного слоя восстановления пропускают через внешний циклонный сепаратор, и уловленный порошок направляют в отводящее устройство при псевдоожиженном слое восстановления, реализуя тем самым открытую циркуляцию частиц ультратонкого порошка и предотвращая закрытую циркуляцию частиц ультратонкого порошка.
(3) Регулируемое состояние валентности: структуру псевдоожиженного слоя прямоугольной двойной многокамерной выпускной конструкции используют для точного управления восстановлением, в результате чего можно получить оксид ванадия низкой валентности, в котором средняя валентность ванадия принимает любое значение в диапазоне 3,0-4,5, и, соответственно, электролит со средней валентностью ванадия, принимающей любое значение в диапазоне 3,0-4,5; в частности, если средняя валентность ионов ванадия в электролите равна 3,5, электролит можно непосредственно использовать для сборки новой ванадиевой аккумуляторной батареи.
(4) Высокая активность: микроволновое поле, прилагаемое снаружи, используют для активации электролита, что способствует разрыву кислородных мостиков, а оборудование реализуют легко и удобно с хорошими результатами активации.
(5) Простота приготовления и удобство транспортировки: процесс получения электролита короткий, с простой подготовкой, и подходит для компоновки ванадиевых аккумуляторов на месте установки, оксид ванадия низкой валентности может быть транспортирован, что значительно снижает затраты на транспортировку.
Преимущества настоящего изобретения заключаются в значительном потенциале адаптации сырья, адекватной реакции восстановления в псевдоожиженном слое, отсутствии загрязненных сточных вод, низком расходе энергии при производстве и низких эксплуатационных расходах, стабильном качестве продукции и т.п.; изобретение может применяться в серийном производстве электролита для полностью ванадиевых проточных редокс-аккумуляторов с различным заданным состоянием валентности и высокой активностью, что дает значительные экономические и социальные преимущества.
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.
Система для получения электролита высокой чистоты для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора, описываемая настоящим изобретением, содержит устройство 1 подачи ванадий-содержащего материала, устройство 2 предварительного подогрева ванадий-содержащего материала, устройство 3 восстановления в псевдоожиженном слое, устройство 4 предварительного охлаждения оксида ванадия низкой валентности, вторичное устройство 5 охлаждения оксида ванадия низкой валентности, устройство 6 подачи оксида ванадия низкой валентности, реактор 7 для растворения и устройство 8 активации электролита.
Устройство 1 подачи ванадий-содержащего материала содержит загрузочную воронку 1-1 для ванадий-содержащего материала и шнековый питатель 1-2 для ванадий-содержащего материала.
Устройство 2 предварительного подогрева ванадий-содержащего материала содержит подогреватель 2-1 Вентури, циклонный подогреватель 2-2 и первый циклонный сепаратор 2-3.
Псевдоожиженный слой 3 восстановления содержит питатель 3-1 ванадий-содержащего материала, массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, циклонный сепаратор 3-3 при псевдоожиженном слое восстановления, отводящее устройство 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления, подогреватель 3-5 псевдоожиженного слоя восстановления и очиститель 3-6 восстановительного газа.
Устройство 4 предварительного охлаждения оксида ванадия низкой валентности содержит охладитель 4-1 Вентури, циклонный охладитель 4-2 и вторичный циклонный сепаратор 4-3.
Устройство 6 подачи оксида ванадия низкой валентности содержит загрузочную воронку 6-1 оксида ванадия низкой валентности и шнековый питатель 6-2 оксида ванадия низкой валентности.
Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую конфигурацию системы получения электролита определенной валентности высокой чистоты для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора согласно настоящему изобретению.
Ссылочные позиции:
1 Устройство подачи ванадий-содержащего материала
1-1 Загрузочная воронка ванадий-содержащего материала
1-2 Шнековый питатель ванадий-содержащего материала
2 Устройство подогрева ванадий-содержащего материала
2-1 Подогреватель Вентури
2-2 Циклонный подогреватель
2-3 Первичный циклонный сепаратор
3 Псевдоожиженный слой восстановления
3-1 Питатель ванадий-содержащего материала
3-2 Масса псевдоожиженного слоя восстановления
3-3 Циклонный сепаратор при псевдоожиженном слое восстановления
3-4 Отводящее устройство при псевдоожиженном слое восстановления
3-5 Подогреватель псевдоожиженного слоя восстановления
3-6 Очиститель восстановительного газа
4 Устройство предварительного охлаждения оксида ванадия низкой валентности
4-1 Охладитель Вентури
4-2 Циклонный охладитель
4-3 Вторичный циклонный сепаратор
5 Вторичное устройство охлаждения оксида ванадия низкой валентности
6 Устройство подачи оксида ванадия низкой валентности
6-1 Загрузочная воронка оксида ванадия низкой валентности
6-2 Шнековый питатель оксида ванадия низкой валентности
7 Реактор растворения
8 Устройство активации электролита.
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.
Пример 1
Со ссылкой на ФИГ. 1, система для получения электролита высокой чистоты для ванадиевого проточного редокс-аккумулятора, используемая в этом примере, содержит устройство 1 подачи ванадий-содержащего материала, устройство 2 подогрева ванадий-содержащего материала, устройство 3 восстановления в псевдоожиженном слое, устройство 4 предварительного охлаждения оксида ванадия низкой валентности, вторичное устройство 5 охлаждения оксида ванадия низкой валентности, устройство 6 подачи оксида ванадия низкой валентности, реактор 7 растворения и устройство 8 активации электролита.
Устройство 1 подачи ванадий-содержащего материала содержит загрузочную воронку 1-1 для ванадий-содержащего материала и шнековый питатель 1-2 для ванадий-содержащего материала.
Устройство 2 предварительного подогрева ванадий-содержащего материала содержит подогреватель 2-1 Вентури, циклонный подогреватель 2-2 и первый циклонный сепаратор 2-3.
Псевдоожиженный слой 3 восстановления содержит питатель 3-1 ванадий-содержащего материала, массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, циклонный сепаратор 3-3 при псевдоожиженном слое восстановления, отводящее устройство 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления, подогреватель 3-5 псевдоожиженного слоя восстановления и очиститель 3-6 восстановительного газа.
Устройство 4 предварительного охлаждения оксида ванадия низкой валентности содержит охладитель 4-1 Вентури, циклонный охладитель 4-2 и вторичный циклонный сепаратор 4-3.
Устройство 6 подачи оксида ванадия низкой валентности содержит загрузочную воронку 6-1 оксида ванадия низкой валентности и шнековый питатель 6-2 оксида ванадия низкой валентности.
Вывод сырья на дне загрузочной воронки 1-1 ванадий-содержащего материала соединен с вводом сырья шнекового питателя 1-2 для ванадий-содержащего материала; и вывод сырья шнекового питателя 1-2 ванадий-содержащего материала соединен с вводом сырья подогревателя 2-1 Вентури через трубопровод.
Ввод газа подогревателя 2-1 Вентури соединен с выводом газа циклонного сепаратора 3-3 при псевдоожиженном слое восстановления; вывод сырья подогревателя 2-1 Вентури соединен с вводом сырья циклонного подогревателя 2-2 через трубопровод; вывод сырья циклонного подогревателя 2-2 соединен с вводом сырья питателя 3-1 ванадий-содержащего материала через трубопровод; вывод газа циклонного подогревателя 2-2 соединен с вводом газа первого циклонного сепаратора 2-3 через трубопровод; вывод газа первого циклонного сепаратора 2-3 соединен с системой обработки отходящих газов через трубопровод, и вывод сырья первого циклонного сепаратора 2-3 соединен с вводом сырья питателя 3-1 ванадий-содержащего материала через трубопровод.
Вывод сырья питателя 3-1 ванадий-содержащего материала соединен с вводом сырья массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления через трубопровод; ввод воздуха аэрации питателя 3-1 ванадий-содержащего материала соединен с основной трубой очищенного газообразного азота через трубопровод; вывод газа массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления соединен с вводом газа циклонного сепаратора 3-3 при псевдоожиженном слое восстановления через трубопровод; вывод сырья циклонного сепаратора 3-3 при псевдоожиженном слое восстановления соединен с вводом сырья отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления через трубопровод; вывод сырья массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления соединен с вводом сырья отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления через трубопровод; вывод сырья отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления соединен с вводом сырья охладителя 4-1 Вентури через трубопровод; ввод воздуха аэрации отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления соединен с основной трубой очищенного газообразного азота через трубопровод; ввод восстановительного газа массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления соединен с выводом газа подогревателя 3-5 восстановительного газа через трубопровод; ввод газа подогревателя восстановительного газа соединен с выводом газа вторичного циклонного сепаратора 4-3 через трубопровод; ввод газа подогревателя восстановительного газа соединен с выводом газа очистителя 3-6 восстановительного газа через трубопровод; ввод газа очистителя 3-6 восстановительного газа соединен с основной трубой восстановительного газа через трубопровод; и ввод воздуха и ввод топлива подогревателя 3-5 восстановительного газа соединены с основной трубой сжатого воздуха и основной трубой топлива, соответственно.
ввод газа охладителя 4-1 Вентури соединен с основной трубой очищенного газообразного азота; вывод газа охладителя 4-1 Вентури соединен с вводом газа циклонного охладителя 4-2 через трубопровод; вывод сырья циклонного охладителя 4-2 соединен с вводом сырья вторичной системы 5 охлаждения оксида ванадия низкой валентности через трубопровод; вывод газа циклонного охладителя 4-2 соединен с вводом газа вторичного циклонного сепаратора 4-3 через трубопровод; вывод сырья вторичного циклонного сепаратора 4-3 соединен с вводом сырья вторичного устройства 5 охлаждения оксида ванадия низкой валентности через трубопровод;
вывод сырья вторичного устройства 5 охлаждения оксида ванадия низкой валентности соединен с вводом сырья загрузочной воронки 6-1 оксида ванадия низкой валентности через трубопровод; ввод технологической воды вторичного охлаждающего устройства 5 оксида ванадия низкой валентности соединен с основной трубой технологической воды через трубопровод; и вывод технологической воды вторичного охлаждающего устройства 5 оксида ванадия низкой валентности соединен с системой охлаждения воды через трубопровод;
вывод сырья на дне загрузочной воронки 6-1 оксида ванадия низкой валентности соединен с вводом сырья шнекового питателя 6-2 для оксида ванадия низкой валентности; и вывод сырья шнекового питателя 6-2 оксида ванадия низкой валентности соединен с вводом сырья реактора 7 растворения через трубопровод;
ввод очищенной воды реактора 7 растворения соединен с основной трубой очищенной воды через трубопровод; ввод концентрированной серной кислоты реактора 7 растворения соединен с основной трубой концентрированной серной кислоты через трубопровод; вывод газа реактора 7 растворения соединен с системой обработки остаточного газа через трубопровод; и вывод электролита реактора 7 растворения соединен с вводом электролита устройства 7 активации электролита через трубопровод.
Пример 2
Систему, раскрытую в примере 1, используют для получения электролита высокой активности со специальной валентностью для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора. Соответственно, способ включает в себя следующие стадии:
Ванадий-содержащий материал из загрузочной воронки 1-1 ванадий-содержащего материала последовательно подают в подогреватель 2-1 Вентури, циклонный подогреватель 2-2 и первый циклонный сепаратор 2-3 через шнековый питатель 1-2 ванадий-содержащего материала, после чего направляют в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления через питатель 3-1 ванадий-содержащего материала. Порошок, захваченный отходящим газом высокой температуры, выпускаемым из массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, собирают с помощью циклонного сепаратора 3-3 при массе псевдоожиженного слоя с последующей подачей на ввод сырья отводящего устройства 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления. Восстановленный оксид ванадия низкой валентности выгружают из вывода сырья массы 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления и последовательно направляют в охладитель 4-1 Вентури и циклонный охладитель 4-2 через отводящее устройство 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления с дальнейшей подачей оксида ванадия низкой валентности во вторичный охладитель 5 и загрузочную воронку 6-1 для оксида ванадия низкой валентности вместе с порошковым материалом, уловленным вторым циклонным сепаратором 4-3. Материал вводят в реактор 7 растворения через шнековый питатель 6-2 для оксида ванадия низкой валентности и инициируют реакцию его растворения в чистой воде из основной трубы чистой воды и концентрированной серной кислоте из основной трубы концентрированной серной кислоты с целью получения первичного электролита. Первичный электролит в реакторе 7 растворения подают в устройство 8 активации электролита через трубопровод с клапаном и активируют для получения электролита высокой активности со специальной валентностью для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора.
Очищенный газообразный азот последовательно вводят в охладитель 4-1 Вентури, циклонный охладитель 4-2 и второй циклонный сепаратор 4-3 и смешивают с восстановительным газом, очищенным в очистителе 3-6 восстановительного газа и подогретым в подогревателе 3-5 псевдоожиженного слоя восстановления, после чего вводят в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, в результате чего порошковый ванадий-содержащий материал остается в псевдоожиженном состоянии и восстанавливается. Отходящий газ высокой температуры после восстановления последовательно вводят в циклонный сепаратор 3-3 псевдоожиженного слоя восстановления, подогреватель 2-1 Вентури и циклонный подогреватель 2-2, после чего освобождают от пыли в первом циклонном сепараторе 2-3 и передают в систему обработки отходящего газа. Газообразный азот из двух прочих трубопроводов, отходящих от основной трубы очищенного газообразного азота, подают в питатель 3-1 ванадий-содержащего материала и отводящее устройство 3-4 при псевдоожиженном слое восстановления, соответственно.
Сжатый воздух и топливо подают на ввод сжатого воздуха и ввод топлива в подогревателе 3-5 псевдоожиженного слоя восстановления, соответственно.
Технологическую воду из основной трубы технологической воды подают на ввод для воды вторичного охладителя 5 оксида ванадия низкой валентности и выпускают из вывода воды вторичного охладителя 5 оксида ванадия низкой валентности, после чего подают в систему водяного охлаждения.
Пример 3
В этом примере в качестве сырья использовали поливанадат аммония, расход которого составил 300 кг/ч. Восстановительный газ, введенный в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, представлял собой угольный газ из газогенератора, объемная доля угольного газа в смеси газообразного азота и угольного газа, введенной в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, составляла 90%, среднее время выдержки порошка составляло 60 минут, оксид ванадия низкой валентности выгружали из вывода сырья в верхнем положении, а рабочая температура в псевдоожиженном слое восстановления составляла 700°C; был получен оксид ванадия низкой валентности со средней валентностью ванадия 3,0. Концентрированную серную кислоту и очищенную воду добавили в реактор 7 растворения для получения первичного электролита. В устройстве 8 активации первичный электролит активируют в течение 300 минут при температуре 20°С, плотности потока мощности микроволн 10 Вт/л и частоте микроволн 916 МГц для получения электролита высокой активности со специальной валентностью для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора со средней валентностью ионов ванадия 3,0, концентрацией ионов ванадия 1,5 моль/л и концентрацией сульфата 5,0 моль/л.
Пример 4
В этом примере в качестве сырья использовали метаванадат аммония, расход которого составил 30 кг/ч. Восстановительный газ, введенный в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, представлял собой доменный газ, объемная доля угольного газа в смеси газообразного азота и угольного газа, введенной в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, составляла 10%, среднее время выдержки порошка составляло 60 минут, оксид ванадия низкой валентности выгружали из вывода сырья в нижнем положении, а рабочая температура в псевдоожиженном слое восстановления составляла 400°С; был получен оксид ванадия низкой валентности со средней валентностью ванадия 4,5. Концентрированную серную кислоту и очищенную воду добавили в реактор 7 растворения для получения первичного электролита. В устройстве 8 активации первичный электролит активируют в течение 10 минут при температуре 85°С, плотности потока мощности микроволн 300 Вт/л и частоте микроволн 2450 МГц для получения электролита высокой активности со специальной валентностью для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора со средней валентностью ионов ванадия 4,5, концентрацией ионов ванадия 1,5 моль/л и концентрацией сульфата 5,0 моль/л.
Пример 5
В этом примере пентаоксид ванадия (с чистотой более 99,996%) был использован как сырьевой материал, и производительность составляла 100 кг/ч. Восстановительный газ, введенный в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, представлял собой газообразный водород, объемная доля газообразного водорода в смеси газообразного азота и газообразного водорода, введенной в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, составляла 50%, среднее время выдержки порошка составляло 45 минут, оксид ванадия низкой валентности выгружали из вывода сырья в верхнем положении, а рабочая температура в псевдоожиженном слое восстановления составляла 500°С; был получен оксид ванадия низкой валентности со средней валентностью ванадия 3,5. Концентрированную серную кислоту и очищенную воду добавили в реактор 7 растворения для получения первичного электролита. В устройстве 8 активации первичный электролит активируют в течение 120 минут при температуре 40°С, плотности потока мощности микроволн 200 Вт/л и частоте микроволн 916 МГц для получения электролита высокой активности со специальной валентностью для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора со средней валентностью ионов ванадия 3,5, концентрацией ионов ванадия 1,7 моль/л и концентрацией сульфата 5,0 моль/л, который можно использовать непосредственно для получения электролита для нового полностью ванадиевой проточной редокс-аккумуляторной батареи.
Пример 6
В этом примере пентоксид ванадия (с чистотой более 99,996%) был использован как сырьевой материал, и производительность составляла 100 кг/ч. Восстановительный газ, введенный в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, представлял собойгазообразный аммиак, объемная доля газообразного аммиака в смеси газообразного азота и газообразного аммиака, введенной в массу 3-2 псевдоожиженного слоя восстановления, составляла 60%, среднее время выдержки порошка составляло 30 минут, оксид ванадия низкой валентности выгружали из вывода сырья в верхнем положении, а рабочая температура в псевдоожиженном слое восстановления составляла 600°С; был получен оксид ванадия низкой валентности со средней валентностью ванадия 3,6. Концентрированную серную кислоту и очищенную воду добавили в реактор 7 растворения для получения первичного электролита. В устройстве 8 активации первичный электролит активируют в течение 200 минут при температуре 50°С, плотности потока мощности микроволн 200 Вт/л и частоте микроволн 916 МГц для получения электролита высокой активности со специальной валентностью для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора со средней валентностью ионов ванадия 3,6, концентрацией ионов ванадия 1,7 моль/л и концентрацией сульфата 5,0 моль/л, который можно использовать непосредственно для получения электролита для новой ванадиевой проточной редокс-аккумуляторной батареи.
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.