权利要求

1.一种硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法，其特征在于，包括：

以副产硫酸钠为原料，加入回转窑中，利用二次烟气对原料预热处理;

将预热处理产物给料至电热还原炉中，采用从电热还原炉的顶部插入的电极对炉内物料进行加热，以惰性气体或氮气作为载气将还原剂喷射到电热还原炉内，进行还原反应，得到熔融态高温硫化钠，产生烟气;

将所述烟气送入再燃室，基于热空气下进行二次燃烧，得到所述二次烟气，将所述二次烟气送入回转窑中;

将所述熔融态高温硫化钠送入换热器中，与通入换热器中的空气非接触式换热，得到冷却后硫化钠产品和所述热空气，将所述热空气送入再燃室中。

2.根据权利要求1所述的硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法，其特征在于，在回转窑中，利用二次烟气采用逆流换热方式对原料预热处理;其中，预热温度300℃～550℃。

3.根据权利要求1所述的硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法，其特征在于，还包括：将预热处理后的预热烟气送入尾气处理装置进行处理。

4.根据权利要求1所述的硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法，其特征在于，采用螺旋给料机将预热处理产物输送至电热还原炉中。

5.根据权利要求1所述的硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法，其特征在于，所述还原剂选自固体还原剂和气体还原剂中的一种或几种;所述固体还原剂包括低挥发份的无烟煤和洗精煤，所述气体还原剂包括天然气和煤气。

6.根据权利要求1所述的硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法，其特征在于，所述还原剂为粉状固体还原剂或气体还原剂，将载气和还原剂形成的混合气体或者气固两相流，经喷枪从电热还原炉的侧部以100～330m/s气流速度喷射到电热还原炉的熔池中。

7.根据权利要求1所述的硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法，其特征在于，采用封闭式溜槽，将所述熔融态高温硫化钠送入换热器中;

和/或，所述换热器采用间壁式结构。

8.一种根据权利要求1所述的硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法所采用的系统，其特征在于，包括：

回转窑，用于采用二次烟气对原料进行预热处理;

电热还原炉，用于接收预热处理产物并进行电热还原，所述电热还原炉的顶部设置有插入炉内用于对炉内物料进行加热的电极，所述电热还原炉还设置有喷射装置，所述喷射装置用于以惰性气体或氮气作为载气将还原剂喷射到炉内;

再燃室，与电热还原炉的烟气出口相连，具有热空气入口和与回转窑的二次烟气入口相连的二次烟气出口，所述再燃室用于基于热空气下对送入的烟气进行二次燃烧，得到所述二次烟气并将所述二次烟气送入回转窑中;

换热器，为间壁式结构，与电热还原炉的熔融态高温硫化钠出口相连，还具有空气入口和与再燃室的热空气入口相连的热空气出口，所述换热器用于接收电热还原炉排出的熔融态高温硫化钠，并使其与空气非接触式换热，得到冷却后硫化钠产品和所述热空气，并将所述热空气送入再燃室中。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，

所述原料入口位于首端，二次烟气入口位于尾端;

和/或，所述回转窑还设置有温度监控部件，用于将预热温度控制在300℃～550℃。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：烟气处理系统，与回转窑的烟气出口相连，用于接收并处理预热处理后的预热烟气。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电热还原炉与回转窑出口通过螺旋给料机相连，用于采用螺旋给料机将预热处理产物输送至电热还原炉中。

12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电热还原炉的产品出口与换热器之间连接有封闭式溜槽。

13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述喷射装置为喷枪，安装在电热还原炉的侧部，低于高温熔体表面10～50cm，用于以侧吹喷射方式将还原剂喷射到电热还原炉熔池内。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及硫酸钠制备硫化钠制备技术领域，特别是涉及一种硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法及系统。

背景技术

[0002]硫酸钠制备硫化钠的工艺为煤还原芒硝法。目前所采用的芒硝煅烧还原炉有反射炉、长转炉、短转炉等。其中，反射炉由于其转化率低，热效率不高，劳动强度大等缺点，逐渐被淘汰。长转炉工艺缺点是：原料消耗指标高，修炉次数多，检修困难，钢材、耐火砖消耗大;炉身长，长时间停炉产生的收缩明显，易造成耐材及炉体损坏;炉子前后温差大，造成生熟不均，影响产品质量。短转炉缺点是：不能连续出料和浸取;炉尾气体温度高(850～900℃)，热效率低。

[0003]近年来，两段式组合炉窑受到较多关注，本申请发明人发现，两段式组合炉窑通过将芒硝融化与还原过程分离，虽可解决芒硝煅烧过程出现的温度、还原剂配入量不易控制等难题，一定程度上缓解过烧和欠烧现象的发生，提高了流程稳定性和产品质量;但是，组合式炉窑的级间传质和气氛控制问题依然没得到很好的解决。

发明内容

[0004]基于此，根据本发明的一个实施方式，其目的在于提供一种硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法及系统，通过采用回转窑+电热还原炉两段式，并在电热还原段采用电极加热+还原剂射流强化搅动，提高了电热还原炉内的混合条件，强化传质传热过程，提高反应效率，降低了能耗。

[0005]上述目的可以是通过以下技术方案的实施方式实现：

根据本发明的一个方面，本发明提供的一种硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法，包括：以副产硫酸钠为原料，加入回转窑中，利用二次烟气对原料预热处理;将预热处理产物给料至电热还原炉中，采用从电热还原炉的顶部插入的电极对炉内物料进行加热，以惰性气体或氮气作为载气，将还原剂喷射到电热还原炉内，进行还原反应，得到熔融态高温硫化钠，产生烟气;将所述烟气送入再燃室，基于热空气下进行二次燃烧，得到所述二次烟气，将所述二次烟气送入回转窑中;将所述熔融态高温硫化钠送入换热器中，与通入换热器中的空气非接触式换热，得到冷却后硫化钠产品和所述热空气，将所述热空气送入再燃室中。

[0006]可选地，在回转窑中，利用二次烟气采用逆流换热方式对原料预热处理;其中，预热温度300℃～550℃。

[0007]可选地，还包括：将预热处理后的预热烟气送入尾气处理装置进行处理。

[0008]可选地，采用螺旋给料机，将预热处理产物输送至电热还原炉中。

[0009]可选地，所述还原剂选自固体还原剂和气体还原剂中的一种或几种;所述固体还原剂包括低挥发份的无烟煤和洗精煤，所述气体还原剂包括天然气和煤气。

[0010]可选地，所述还原剂为粉状固体还原剂或气体还原剂，将载气和还原剂形成的混合气体或者气固两相流，经喷枪从电热还原炉的侧部以100～330m/s气流速度喷射到电热还原炉的熔池中。

[0011]可选地，采用封闭式溜槽，将所述熔融态高温硫化钠送入换热器中。

[0012]可选地，所述换热器采用间壁式结构。

[0013]根据本发明的另一个方面，本发明提供的一种硫酸钠电热还原制备硫化钠的系统，包括：

回转窑，用于采用二次烟气对原料进行预热处理;

电热还原炉，用于接收预热处理产物并进行电热还原，所述电热还原炉的顶部设置有插入炉内用于对炉内物料进行加热的电极，所述电热还原炉还设置有喷射装置，所述喷射装置用于以惰性气体或氮气作为载气将还原剂喷射到炉内;

再燃室，与电热还原炉的烟气出口相连，具有热空气入口和与回转窑的二次烟气入口相连的二次烟气出口，所述再燃室用于基于热空气下对送入的烟气进行二次燃烧，得到所述二次烟气并将所述二次烟气送入回转窑中;

换热器，为间壁式结构，与电热还原炉的熔融态高温硫化钠出口相连，还具有空气入口和与再燃室的热空气入口相连的热空气出口，所述换热器用于接收电热还原炉排出的熔融态高温硫化钠，并使其与空气非接触式换热，得到冷却后硫化钠产品和所述热空气，并将所述热空气送入再燃室中。

[0014]可选地，所述原料入口位于首端，二次烟气入口位于尾端。

[0015]可选地，所述回转窑还设置有温度监控部件，用于将预热温度控制在300℃～550℃。

[0016]可选地，还包括：烟气处理系统，与回转窑的烟气出口相连，用于接收并处理预热处理后的预热烟气。

[0017]可选地，所述电热还原炉与回转窑出口通过螺旋给料机相连，用于采用螺旋给料机将预热处理产物输送至电热还原炉中。

[0018]可选地，所述电热还原炉的产品出口与换热器之间连接有封闭式溜槽。

[0019]可选地，所述喷射装置为喷枪，喷射方式为底吹、侧吹、顶吹中一种或几种任意组合。

[0020]有益效果：本发明通过采用回转窑+电热还原炉两段式，并在电热还原段采用电极加热+还原剂射流强化搅动，提高了电热还原炉内的混合条件，强化传质传热过程，提高反应效率，降低了能耗。

附图说明

[0021]图1是本发明一实施例中的硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法的流程示意图。

具体实施方式

[0022]下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0023]另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

[0024]除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。

[0025]关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

[0026]如前面所述的，本申请发明人发现，通过采用两段式组合炉窑将芒硝融化于还原过程进行分离，解决了芒硝煅烧过程出现的温度、还原剂配入量不易控制等难题，一定程度上缓解了过烧和欠烧现象的发生，提高了流程稳定性和产品质量;但是，组合式炉窑的级间传质和气氛控制问题依然没得到很好的解决。此外，本申请发明人还认识到，传统工艺中煤既充当还原剂，也参与燃烧提供反应所需热量，导致煤的使用量大于其化学配比;在还原过程中，煤中的挥发分会以杂质的形式进入到产品硫化钠中，导致产品纯度降低。因此，采用其他方式提供热量，减少煤的配入量，是硫酸钠还原制备高纯硫化钠的关键所在。基于上述发现和认识，本申请通过采用回转窑+电热还原炉两段式，并在电热还原段采用电极加热+还原剂射流强化搅动，提高了电热还原炉内的混合条件，强化传质传热过程，提高反应效率，降低了能耗。

[0027]图1示意性示出了本发明一实施例中硫酸钠电热还原制备硫化钠的方法的流程。

[0028]该实施例所采用的硫酸钠电热还原制备硫化钠的系统，包括回转窑、电热还原炉、再燃室、换热器以及尾气处理装置。其中，所述回转窑的原料入口位于首端，二次烟气入口位于尾端，回转窑还设置有温度监控部件，回转窑出口通过螺旋给料机连至电热还原炉入口;此外，所述回转窑的烟气出口还与尾气处理装置相连。所述电热还原炉设置有电极和喷射装置，电极从炉顶部插入炉内，喷射装置例如可以为喷枪等安装在电热还原炉上，用于以惰性气体或氮气作为载气将还原剂喷射到炉内。所述电热还原炉的烟气出口连至再燃室，再燃室具有与换热器热空气出口相连的热空气入口，通过利用送入的热空气对烟气进行二次燃烧，再燃室具有的二次烟气出口与回转窑二次烟气入口相连。所述电热还原炉的熔融态高温硫化钠出口还通过封闭式溜槽连至换热器，换热器为间壁式结构，还具有空气入口和热空气出口，被熔融态高温硫化钠非接触式换热后的热空气经进入到再燃室中。

[0029]如图1所示，该实施例硫酸钠电热还原制备硫化钠，具体包括以下步骤：

步骤S10，以副产硫酸钠为原料，加入回转窑中进行预热处理，而且利用再燃室排出的二次烟气对原料进行预热处理，将预热温度控制为300～550℃，预热处理产物采用螺旋给料机输送至电热还原炉中进行电热还原。

[0030]此外，该实施例在回转窑中，二次烟气采用逆流换热方式与原料换热，提高换热效率。通过采用电热还原炉烟气再燃后的二次烟气来加热物料，充分利用了烟气热量和化学能;同时在回转窑中通过上述预热方法，从而有效地降低了物料水分，提高了进入电热还原炉物料的温度，降低了后续工艺能耗。

[0031]步骤S20，在电热还原炉中，采用从电热还原炉的顶部插入炉内的电极对物料进行加热，采用喷射装置以惰性气体或氮气作为载气将还原剂喷射到电热还原炉内，使预热处理产物与还原剂进行还原反应，得到熔融态高温硫化钠，产出烟气。

[0032]预热处理后物料进入电热还原炉中，通过采用顶部插入的电极对物料进行加热，实现物料的融化，并维持一定过热度，保证炉内熔体良好的流动状态和化学反应条件。此外，通过采用保护气作为载气来输送还原剂，将还原剂喷射到电热还原炉中，不仅可以保障炉内还原性气氛，维持炉内的低氧或者无氧环境，还可以作为熔池搅动的动力源，以提高传质。

[0033]步骤S30，电热还原炉所产生的烟气含有大量CO以及部分未参与反应的还原性气体，将其通入再燃室中进行二次燃烧，燃烧后产生的二次烟气通入到回转窑中，以对物料进行预热处理，预热处理后预热烟气然后进入尾气处理装置，依次进行除尘、脱硫、脱硝处理，尾气达标后，经烟囱排放。

[0034]此外，二次燃烧时采用经换热器预热后的热空气对烟气进行燃烧，充分利用了熔融态高温硫化钠的热量，而且，再燃室中电热还原炉送入高温烟气与热空气二次燃烧后的二次烟气含有较高热量，进入回转窑中可以有效地对物料进行预热，最大程度地实现了热量的高效回用。此外，由于电热还原炉产生的可燃性烟气中，可燃组分CO含量不高，在常温条件下的燃烧条件不好，而本申请通过采用热空气进行燃烧，可以提高烟气中的可燃组分的燃尽率。

[0035]步骤S40，电热还原炉排出的熔融态高温硫化钠产品采用封闭式溜槽送入到换热器中进行冷却，对即将进入到再燃室的空气进行预热，也就是说，与通入换热器中空气先换热，将预热后的热空气送入到再燃室内进行二次燃烧。

[0036]此外，为了防止高温状态下硫化钠与氧气产生反应，通过封闭式溜槽输送，换热器采用间壁式结构，空气不直接与高温熔体接触，也充分利用了高温熔体热量对即将进入再燃室的空气进行预热。

[0037]进一步地，该实施例中，电极从电热还原炉的顶部插入炉内，且电极数量可以为2～3支，在电热还原炉的顶面呈直线或三角形分布进行布置，电极间距不低于15cm，各电极插入熔池深度为0～0.3m，从而可以对物料均匀加热，更有利于与喷入的还原剂进行还原反应。

[0038]还原剂可以选自固体还原剂和气体还原剂中一种或多种，例如可以为低挥发份的无烟煤、洗精煤等固体还原剂，也可以为天然气、煤气等还原性气体。其中，固体还原剂中采用低灰份煤种，相比常规无烟煤，本申请采用低灰分的无烟煤、洗精煤，可以减少还原剂所带入的Ca、Mg等杂质，从而提高了产品的纯度。此外，本申请发明人发现，若从炉顶部喷入粉状固体还原剂或气体还原剂时，部分还原剂会被电热还原炉的烟气带走，进而降低了还原剂的使用效率;基于此，本申请较优实施例中，从侧部添加粉状固体还原剂或气体还原剂。进一步地，采用单通道或多通道喷枪对还原剂进行输送，喷枪安装位置略低于高温熔体表面，可以为10～50cm，气流速度为100～330m/s;该条件下更有利于还原反应的进行。

[0039]下面结合一具体实施例对本申请中的技术方案做更详细说明：

实施例1

A. 副产硫酸钠通过加料装置加入到回转窑中，再燃室排出的二次烟气从回转窑尾部进入，与回转窑中的副产硫酸钠进行逆流换热，将其加热至350℃。

[0040]B. 预热后的副产硫酸钠经过螺旋给料机送入电热还原炉中，在电极的加热下，与喷入的还原剂射流进行反应，生成硫化钠。还原剂具体为天然气，载气为N2，载气与还原剂按照1:1的搭配比例，组成气流。采用侧吹喷枪对混合气进行输送，喷枪为双通道，内层通道为氮气，外层通道为天然气，气体喷射速度为200m/s，喷枪安装方式为水平安装，喷枪中心位于高温熔体表面以下30cm。

[0041]C. 熔融态高温硫化钠经封闭式溜槽送到间壁式结构的换热器中进行冷却，同时利用熔融态硫化钠的热量将即将进入再燃室空气进行不直接接触式预热，实现热量的回收利用。

[0042]D. 电热还原炉烟气和换热器预热后空气进入到再燃室中，烟气中的CO以及残余还原剂发生燃烧，生成的二次烟气通入回转窑尾部，与回转窑内的物料进行逆流换热。

[0043]E. 从回转窑首端的烟气出口排出的预热烟气进入尾气处理装置，经过除尘、脱硫、脱硝等一系列工序，达到排放标准后，进烟囱排放。

[0044]该实施例，处理一吨硫酸钠消耗电能2500度，消耗天然气300m3，产出的硫化钠纯度为91.3%。

[0045]此外，本申请的一些实施例中还具有以下优点：

1)相比一段式制备工艺，本申请采用回转窑+电热还原炉的两段式工艺，将预热与还原分离，解决了芒硝煅烧过程出现的温度、还原剂配入量不易控制等难题，一定程度上缓解了过烧和欠烧现象的发生，提高了流程稳定性和产品质量。

[0046]2)相比预热物料与还原剂配料转运的方式，本申请将预热物料螺旋输送至炉内，以保护气作为载气，将还原剂喷射到电热还原炉中，保障炉内还原性气氛，提高了电热还原炉内的混合条件，强化传质传热过程，提高还原反应效率，避免了因转运过程中而带入杂质降低产品纯度问题。此外，以保护器作为载气与还原剂混合喷入，一定程度上也降低了还原剂用量，进一步提高了产品硫化钠纯度。

[0047]3)相比还原剂与物料混合在炉内搅拌反应的方式，本申请将保护气与还原剂组成混合气或气固两相流，喷射到电热还原炉内，强化了电热还原炉内的搅拌，提供了更好的传质和化学反应条件，确保炉内还原氛围，提高了还原反应效率。此外，本申请发明人发现，若仅采用电极加热，电炉内的物料流动是受电弧驱动，流动效果很差，而本申请进一步地采用气体或气固两相射流对物料进行驱动，流动效果大幅度增加，克服了电炉搅拌反应所存在的还原过程传质条件不佳，还原时间长，效率低的问题。

[0048]4)相比熔融态硫化钠直接降温环节，本申请通过回收熔融态硫化钠的热量，对参与再燃的空气进行预热，最大程度地实现热量的高效回用。

[0049]5)相比直接换热方式，本申请通过间壁式结构的换热器进行不接触换热，不仅可以实现对参与二次燃烧空气预热，还能保证硫化钠降温过程中不会因与空气中的氧气和水发生反应而降低硫化钠纯度。

[0050]6)相比感应线圈通过加热炉壁间接加热物料的方式，本申请采用炉顶伸入炉内的电极对物料直接加热，解决了感应线圈加热存在的电磁感应加热效率较低，能耗高问题。

[0051]此外，感应线圈加热是以炉壁作为发热体，是炉内温度最高的区域，越靠近炉体中心位置处，温度越低，使得还原效率低，还增加了能耗。而本申请将电极设置在炉体中部，并且有喷枪对熔体进行搅拌，可强化炉内的流动状态，使得反应和温度更为均匀，从而预防出现反应不均和死料柱的现象。

[0052]7)相比煤既作为还原剂还作为热能来源，本申请采用其他方式提供热量，其中，再燃室二次烟气作为回转窑的热能来源，采用电极对物料进行加热，降低了还原剂(煤粉、天然气等)的配入量，减少了由于该还原剂引入的杂质含量，提高了产品硫化钠纯度。

[0053]本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

说明书附图(1)