一种制备高活性全钒液流电池特定价态电解液的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种制备高活性全钒液流电池特定价态电解液的系统及方法。含钒物料经流态化精准控制还原至平均价态为3.0～4.5范围内任一值的低价钒氧化物后，配加水和硫酸溶解，并进一步采用微波场活化得到特定价态的钒电解液。通过含钒物料与还原尾气换热、还原产物与流化氮气换热实现热量高效利用，在还原流化床内设置内构件和不同高度的排料口实现还原产物价态的精准调控，并利用微波场的特殊化学效应活化钒离子，大幅度提高电解液活性。本发明专利技术具有流程短、高效清洁、产品质量稳定等优点，适用于大规模工业化生产，具有良好的经济效益和社会效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源、化工领域，特别涉及一种制备高活性全钒液流电池特定价态电解液的系统及方法。
技术介绍
传统化石燃料一直是主要的能源来源，由于长期开采和大量使用，面临资源枯竭的问题，同时也带来严重的环境污染。风能、水能、太阳能、潮汐能等清洁的可再生能源的开发与利用逐渐引起人类社会重视。但是可再生能源存在固有的间歇性，现有的能源管理系统难以有效利用。能量储存技术是解决这类问题的方法之一。在各式各样的能量储存系统中，全钒液流电池(VRB)是一种引人注目的能量储存装置。VRB最大的优势是它的灵活性——功率和储能容量是独立的。VRB的功率决定于电池单元的数量和电池单元有效电极面积，而储能容量决定于电解液中的活性物质的浓度及电解液体积。每个电池单元由两个极室(正极室和负极室)组成，中间被质子交换膜分开。电解液即钒的硫酸盐溶液用于存储能量。当电解液流经电池单元时，在正负极室分别发生V(IV)/V(V)和V(II)/V(III)氧化还原反应。VRB电解液的制备方法有以下几种：(1)VOSO4方法：美国专利US849094公开一种由VOSO4溶于硫酸溶液，再通过电化学调整价态制备V(III)和V(IV)浓度比1:1的混合的钒电解液。该种方法存在的主要问题是VOSO4制作工艺比较复杂，且价格高，不利于在VRB中大规模推广使用。(2)化学还原法：中国专利CN101562256公开了一种在V2O5和硫酸溶液混合体系中加入乙二酸、丁醛等还原剂，在50-100℃保温0.5-10小时，化学还原制备出V(III)和V(IV)混合的钒电解液。该种方法主要问题是还原程度不易控制，添加还原剂会引入新的杂质进入钒电解液体系。(3)电解法：国际PCT专利AKU88/000471介绍了将V2O5活化后加入硫酸溶液，通过恒电流电解制备V(III)和V(IV)浓度比1:1的混合的钒电解液。电解法制备钒电解液适合大规模电解液生产，但是需要进行前期的活化处理，需要额外的电解装置及消耗电能。(4)溶解低价钒氧化物的方法：中国专利CN101728560A公布了以高纯V2O3为原料，在80～150℃温度下，溶于1:1的稀硫酸中，制备V2(SO4)3溶液用于负极电解液。该种方法在80～150℃温度下操作，V(III)钒离子水合物易形成氧桥键而产生缩聚，导致电解液活性降低，缺少活化步骤。该种方法只能用于制备负极电解液，适用面较窄。中国专利CN102468509A公开了一种钒电池电解液的制备方法，以偏钒酸铵和碳酸氢铵为原料，经过200～300℃和600～700℃分段煅烧制备出V2O3。在50～120℃，将V2O3溶于稀硫酸中，反应5～20小时，得到V2(SO4)3溶液。在80～110℃，将V2O5溶于V2(SO4)3溶液中，反应1～3小时，得到平均钒离子浓度为3.5价的钒电池电解液。该专利中制备V2(SO4)3溶液用于负极电解液。该种方法同样存在在较高温度下长时间溶解操作，V(III)钒离子水合物易形成氧桥键而产生缩聚，导致电解液活性降低，缺少活化步骤。中国专利CN103401010A公开了一种全钒液流电池电解液制备方法，将V2O5粉末在氢气中还原制备V2O4粉末和V2O3粉末。将V2O4和V2O3分别溶于浓硫酸中，得到钒电池的正极和负极电解液。该专利存在的主要问题是：没有给出具体的还原工艺，在氢气中还原V2O5制备V2O4粉末，很容易出现过还原或欠还原的情况，需要精确控制才能实现，该专利中没有列出精确控制还原的措施。中国专利CN101880059A和CN102557134A公开了一生产高纯三氧化钒的流态化还原炉及还原方法，通过流化床中加入换热内构件，实现强化换热；采用旋风预热提高能源利用率，实现V2O3的高效制备。这两件专利所述方法只适用于V2O3的制备，不适于其他价态的低价钒氧化物的制备，因为该系统不具备精确控制还原的功能。综上所述，本领域亟需一种能够解决全钒液流电池电解液制备工艺和技术上的不足，实现成本低、流程短、价态可控、高活性、简单快捷的制备VRB电解液的系统和方法。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提出了一种制备高活性全钒液流电池特定价态电解液的系统及方法，以实现成本低、流程短、价态可控、高活性、便于运输、简单快捷的制备VRB电解液。为了达到这些目的，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术提供一种制备高活性全钒液流电池特定价态电解液的系统，所述系统包括含钒物料加料装置1、含钒物料预热装置2、还原流化床装置3、低价钒氧化物预冷却装置4、低价钒氧化物二次冷却装置5、低价钒氧化物加料装置6、溶解反应釜7、电解液活化装置8；所述含钒物料加料装置1包括含钒物料料仓1-1和含钒物料螺旋加料器1-2；所述含钒物料预热装置2包括文丘里预热器2-1、旋风预热器2-2、第一旋风分离器2-3；所述还原流化床3包括含钒物料进料器3-1、还原流化床主体3-2、还原流化床旋风分离器3-3、还原流化床排料器3-4、还原流化床预热器3-5、还原气体净化器3-6；所述低价钒氧化物预冷却装置4包括文丘里冷却器4-1、旋风冷却器4-2、第二旋风分离器4-3；所述低价钒氧化物加料装置6包括低价钒氧化物料仓6-1和低价钒氧化物螺旋加料器6-2；所述含钒物料料仓1-1底部的出料口与所述含钒物料螺旋加料器1-2的进料口相连接；所述含钒物料螺旋加料器1-2的出料口和与所述文丘里预热器2-1的进料口通过管道相连接；所述文丘里预热器2-1的进气口通过管道与所述还原流化床旋风分离器3-3的出气口相连，所述文丘里预热器2-1的出料口通过管道与所述旋风预热器2-2的进料口相连；所述旋风预热器2-2的出料口通过管道与所述含钒物料进料器3-1的进料口相连；所述旋风预热器2-2的出气口通过管道与所述第一旋风分离器2-3的进气口相连；所述第一旋风分离器2-3的出气口通过管道与尾气处理系统相连；所述第一旋风分离器2-3的出料口通过管道与所述含钒物料进料器3-1进料口相连；所述含钒物料进料器3-1的出料口通过管道与所述还原流化床3-2的进料口相连；所述含钒物料进料器3-1的松动风入口通过管道与氮气总管相连；所述还原流化床3-2的出气口通过管道与所述还原流化床旋风分离器3-3的进气口相连；所述还原流化床旋风分离器3-3的出料口通过管道与所述还原流化床排料器3-4的进料口相连；所述还原流化床3-2的排料口通过管道与所述还原流化床排料器3-4进料口相连；所述还原流化床排料器3-4的出料口通过管道与所述文丘里冷却器4-1的入料口相连；所述还原流化床排料器3-4的松动风入口通过管道与净化氮气总管相连；所述还原流化床3-2的还原气体入口通过管道与所述还原气体预热器3-5的出气口相连；所述还原气体预热器的进气口通过管道与所述第二旋风分离器4-3的出气口相连接；所述还原气体预热器的进气口通过管道与所述还原气体净化器3-6的出气口相连接；所述还原气体净化器3-6的进气口通过管道与还原气体总管相连；所述还原气体预热器3-5的空气入口和燃料入口分别与压缩空气总管和燃料总管相连；所述文丘里冷却器4-1的气体入口通过管道与净化氮气总管相连；所述文丘里冷却器4-1的出料口通过管道与所述旋风冷却器4-2的进料口相连；所述旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备高活性全钒液流电池特定价态电解液的系统，其特征在于，所述系统包括含钒物料加料装置(1)、含钒物料预热装置(2)、还原流化床装置(3)、低价钒氧化物预冷却装置(4)、低价钒氧化物二次冷却装置(5)、低价钒氧化物加料装置(6)、溶解反应釜(7)、电解液活化装置(8)；所述含钒物料加料装置(1)包括含钒物料料仓(1‑1)和含钒物料螺旋加料器(1‑2)；所述含钒物料预热装置(2)包括文丘里预热器(2‑1)、旋风预热器(2‑2)、第一旋风分离器(2‑3)；所述还原流化床(3)包括含钒物料进料器(3‑1)、还原流化床主体(3‑2)、还原流化床旋风分离器(3‑3)、还原流化床排料器(3‑4)、还原流化床预热器(3‑5)、还原气体净化器(3‑6)；所述低价钒氧化物预冷却装置(4)包括文丘里冷却器(4‑1)、旋风冷却器(4‑2)、第二旋风分离器(4‑3)；所述低价钒氧化物加料装置(6)包括低价钒氧化物料仓(6‑1)和低价钒氧化物螺旋加料器(6‑2)；所述含钒物料料仓(1‑1)底部的出料口与所述含钒物料螺旋加料器(1‑2)的进料口相连接；所述含钒物料螺旋加料器(1‑2)的出料口和与所述文丘里预热器(2‑1)的进料口通过管道相连接；所述文丘里预热器(2‑1)的进气口通过管道与所述还原流化床旋风分离器(3‑3)的出气口相连，所述文丘里预热器(2‑1)的出料口通过管道与所述旋风预热器(2‑2)的进料口相连；所述旋风预热器(2‑2)的出料口通过管道与所述含钒物料进料器(3‑1)的进料口相连；所述旋风预热器(2‑2)的出气口通过管道与所述第一旋风分离器(2‑3)的进气口相连；所述第一旋风分离器(2‑3)的出气口通过管道与尾气处理系统相连；所述第一旋风分离器(2‑3)的出料口通过管道与所述含钒物料进料器(3‑1)进料口相连；所述含钒物料进料器(3‑1)的出料口通过管道与所述还原流化床(3‑2)的进料口相连；所述含钒物料进料器(3‑1)的松动风入口通过管道与氮气总管相连；所述还原流化床(3‑2)的出气口通过管道与所述还原流化床旋风分离器(3‑3)的进气口相连；所述还原流化床旋风分离器(3‑3)的出料口通过管道与所述还原流化床排料器(3‑4)的进料口相连；所述还原流化床(3‑2)的排料口通过管道与所述还原流化床排料器(3‑4)进料口相连；所述还原流化床排料器(3‑4)的出料口通过管道与所述文丘里冷却器(4‑1)的入料口相连；所述还原流化床排料器(3‑4)的松动风入口通过管道与净化氮气总管相连；所述还原流化床(3‑2)的还原气体入口通过管道与所述还原气体预热器(3‑5)的出气口相连；所述还原气体预热器(3‑5)的进气口通过管道与所述第二旋风分离器(4‑3)的出气口相连接；所述还原气体预热器(3‑5)的进气口通过管道与所述还原气体净化器(3‑6)的出气口相连接；所述还原气体净化器(3‑6)的进气口通过管道与还原气体总管相连；所述还原气体预热器(3‑5)的空气入口和燃料入口分别与压缩空气总管和燃料总管相连；所述文丘里冷却器(4‑1)的气体入口通过管道与净化氮气总管相连；所述文丘里冷却器(4‑1)的出料口通过管道与所述旋风冷却器(4‑2)的进料口相连；所述旋风冷却器(4‑2)的出料口通过管道与所述低价钒氧化物二次冷却系统(5)的进料口相连；所述旋风冷却器(4‑2)的出气口通过管道与所述第二旋风分离器(4‑3)的进气口相连；所述第二旋风分离器(4‑3)的出料口通过管道与所述低价钒氧化物二次冷却装置(5)的进料口相连；所述低价钒氧化物二次冷却装置(5)的出料口通过管道与所述低价钒氧化物料仓(6‑1)的进料口相连；所述低价钒氧化物二次冷却装置(5)的冷却水入口通过管道与工艺水总管相连；所述低价钒氧化物二次冷却装置(5)的冷却水出口通过管道与水冷却系统相连；所述低价钒氧化物料仓(6‑1)底部的出料口与所述低价钒氧化物螺旋加料器(6‑2)的进料口相连接；所述低价钒氧化物螺旋加料器(6‑2)的出料口通过管道和与所述溶解反应釜(7)的进料口相连接；所述溶解反应釜(7)的洁净水入口通过管道与洁净水总管连接；所述溶解反应釜(7)的浓硫酸入口通过管道与浓硫酸总管连接；所述溶解反应釜(7)的气体出口通过管道与所述尾气处理系统的入气口相连接；所述溶解反应釜(7)的电解液出口通过管道与所述电解液活化装置(8)的电解液入口相连。...

【技术特征摘要】
1.一种制备高活性全钒液流电池特定价态电解液的系统，其特征在于，所述系统包括含钒物料加料装置(1)、含钒物料预热装置(2)、还原流化床装置(3)、低价钒氧化物预冷却装置(4)、低价钒氧化物二次冷却装置(5)、低价钒氧化物加料装置(6)、溶解反应釜(7)、电解液活化装置(8)；所述含钒物料加料装置(1)包括含钒物料料仓(1-1)和含钒物料螺旋加料器(1-2)；所述含钒物料预热装置(2)包括文丘里预热器(2-1)、旋风预热器(2-2)、第一旋风分离器(2-3)；所述还原流化床(3)包括含钒物料进料器(3-1)、还原流化床主体(3-2)、还原流化床旋风分离器(3-3)、还原流化床排料器(3-4)、还原流化床预热器(3-5)、还原气体净化器(3-6)；所述低价钒氧化物预冷却装置(4)包括文丘里冷却器(4-1)、旋风冷却器(4-2)、第二旋风分离器(4-3)；所述低价钒氧化物加料装置(6)包括低价钒氧化物料仓(6-1)和低价钒氧化物螺旋加料器(6-2)；所述含钒物料料仓(1-1)底部的出料口与所述含钒物料螺旋加料器(1-2)的进料口相连接；所述含钒物料螺旋加料器(1-2)的出料口和与所述文丘里预热器(2-1)的进料口通过管道相连接；所述文丘里预热器(2-1)的进气口通过管道与所述还原流化床旋风分离器(3-3)的出气口相连，所述文丘里预热器(2-1)的出料口通过管道与所述旋风预热器(2-2)的进料口相连；所述旋风预热器(2-2)的出料口通过管道与所述含钒物料进料器(3-1)的进料口相连；所述旋风预热器(2-2)的出气口通过管道与所述第一旋风分离器(2-3)的进气口相连；所述第一旋风分离器(2-3)的出气口通过管道与尾气处理系统相连；所述第一旋风分离器(2-3)的出料口通过管道与所述含钒物料进料器(3-1)进料口相连；所述含钒物料进料器(3-1)的出料口通过管道与所述还原流化床(3-2)的进料口相连；所述含钒物料进料器(3-1)的松动风入口通过管道与氮气总管相连；所述还原流化床(3-2)的出气口通过管道与所述还原流化床旋风分离器(3-3)的进气口相连；所述还原流化床旋风分离器(3-3)的出料口通过管道与所述还原流化床排料器(3-4)的进料口相连；所述还原流化床(3-2)的排料口通过管道与所述还原流化床排料器(3-4)进料口相连；所述还原流化床排料器(3-4)的出料口通过管道与所
\t述文丘里冷却器(4-1)的入料口相连；所述还原流化床排料器(3-4)的松动风入口通过管道与净化氮气总管相连；所述还原流化床(3-2)的还原气体入口通过管道与所述还原气体预热器(3-5)的出气口相连；所述还原气体预热器(3-5)的进气口通过管道与所述第二旋风分离器(4-3)的出气口相连接；所述还原气体预热器(3-5)的进气口通过管道与所述还原气体净化器(3-6)的出气口相连接；所述还原气体净化器(3-6)的进气口通过管道与还原气体总管相连；所述还原气体预热器(3-5)的空气入口和燃料入口分别与压缩空气总管和燃料总管相连；所述文丘里冷却器(4-1)的气体入口通过管道与净化氮气总管相连；所述文丘里冷却器(4-1)的出料口通过管道与所述旋风冷却器(4-2)的进料口相连；所述旋风冷却器(4-2)的出料口通过管道与所述低价钒氧化物二次冷却系统(5)的进料口相连；所述旋风冷却器(4-2)的出气口通过管道与所述第二旋风分离器(4-3)的进气口相连；所述第二旋风分离器(4-3)的出料口通过管道与所述低价钒氧化物二次冷却装置(5)的进料口相连；所述低价钒氧化物二次冷却装置(5)的出料口通过管道与所述低价钒氧化物料仓(6-1)的进料口相连；所述低价钒氧化物二次冷却装置(5)的冷却水入口通过管道与工艺水总管相连；所述低价钒氧化物二次冷却装置(5)的冷却水出口通过管道与水冷却系统相连；所述低价钒氧化物料仓(6-1)底部的出料口与所述低价钒氧化物螺旋加料器(6-2)的进料口相连接；所述低价钒氧化物螺旋加料器(6-2)的出料口通过管道和与所述溶解反应釜(7)的进料口相连接；所述溶解反应釜(7)的洁净水入口通过管道与洁净水总管连接；所述溶解反应釜(7)的浓硫酸入口通过管道与浓硫酸总管连接；所述溶解反应釜(7)的气体出口通过管道与所述尾气处理系统的入气口相连接；所述溶解反应釜(7)的电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱庆山，杨海涛，范川林，牟文恒，刘吉斌，王存虎，班琦勋，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，北京中凯宏德科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11