一种碳热法炼镁联产碳化钙的方法技术

本发明专利技术涉及一种碳热法炼镁联产碳化钙的方法，特别适合于以氧化镁和氧化钙混合物为原料，碳为还原剂的碳热法炼镁。制备含有氧化镁、氧化钙和碳还原剂的混合粉料；将混合粉料制成球团炉料，放入设置有热源的反应器内；设置反应器内绝压P在1000Pa≤P≤常压的范围内或为微正压，反应温度T在11lg2P+71lgP+1210℃<T<98lg2P

【技术实现步骤摘要】
一种碳热法炼镁联产碳化钙的方法
[0001]本申请是以下申请的分案申请：申请日:2020年12月17日；申请号：202080087519.1；专利技术名称“一种碳热法炼镁联产碳化钙的方法”。


[0002]本专利技术涉及冶炼领域，尤其涉及一种碳热法炼镁联产碳化钙的方法。

技术介绍

[0003]目前工业上普遍采用硅热法炼镁或电解法炼镁。其中，硅热法炼镁采用煅烧白云石(简称煅白，有效成分MgO
·
CaO)做原料、硅铁(有效成分为Si)做还原剂，在高温、真空下发生2(MgO
·
CaO)
(s)
+Si
(s)
→
2Mg
(g)
+2CaO
·
SiO
2(s)
还原反应，生成的废渣2CaO
·
SiO2基本没有应用价值，通常进行填埋处理；电解法炼镁以熔融氯化镁为原料，在电解池中发生MgCl
2(l)
→
Mg
(l)
+Cl
2(g)
反应，生成的废气Cl2为有毒有害气体，需要复杂冗长的工艺对氯气进行综合利用(无害化处理)。
[0004]碳热法以煅白(MgO
·
CaO)或煅烧菱镁石(MgO)为原料、碳做还原剂，在高温、真空下发生MgO
·
CaO
(s)
+C
(s)
→
Mg
(g)
+CO
(g)
+CaO
(s)
或MgO
(s)
+C
(s)
→
Mg
(g)
+CO
(g)
还原反应。碳还原剂成本比硅热法炼镁的硅铁还原剂成本明显低，并且生成的CO废气可做燃料，特别是用煅烧菱镁石做原料时不生成废渣，用煅白做原料时生成的CaO废渣有一定利用价值，因此普遍认为碳热法炼镁具有明显经济优势。
[0005]然而，碳热法炼镁有两个致命弱点：一是生成的镁蒸气与CO气共同冷却时会凝结成镁粉，高温镁粉遇空气会发生剧烈爆炸，安全隐患极大；二是在镁蒸气和CO气共同冷却过程中，会发生冶炼过程的逆反应Mg
(g)
+CO
(g)
→
MgO
(s)
+C
(s)
，该逆反应不仅降低冶炼还原率，而且会明显降低粗镁纯度。
[0006]长期以来，国内外研究者一直在研究解决碳热法炼镁的上述两个问题，但至今没有找到有效解决办法，因此碳热法一直没有进入工业化应用。澳大利亚联邦科学与工业研究组织2016年7月公布了一种碳热法炼镁新技术，将镁蒸气和CO混合气体以4倍音速通过专门设计的“超音速喷嘴”(拉法尔喷嘴)，镁蒸气通过喷嘴后“瞬间”凝结为固态结晶镁，在防止生成镁粉的同时，可减弱冶炼逆反应的程度，但截止目前尚未发现工业应用报道。
[0007]申请号201710320876.8的中国专利“一种碳热法同时制取金属镁和电石的工艺”，用煅白做原料，通过将碳热法炼镁反应MgO
·
CaO+C
→
Mg+CO+CaO和电石(CaC2)冶炼反应CaO+3C
→
CaC2+CO组合在一起，在炼镁的同时产出电石。但该专利镁蒸气依然与CO气体处于共存状态，生成镁粉的安全隐患和冶炼逆反应这两个碳热法炼镁的主要问题并没有得到解决。并且郑州大学以及许多研究者的大量实验均证明，申请号201710320876.8给出的在绝对压力(以下简称绝压或压力)10～100Pa、温度1500～1800℃范围内，反应MgO
·
CaO+C
→
Mg+CO+CaO和CaO+3C
→
CaC2+CO的速度都非常缓慢，基本没有工业应用价值。实验发现，数十克重的单个球团料球，在1500～1600℃时经过数小时反应后，固相产物中只能检测到极少量的碳化钙(甚至有时几乎检测不到)；在1700℃以上的更高温度下反应数小时后，固相产物
中虽然有碳化钙生成，但冶炼产物(CaO和CaC2)中Ca原子的量明显比原料中的含量少，说明原料中的部分Ca以气态形式蒸发流失。类似现象的部分文献报道可参见：(1)低温合成电石反应及催化机理的研究，何彦涛等，《石油化工应用》第29卷第10期；(2)低温合成碳化钙的热力学分析与实验验证，刘思源等，《煤炭转化》第40卷第5期。

技术实现思路

[0008]为此，本专利技术人进行了大量实验和计算，结果表明(见图1)，煅白(MgO.CaO)和C的混合物，在高温真空反应器中会发生如下一系列反应：
[0009]1.首先，在温度高于曲线(1)时发生MgO
·
CaO
(s)
+C
(s)
→
Mg
(g)
+CO
(g)
+CaO
(s)
反应(称为“反应1”)，生成Mg蒸气和CaO。曲线(1)的温度T(℃)与绝压P(Pa)的关系为T＝20lg2P+60lgP+1050；
[0010]2.其次，如果温度高于曲线(2)，“反应1”生成的CaO继续与C发生反应CaO
(s)
+3C
(s)
→
CaC
2(s)
+CO
(g)
(称为“反应2”)，消耗CaO并生成CaC2。曲线(2)的温度T(℃)与绝压P(Pa)的关系为T＝11lg2P+71lgP+1210；
[0011]3.然后，如果温度高于曲线(3)，“反应2”生成的CaC2又会与“反应1”剩余的煅白发生MgO
·
CaO
(s)
+CaC
2(s)
→
Mg
(g)
+2C
(s)
+2CaO
(s)
反应(称为“反应3”)，消耗CaC2生成Mg蒸气的同时，再次生成CaO，并且“反应3”要比“反应1”和“反应2”反应容易的多，即在煅白中氧化镁全部被还原成Mg蒸气以前，反应体系中基本没有CaC2存在。曲线(3)的温度T(℃)与绝压P(Pa)的关系为T＝51lg2P
‑
38lgP+800；
[0012]4.在煅白中的氧化镁全部被还原成Mg蒸气后，如果温度仍然高于曲线(2)，则会继续通过“反应2”生成CaC2；如果温度还同时高于曲线(4)，则生成的CaC2又会与体系中剩余的CaO发生2CaO
(s)
+CaC
2(s)
→
3Ca
(g)
+2CO
(g)
反应(称为“反应4”)，在进一步消耗CaC2的同时生成Ca蒸气。曲线(4)的温度T(℃)与绝压P(Pa)的关系为T＝30lg2P+58lgP+1215；
[0013]5.最后，“反应4”生成的Ca蒸气如果在反应体系中碰到温度低于(注本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳热法炼镁联产碳化钙的方法，使用固相碳化钙做催化剂，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备含有氧化镁、氧化钙、碳还原剂和碳化钙催化剂的混合粉料；S2、将所述混合粉料制成球团炉料，放入设置有热源的反应器内；S3、设置所述反应器内绝压P在1000Pa≤P<常压的范围内，反应温度T在51lg2P
‑
38lgP+800℃<T<20lg2P+60lgP+1050℃范围内，进行镁冶炼反应，通过连接在所述反应器上的冷凝器冷凝得到液态镁；S4、在上述S3镁冶炼反应结束后，设置所述反应器内绝压P在1000Pa≤P≤常压的范围内或为微正压，反应温度T在11lg2P+71lgP+1210℃<T<98lg2P
‑
129lgP+1300℃范围内，进行碳化钙冶炼反应，在反应器内得到碳化钙。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合粉料中氧化镁的摩尔含量M
MgO
、氧化钙的摩尔含量M
CaO
、碳化钙的摩尔含量M
CaC2
以及碳还原剂的摩尔含量M
C
之间的关系为：M
MgO
≈M
CaC2
，M
C
≈M
MgO
+3M
CaO
。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合粉料的细度在80目以上。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球团炉料的当量直径为20mm～40mm。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳还原剂为焦炭、兰炭、煤炭、石油焦、煤焦油、石墨、沥青或前述任意两者以上的混合物。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热源的加热方式为电加热。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应器外层为密闭容器，内部设置有冶炼腔，所述密闭容器与所述冶炼腔之间设有保温层；所述球团炉料放置在所述冶炼腔内。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述冶炼腔由耐高温材料部件构成，所述耐高温材料的耐热温度不低于1700℃。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述耐高温材料为石墨、碳化硅、二硅化钼、钨、钨合金、钼、钼合金或耐高温陶瓷。10.一种碳热法炼金属的方法，使用固相碳化钙为催化剂，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备含有金属氧化物M
m
O和碳还原剂、碳化钙催化剂的混合粉料；所述金属氧化物M
m
O中的金属M为M...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少军，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：