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1、催化循环法生产五氧化二钒项目建议书喻中甫 喻思皓中甫实验室 2010年12月前 言该文主要从技术层面阐述了年产1000吨五氧化二钒装置（催化循环法生产五氧化二钒技术）的初步可行性，主要用作宣传或申报国家立项时书写正规项目建议书（或可行性研究报告）的参考资料，由于编者的知识和经验有限，不足之处敬请批评和指正。一、项目建设的目的和意义（一）产品用途广泛五氧化二钒是钒氧化物中应用最广泛的产品，在钒资源勘探、生产和国际贸易中，一般都以五氧化二钒作为计算单位。首先，它是生产金属钒、钒铁合金和其它钒基合金的中间产品，也是制造钒催化剂的原料，还可用作苯甲酸、邻苯二甲酸等有机合成的催化剂，也能用于制造彩色玻璃
2、和陶瓷。金属钒的用途也较为广泛，是一种重要的战略物资，具有高熔点、易加工等特性，主要用于钢铁工业、国防工程材料制造、化学和轻纺工业等领域。其次，五氧化二钒在石油化工设备制造中被用作设备防腐的缓蚀剂，在合成氨工业中被用作脱碳、脱硫的催化剂，在油漆、不透紫外线玻璃、照相显影剂等制造行业也有广泛的用途。此外，在钢材中加入少量的金属钒可大大提高钢材的抗压强度，因此含钒钢材被广泛用于坦克和装甲车等军事装备和高速铁轨的制造。随着我国现代化建设的高速发展和国家启动四万亿刺激经济计划，钒及钒化合物需求量将越来越大。但是钒矿资源稀少而分散，当前主要来源是从含钒铁矿的冶炼过程中提取，产量远远不能满足需求。（二）钒
3、的前景钒应用比较广泛，未来比较有潜力的应用开发方向有以下几个方面： （1）全钒蓄能电池。全钒电池是近年开发的采用VOS04作为电解液、碳为电极的新型电池。这种电池具有充放电效率高（可达90）、自放电流低（年自放电低于10）等优点，是一种很有前途的新产品。大容量钒电池，可以作为大公司、孤岛和偏僻地区的电力来源。钒电池的另一个潜在市场是作为电动汽车的动力。目前发展无污染的电动汽车的核心问题就是动力来源。如果钒电池能在这一领域取得突破，无疑将大大提高对钒的需求量。据日本介绍，目前日本已经在钒电池方面形成产业化规模，计划达到年产100000kw电池的能力，每年需求V205近7000t，这将进一步拓宽钒
4、的应用。 （2）钒基固溶体储氢合金。储氢合金可在适当的温度压力下可逆地吸收和释放氢，可以储存比自身体积大1000倍以上的氢气，以解决传统用氢气瓶及液态储氢存在的不安全、能耗高、经济差、储氢量小等问题，广泛应用在燃料电池、电动车、镍氢电池、储氢和输送氢等方面。世界上已经应用的储氢合金主要有：稀土系AB5型，储氢量小于1.3；钛锆系AB2型，储氢量小于2.0。其他类型的储氢合金由于成本高或吸、放氢条件苛刻而难以应用。钒是唯一在常温下吸氢、放氢的金属，吸氢量理论上可达到3.8。许多国家对钒基固溶体BBC型储氢合金研制了很多品种，由于是用金属钒作为合金元素，金属钒价格昂贵，制作成本太高限制了其应用。2
5、003年，攀枝花钢铁研究院与四川大学合作开发钒基固溶体储氢合金，目前已经开发出吸氢量大于3.3，放氢量大于2.3，放氢温度小于100的较为理想的钒基储氢合金。 （3）光学转换涂层。研究已经发现，在环境温度变化时，VO4涂层光学透过性能会发生变化。这也是钒资源利用的一个重要方向。在钒的功能材料中，溶胶-凝胶技术制备的VO4涂层是很有发展前途的一种材料，其应用前景广阔，利用其相变后光学、电学等特殊性质可用于太阳能控制材料、红外辐射测温计、热敏电阻、热致开关、可变反射镜、红外脉冲激光保护膜、光盘介质材料、全息存储材料、点致变色显示材料、滤色镜、热致变色显示材料、非线性或线性电阻材料、温度传感器、可调
6、微波开关装置、红外光学调制材料、高灵敏度应变传感器、透明导电材料、抗静电涂层等方面。美国CCU公司在1988年就已经着手研究一种快速阻挡脉冲激光辐射的复合膜系，关键在于采用了一种具有光学透过率突变性能的功能陶瓷材料二氧化钒薄膜。 （4）钒的发光材料。掺Eu3+离子的钒酸盐LnVO4:Eu3+ （Ln为La、Y）通过调变阳离子的成分和含量，可使钒酸盐LnVO4:Eu3+出不同波长的光。含钒的发光材料将有广阔的应用前景。钒磷酸钇铕Y(V04)P04:Eu3+和钒酸钇铕YV04Eu3+都是高效的红色发光材料，曾被作为彩色电视荧光粉的红色组分，现在仍然广泛地用在高压汞蒸气放电荧光灯中，作为调整色度的发
7、光材料。 （5）钒颜料及变色材料。钒作为颜料在陶瓷工业中早有应用，但许多传统工艺目前已不能适应市场越来越高的要求。目前利用最新的溶胶凝胶技术，在微孔玻璃凝胶中掺人钒氧化物得到的干凝胶玻璃在与不同气体接触时就会产生不同的颜色变化。这种智能材料的发展也可能为钒的应用带来新的机遇。近年来，钒与铋等元素形成的无机颜料发展较快，其中主要是各种钒酸铋类颜料，不仅是在色彩与装饰方面的应用，它还具有提高涂膜强度、防腐、耐光等特殊性能。锆钒蓝色料是一种热化学稳定性高和着色力强的高温釉用色料，已被陶瓷及相关工业使用并产生出巨大的商业价值。（6）纳米钒氧化物催化剂。V205是化学工业上使用的催化剂，它是硫酸、橡胶合
8、成等重要化工反应的特效催化剂。虽然目前市场上已有相关产品，但从催化角度看，催化剂的比表面越大其催化的效果会越好。因此开发纳米级的钒氧化物催化剂仍有一定的意义。要想使V205催化剂达到纳米尺度，需要解决粉体制备、分散性的保持、催化活性和耐久度等一系列问题。另外开发钒氧化物在其他催化反应中的用途，也是一个值得关注的产品开发方向。（7）钒酸钇(YV04)。钒酸钇晶体是一种双折射晶体，具有接近玻璃的硬度、不潮解，加工镀膜容易等特点，因此用于光学偏振器的材料。在光纤通讯中，每一个光源和光纤线路中每隔1km，需要有一个光隔离器，光纤通讯用户的第一分支，都需要一个环行器，而每个光隔离器和环行器，分别需要两片
9、和三片钒酸钇晶体，因此对钒酸钇的需求量很大。（三）传统技术概述我国钒矿资源较多，总保有储量五氧化二钒 2596万吨，居世界第3位。钒矿主要产于岩浆岩型钒钛磁铁矿床之中，作为伴生矿产出。钒矿作为独立矿床主要为寒武纪的黑色页岩型钒矿。钒矿分布较广，在19个省(区)有探明储量，四川钒储量居全国之首，占总储量的49%。湖南、安徽、广西、湖北、甘肃等省(区)次之。钒钛磁铁矿主要分布于四川攀枝花-西昌地区，黑色页岩型钒矿主要分布于湘、鄂、皖、赣一带。钒矿成矿时代主要为古生代，其他地质时代也有少量钒矿产出。湖南、重庆、湖北、广西、贵州等省区蕴藏着大量品味较低的含铝钒矿（五氧化二钒含量多在0.2%1.8%之间
10、），这些矿石中的钒大多是以稳定的三价钒为主，提取五氧化二钒的难度较大。几十年来国内外专家对低含量的钒矿提炼做了许多研究和生产实践，在成本和环保方面一直未得到非常满意的效果。目前通用的流程是钠化焙烧工艺，各企业采用的设备不同，大型企业一般都采用回转窑，而有些企业则采用焙烧炉。工艺过程是将钒渣与钠盐（一般为碳酸钠、氯化钠或芒硝）混合，在一定的温度下焙烧，使钒转为可溶性的钠盐，反应方程式如下：4FeOV2O3 + 4Na2CO3 + 5O2 8NaVO3 + 2Fe2O3 + 4CO24FeOV2O3 + 8NaCl + 7O2 8NaVO3 + 2Fe2O3 + 4Cl2焙砂再经过浸出，从烧结块中
11、浸出NaVO3,用酸中和至pH=56时加入硫酸铵，调节溶液pH=23，可析出六聚钒酸铵，使钒酸盐进入溶液，溶液经过滤，滤出废渣，再经过沉淀、精致等过程得到五氧化二钒。国外有的企业直接利用含钒高的钒钛磁铁矿生产五氧化二钒，首先将矿石制成精矿，然后与熔剂混合，进入回转窑中焙烧，焙砂用水浸出，含钒溶液用铵盐处理，最后沉淀偏钒酸铵。近年来，出现竖炉焙烧、平炉碱钠焙烧、“二氯化钙氢氧化钙”焙烧等方法，这些方法只能部分降低焙烧烟气中的氯气和氯化氢的浓度，不能完全解决废气污染环境的问题。有的采用中间盐法或酸浸萃取法，虽然克服了废气污染环境问题，但酸浸过程会把砷、镉、铅、铜、锌、铁、锰等有害杂质同时浸出，溶液
12、净化和废水处理十分困难，而且生产设备必须有效防止酸性腐蚀，设备投资大，运行费用高，废水和废渣对环境的污染也难以完全消除。国内部分厂家改用了钙化焙烧法，解决了生产中污染废气产生的问题，但是用石灰石焙烧后以钙盐化合物的形式存在，也给环境带来了一定的污染。也有少数厂家采用离子交换树法生产五氧化二钒，解决了盐酸废水的污染问题，但离子交换树脂有自己的寿命周期，操作中也会流失部分离子交换树脂，提高了生产成本。综上所述，我们通过查询国家专利数据库，检索到了国内外最先进的三十多种生产V2O5的专利技术，以及目前已投入工业化生产的V2O5制取技术，没有一种方法能真正达到无污染、成本低、投资少的要求。（四）技术优
13、势1、环保优势。由于低温焙烧过程中没有氯化钠参与反应，烟道气中就不会产生氯化氢、氯气等有毒有害气体，有效解决了传统钠盐焙烧工艺有毒废气排放的问题。（1）浸取分离后的滤渣，经少量清水冲洗后再进行中和，中和后的废渣用作建筑材料或返回农田，清洗矿渣的水返回浸取液配制贮罐循环使用。（2）蒸发后的浸取液母液蒸汽经冷凝器冷凝后返回浸取液配制贮罐循环使用。（3）晶浆分离采用全密封压滤方式进行。（4）对五氧化二钒提纯后会产生少量滤渣，中和后用作建筑材料或返回农田。整个过程废气、废液排放极少，废渣经过简单环保处理就能达到国家环保标准或用作建筑材料，能顺利的通过环评这道难关，降低环评成本。如果该工艺能全面推广将能
14、有效解决五氧化二钒生产中的环境保护问题。2、成本优势。由于低温焙烧过程中不加盐或碱，每生产吨V2O5可降低成本1-2万元。同时，在提取制造过程中很少消耗酸碱等化工原料，采用浸取液循环使用的技术制取V2O5，每生产吨V2O5能再降低成本2-3万。总之，在原料消耗方面每生产吨V2O5可降低成本35万元，提高了五氧化二钒生产企业的经济效益和市场竞争力。3、工艺优势。用简单蒸发萃取工艺流程取代传统复杂的工艺流程，改二次焙烧为一次焙烧，去掉了由钒酸铵制取V2O5工艺流程体系，包括中和工序、沉淀工序、离心甩干工序、钒酸铵煅烧工序。4、产品优势。用五氧化二钒萃取液萃取（分为一次萃取和二次萃取）后，五氧化二钒
15、纯度大大提高，制造出的V2O5的含量可达98-99.9，而传统的钒酸铵焙烧法一般只能达到98的纯度。 5、产出优势。催化剂大大提高了化学反应的转化率，迅速将低价钒转化为高价钒，钒的转化率可达90以上，而传统方法钒的转化率只能达到40-50，也就是说用相同的矿石原料，使用本工艺可多产出近倍的V2O5产品。综上所述，高效清洁催化循环法生产V2O5的工艺与国内外现有工业化生产方法相比出现了六个第一：第一个在生产V2O5过程中仅有极少废气、废水排放的工艺。第一个在生产过程中不大量消耗酸、碱、盐等化工原料的工艺，大大降低了生产成本。第一个采用低温催化浸取法（20-60）浸取、转化原矿，使五氧化二钒转化率
16、达到90%以上。第一个能用低品位钒矿石（含量在0.3-2.0%，质量百分比）作为生产原料达到高转化率（V2O5钒的转化率达到90以上）的工艺。第一个使用蒸发结晶等物理方法来分离钒矿石中不同化合物的工艺。第一个使用五氧化二钒萃取液来提纯五氧化二钒的工艺。催化循环法生产V2O5技术如果能全面推广，将带来五氧化二钒工业制造的革命。在科技技术日新月异的今天，谁掌握了先进的技术，谁就拥有更先进的生产力，就会更快的掌握市场的脉搏。二、市场预测建议参看由北京华经纵横经济信息中心编写的中国五氧化二钒行业市场深度调研及中期发展预测报告（2008-2012年度）或其它专业调研机构最新的市场分析报告。三、项目方案和
17、生产规模项目名称：年产1000吨五氧化二钒装置项目属性：新建项目技术：催化循环法生产五氧化二钒（专利申请号：CN200810046432.0）预计资金：2000万元占地面积：90亩四、工艺技术初步方案选用催化循环法生产五氧化二钒方法（专利申请号：CN200810046432.0）作为该项目工艺设计的总体指导技术。（一）发明人简介该工艺主要发明人喻中甫系全国优秀科技工作者、全国五一劳动奖章获得者、四川省劳动模范、成都市化工科技先进工作者，原成都军区氮肥厂科研所所长，原乐山市嘉峨盐业集团总工程师。从事化工研究30多年，完成的科研成果有20多项，多次在全国高等学校化学学报上发表论文。所研究的“D、D
18、1型CO、CO2微量自动分析”仪获1978年首届全国科学大会成果奖；“低温低压空气固氮制硝酸”为世界前沿的科技公关项目（列为世界10大攻关难题），并已申请国家专利；1996年起，他开始改革现有联合碱法制造工艺（即候氏制碱法），建立并逐步完善了一套投资少、成本低的低盐重质纯碱生产工艺一步法生产低盐重质纯碱（喻氏制碱法），获第六届全国专利科技博览会金奖。2005年至今经过近千次试验，逐步确定了一套“催化循环法生产五氧化二钒（专利申请号：CN200810046432.0）”的新工艺，该工艺具有无污染、投资少、成本低、流程简单等优点。（二）工艺流程简述针对现有V2O5制造工艺存在的一些不足，技术发明人
19、提供一种钒转化率高，对环境无污染，酸、碱、盐等化工原料消耗极少的新工艺催化循环法生产五氧化二钒。该工艺具有无污染、投资少、成本低等特点。工艺流程简述如下（参见p8“催化循环法生产五氧化二钒工艺流程简图”）：a、低温催化浸取：在浸取液反应器内，将矿石粉碎至20目后与浸取液搅拌混合均匀，矿石粉与浸取液的比例为1:0.5-1.5，同时再浸取液中加入占矿石粉总质量0.3-0.6%的催化剂，催化剂能大大提高钒矿石的转化率（可使钒的转化率达到90%以上）。将浸取反应器内悬浊液温度升至一定温度，搅拌浸取10-16小时。浸取反应完毕后，将矿石粉与浸取液进行过滤分离，分离后的母液称之为1#母液。滤渣停留在浸取反
20、应器内，加入一定体积的循环浸取液，搅拌洗涤30分钟后，将滤液与1#母液混合。前2次用回收循环浸取液，后2次用清水清洗，直至将清洗的后水PH值洗至6左右。清洗后的滤渣可用于建筑材料或返回农田。b、蒸发浓缩：将1#母液加入五氧化二钒蒸发浓缩器，当液面达到设定刻度时，封闭五氧化二钒蒸发浓缩器。用将蒸汽通入蒸发浓缩器内的换热管，将五氧化二钒蒸发浓缩器温度升至一定温度。蒸发产生的1#母液蒸气经冷凝器冷凝后返回浸取液配制贮罐循环使用。当1#母液体积蒸发至原有体积的五分之一时，停止加热，将浓缩器内温度降至常温。将降温后的固液混合体进行过滤，过滤后的2#母液送至五氧化二钒蒸发结晶器。c、蒸发结晶：将2#母液用
21、泵打入五氧化二钒蒸发结晶器，当液面达到设定刻度时，封闭五氧化二钒蒸发结晶器。用蒸汽通入蒸发结晶器内的换热管，将2#母液温度升至一定温度。蒸发产生的2#母液蒸气经冷凝器冷凝后返回浸取液配制贮罐循环使用。当2#母液体积蒸发至原有体积的四分之一时，停止加热，将浓缩器内温度降至常温。开动结晶器内的搅拌机5-10分钟，将降温后的晶浆打入五氧化二钒萃取器。上述蒸发过程采用三效或四效蒸发装置可大大节约能源。d、萃取分离：通过压滤方式将晶浆进行固液分离，过滤后的3#母液送至五氧化二钒蒸发浓缩器循环使用。之后向五氧化二钒萃取器中加入一定量的萃取液，开动搅拌机，将萃取液和晶体充分混合。搅拌1-2小时后，通过分析，
22、当萃取液中五氧化二钒浓度大于一定浓度时，将萃取液输送至五氧化二钒提纯蒸发器，反之则继续搅拌萃取。反复以上萃取操作3次后，若通过分析萃取液中五氧化二钒浓度低于一定浓度时，停止萃取。将萃取器内剩余晶体用清水清洗2-3次后，将晶渣返回农田。e、提纯蒸发：将e工段合格的萃取液用泵打入五氧化二钒提纯蒸发器，当液面达到设定刻度时，封闭五氧化二钒提纯蒸发器。用蒸汽通入提纯蒸发器内的换热管，将萃取液温度升至一定温度。蒸发产生的萃取液蒸汽经萃取液冷凝器冷凝后返回萃取液配制贮罐循环使用。当萃取液体积蒸发至原有体积的80%时，停止加热，让浓缩器内温度降至常温。降至常温10-16小时后开动结晶器内的搅拌机，将降温后的
23、晶浆打入离心机进行固液分离。分离后的萃取液返回萃取液配制贮罐循环使用。对分离后的固体五氧化二钒进行分析，若含量达到工业标准则将晶体送五氧化二钒干燥器进行干燥；若含量未达到工业标准则需进行二次提纯蒸发。f、干燥包装：将五氧化二钒晶体输送至干燥器内，将干燥器内的温度升至一定温度，干燥2-4小时后将五氧化二钒晶体至于常温下冷却，冷却后包装即为五氧化二钒成品。催化循环法生产五氧化二钒工艺流程简图（专利保护请勿复制或流转）五、建厂条件（一）需用厂房面积约18000m2，其中生产车间约4000m2，库房和办公住宿区约12000 m2；（二）工艺水用量为60m3/h，冷却水用量为120m3/h，因此厂区应靠
24、近淡水河；（三）工厂电力容量为500KW；（四）工厂需招聘约88名员工，员工文化程度应在高中以上，优先聘用化工专业员工；（五）工厂应建在交通便利、离原材料较近的地方，降低运输成本；（六）工业煤消耗量为60t/d。六、投资估算和经济效益分析（一）建厂周期10个月。（二）资金投入采用催化循环法生产五氧化二钒技术，按照年产1000吨V2O5工厂进行计算，需投入约2000万资金，投资估算如下：年产1000吨五氧化二钒工厂投资估算表 （三）成本估算年产1000吨五氧化二钒企业成本估算表（单位吨成本）*“吨耗”指生产出1吨的V2O5所消耗的原料质量。 （四）效益估算五氧化二钒产品价格按照9.8万元/吨计算。效益估算表年成本46565元/吨1000吨4656.5万元年产值98000元/吨1000吨9800万元毛利5143.5万元 年税收及附加按照2000万进行计算： 投资利润率=年利润总额/总投资100%=3143.5/2019100%=155.7% 综上所述，使用催化循环法生产五氧化二钒技术，年产1000吨五氧化二钒装置投资成本为2019万元，年利税5143.5万元。中甫实验室网址： 参考文献：1、化工设计化学工业出版社，黄璐、王保国著；2、化工建设项目经济评价方法与参数化工部规划院。
