磷酸一铵生产工艺的进展

磷酸一铵生产工艺的进展

        1·工艺技术改造
    磷酸一铵生产工艺要求非常高,围绕磷得率、硫得率、氨得率开展工作,在磷矿配比工艺、萃取反应工艺、过滤洗涤工艺以及中和浓缩工艺4个方面进行改进。
    1. 1　磷矿配比工艺
    对磷矿质量重点放在倍半氧化物及Fe,Mg,Na和K等杂质对工艺生产的适应性和经济效益的影响上,对各种磷矿的组分进行全分析,全面了解和掌握各种磷矿的物理和化学性能,从有利于改善萃取反应条件和磷石膏结晶过滤、提高产品质量、降低生产成本出发,通过配矿使两种以上磷矿的性能互相弥补,取得了比单矿独立使用更好的生产效果,因此合理利用磷矿之间的配合性、均化配矿是本公司取得的重大技术成果。此外,还引进了四川大学研发的磷矿预处理工艺技术,极大地提高了二水法磷酸生产的用矿范围,使磷矿配比的经济性更加明显。
    1. 2　萃取反应工艺
    磷矿被硫酸的分解过程是液固相反应,其反应速率主要与反应温度、氢离子浓度、矿粒的有效表面积和液膜的扩散等因素有关,提高这些因素均可强化反应过程,进而提高磷矿的分解速率,并获得较高的萃取率。在正常的工艺生产条件下,搅拌强度是一定的,不会对生产带来负面影响,但要保持较高的萃取率,要求料浆的反应时间较长,就会影响磷酸产量。因此重点对下述3个方面进行了研究和改进,使磷酸产量提高了4倍多。
    (1)萃取反应温度
    较低的反应温度使磷矿的分解率低,反应不完全,液相粘度大,过滤性能差;而高温操作有利于加快反应速率,降低液相粘度,使萃取能力增强,磷酸产量提高,传统的萃取反应温度工艺指标为75~80℃。但实践表明,用宜昌矿生产时,萃取反应温度在95~100℃时萃取率最高,磷酸产量也最高,有利于避免“钝化现象”的发生。它突破了传统的技术观点,为二水法磷酸生产工艺设计提供了实践依据。
    (2)萃取SO3浓度
    SO3浓度是影响硫酸钙结晶形成及物化性能最重要的因素之一。SO3浓度过低,结晶不好,过滤困难,洗涤率不高; SO3浓度高时,能减少硫酸钙结晶中HPO42-对SO42-的取代作用,从而减少“共晶磷”的损失,减少磷酸铁沉淀析出造成的P2O5的损失,但易形成“钝化现象”,且降低了磷矿的分解率,硫酸、磷矿及中和时液氨的消耗也增加。
    为了最大幅度地提高萃取产能,避免局部硫酸钙过饱和度增高而影响磷石膏结晶,由原先在萃取槽的二区一点一次性加入硫酸变为二、三、四区多点分散加入硫酸,其质量分数分别为50%,30%及20%,使酸矿反应均匀完全,萃取率提高至97. 5%以上。多点加酸是经生产实践总结的成功经验,当工艺控制的萃取SO3浓度为0. 02~0. 03 g/mL时,硫酸的消耗最低。
    (3)萃取磷酸浓度
    浓度过高,使SO3浓度控制要求更高,亦使硫酸钙结晶越细小,对过滤不利;而适当降低磷酸浓度虽然增加了浓缩部分的能耗,降低了磷铵产量,但降低了料浆粘度,有利于增大料浆中固体含量,提供更多的有效结晶表面,加快晶体的成长速率,使硫酸钙结晶变得粗大,工艺指标操作范围变宽,同时有利于减少P2O5取代,降低氟硅酸盐沉积和堵塞滤布的程度。瑞和化肥公司把萃取磷酸质量分数控制在20% ~22%。
    1. 3　过滤洗涤工艺
    湿法磷酸生产对硫酸钙的结晶要求为晶形稳定及结晶整齐、粒大、均匀,结晶的推动力为过饱和度。在湿法磷酸生产中,萃取槽采用控制温度、加矿和加酸速率并以大量回浆方式来有效地控制溶液的过饱和度,使硫酸钙结晶过程在初始过饱和度不大且过饱和度与温度在稳定的条件下进行,得到均匀、粗大、易于过滤、洗涤的硫酸钙结晶,是提高洗涤率的关键。因此在生产操作时着重解决以下几方面问题。
    (1)确保盘式过滤机运转正常。避免滤饼过早露盘产生裂缝及边角漏气、分配器泄漏而使大量冷空气渗入和布料不均等现象;防止“反吹酸”,发现滤布老化、破损应及时更换修补;防止“壁效应”,控制滤饼厚度和布料的均匀性,一旦滤饼上没有液体时,滤饼即趋向于从四壁脱开形成裂缝,成为液体优先的通道而降低洗涤率;调节好洗涤分布器的位置,保持布水均匀,使每次洗液在滤饼表面已吸干的情况下加入,对提高洗涤率有很大作用。
    (2)在料浆流槽下端加入一定的结晶改良剂,即SC-3450阴离子型絮凝剂。SC-3450阴离子型絮凝剂经搅拌溶解配制成质量分数10×106的溶液,由计量泵送入料液混合器,然后经料液分布器进入盘式过滤机。1 m3料浆其絮凝剂溶液的投入量为100 mL。但絮凝剂易被酸破坏,不能在料浆中停留过久,最长为4 min,且加料位置要适当。由于磷石膏结晶状况得到改善,酸通过时阻力小,穿滤率低,滤饼与滤布的剥离性能好,使过滤强度大幅度提高。
    (3)提高洗水温度和冲盘水温。适宜的温度有利于提高过滤强度,避免管道、设备的进出口呈阶梯式结垢堵塞;避免温差大,引起磷石膏结晶;有利于溶解一部分细小结晶,减小滤饼的阻力;对于含钠、钾较高的磷矿,洗水温度过高将促使氟硅酸盐水解生成硅胶及胶状的CaF2,导致滤饼渗透性能下降,造成滤布堵塞,并加快滤布老化。因此,适宜的洗水和冲盘水温为75~80℃。
    (4)将冲盘水的压力从原来的0. 40 MPa提高至0. 45MPa,确保冲洗磷石膏的效果。在料浆进入过滤机前鼓风降温,以便在过滤前尽可能析出难溶性盐类物质,有利于过滤。瑞和化肥公司洗涤率基本保持在99%以上。
    1. 4　中和浓缩工艺
    (1)中和度是反应磷酸第1氢离子被氨中和成磷酸一铵的中和程度,直接影响磷酸一铵产品的组成、P2O5的水溶率、生产过程的氨损失、氟逸出率及料浆粘度等,是中和过程最重要的控制指标。中和度过高,不利于干燥,增加液氨的消耗;太低,影响产品的含氮量,降低中和液pH值,但此种酸性料浆粘度较小,经浓缩后料浆含水质量分数可降至19% ~20%。因此中和度的工艺控制指标分别确定为:中和0. 96、二效0. 95、一效0. 94,既保证了产品质量,又使氨消耗最低。
    (2)提高中和料浆温度,中和反应操作控制由微负压改成微正压。因为中和料浆粘度随温度升高而降低,料浆的溶解度大则固体析出物少,且中和后的高温料浆进入浓缩后有利于降低汽耗。另外,一效料浆加热器使用的蒸汽压力(表压)由0. 40MPa提高至0. 45MPa,以进一步增强料浆的流动性,从而提高浓缩速率和蒸发强度,提高中和浓缩设备的产能,有利于避免料浆加热器列管的堵塞,料浆的终点含水质量分数也比较容易控制在19% ~23%,也降低了干燥工序的负荷。
    2　设备改造
    (1)供浆设备
    改进二级破碎,停用Φ600 mm×400 mm型双辊破碎机,选用PL1250型立式复合冲击破碎机,并且在其后增设筛分设备,采取“多碎少磨”和系统循环碎矿工艺,把球磨机的平均入料粒度从原来的15 mm以上降至8 mm以下;对球磨机结构和运行操作条件进行优化组合,供浆能力大幅提高至45. 6%,使矿浆的粒度能够朝着正态分布进行, 0. 147 mm矿浆的通过率达到了75%,有利于提高磷得率;把球磨机后圆筛筛网规格由原来的3mm×3mm换成2mm×2mm,避免大颗粒进入萃取槽沉淀使有效容积减小从而降低生产能力,同时这也延长了萃取槽清理周期。磷矿破碎能耗降低11. 5% (247万kW·h/a),以及降低物料消耗价值达63万元/a。
    (2)PF-42型盘式过滤机改造
    取消初滤区和三洗区,扩大滤液区和一洗及二洗区,反吹和吸干区保持不变,滤液区由5. 0只滤盘增至6. 5只,把通常初滤的滤液进入洗液槽的初滤区0. 5只滤盘改为滤液区,直接作为滤液进入滤液槽,洗液区由10. 5只滤盘降为9. 5只滤盘。
    各区经过调整后的角度分别为滤液区112°、一洗液区90°、二洗液区76°、反吹和吸干区仍为82°,在保持原有洗涤效果的前提下增大了滤液过滤量;抽液管及胶管接头内孔直径由Φ80 mm改为Φ90 mm,使过滤通道截面积增大26. 5%;下错气盘滤液接管内孔直径由Φ150 mm改为Φ200 mm,洗液接管内孔直径由Φ100 mm改为Φ125mm,提高真空抽气量,取消原初滤区出液管和三洗区出液管,解决了滤洗液流道“瓶颈”,加大滤洗液流量。
    根据盘式过滤机内外轨间的距离,把滤盘的大、小头端各增长150 mm, 20只滤盘共计增加有效过滤面积5 m2;把纵向和横向布置的十字形滤盘筋条改为纵向顺流布置,取消横向筋条,改善了滤洗液的流动特性,使盘式过滤机的生产能力提高了50%以上。
    (3)中和系统
    中和系统取消槽式中和,改为密闭绕动中和方式,即无动力循环反应中和技术,借助于高压气氨进入溶液所产生的动力和与磷酸反应产生的巨大中和热使溶液产生温差,而使液体在循环管中高速循环流动,并使气液强烈湍动混合。由于气氨进入磷酸的传质过程得到强化,气氨分配的均匀度好,不存在局部氨过量现象,反应速率快,停留时间短,生产强度大,氨损失小。不用搅拌装置,采用无动力循环泵,完全靠自身的气流绕动来完成整个化学反应过程,设备结构简化,安装紧凑,无电能消耗,节电达12. 24万kW·h/a。
    (4)400HH-42型料浆循环泵的改进
    对叶轮外径、进口直径、叶片数、叶轮出口宽度、叶片安装角度等进行了优化,使之出力提高了近30%。原密封结构为填料加水冷却,虽然简单、维护费用低,但密封容易失效,冷却水又容易渗入料浆中,既造成料浆浪费,又增加了蒸汽消耗,因此改成了副叶轮和停车密封组成的动力式密封。泵运转时,副叶轮因旋转产生的离心力使密封腔处于负压状态而阻止料浆向外泄漏;停运时, 3个氟橡胶油封的唇口在压力作用下紧紧包住轴套,从而达到密封的目的,且结构简单,密封效果好,不但解决了泄漏造成的环境污染和浪费物料,又可年节水36 000m3,节约蒸汽2 400 ,t避免物料损失价值近30万元。
    (5)槽及泵的改造
    一、二洗液中间槽及泵进行“二合一”,省去了2台中间槽和搅拌装置、2台高位槽、1台混合槽。改立式悬臂液下泵为卧式离心泵,滤、洗液泵出液管高度由12m平面降至6m平面,缩短了管道长度,减小了输送阻力,延缓了管道堵塞周期。滤液泵和备用泵出口管均采用1用1备的蛇行橡胶管,一旦管道堵塞可很快更换,同时解决了滤液或洗液溢流浪费和腐蚀的问题。
    稠浆低位槽从地面移至6 m平面,直接接到盘式过滤机冲盘水斗的出水口,利用冲盘水斗高差的冲击力,省去动力搅拌;稠浆高位槽改成稠浆稳流槽,利用稠浆泵出口的冲击力代替动力搅拌,设置400 mm折流板进行溢流调节,年可以节电16万kW·h。
    对3W-6X-75型三柱塞泵的柱塞、上下阀座、上下阀套、十字头等零部件的加工工艺和结构进行了改进,改304不锈钢阀球为钛合金阀球,使这些零部件的使用寿命延长2~5倍,同时泵的出力提高了13%,故障停机率降为1. 3%,年节约维修费用40多万元。
    3　节能减排
    (1)对15 kW以上电动机采用无功就地补偿技术,每千瓦补偿电容每年节电达236 kW·h。粉碎磷矿石的2台Φ2 200mm×7 000mm球磨机所配的6 000 V高压380 kW电动机,采用高压无功动态就地补偿技术,由隔离开关、避雷器、电容器、滤波电抗器、微感电阻器、熔断器、电流互感器、放电线圈、保护与指示回路等组成,主要功能是对系统进行滤波及无功补偿,有效吸收谐波源产生的高次谐波,改善功率因素,降低线路损耗,提高网络电压质量,因此2台设备的功率因数从0. 81提高至0. 98以上,节能率达到15%以上,同时又消除了高压谐波的干扰,提高了设备的运行效果。对一些存在“大马拉小车”现象的风机和循环泵应选用变频器来调节运行负荷,降低电能消耗。通过采取一系列节能措施,每年可以节电300万kW·h,取得效益80多万元。
    (2)利用热泵技术回收利用高温冷凝水,即把料浆加热器、干燥空气加热器等用汽设备排出的一次高温冷凝水作为脱盐水返回至锅炉,同时闪蒸出来的二次蒸汽通过热泵回用到加热设备。该技术自动控制,系统密闭性好,使整个供热系统的热能利用率提高了10. 5%,增产蒸汽近2 t/h,年节省水处理费30万元,同时节水150 000 m3。
    (3)开发废热水蒸发液氨新技术。把从混合冷凝器中排出的约60℃的废热水集中起来,设计了专用的液氨蒸发器,用泵将废热水送到液氨蒸发器,使液氨蒸发成气氨去中和工序。废热水全部循环使用,无排放,充分利用了废热,解决了热污染,年节省蒸汽19 200 t、节水750 000 m3。
    (4)废水循环由大循环、小排放改成小循环、零排放,即供浆、磷酸、磷铵三工段的废水单独小循环,实现清、废水分流利用,不相互联系,有效降低废水中和处理费用,年节水820 000 m3。
    (5)开发了萃取尾气三级逆流吸收循环回用新技术,无废液排放,气体经三级逆流吸收达标排放。氟水经提浓、沉淀、提纯与NaCl反应、过滤、烘干后产出成品氟硅酸钠,年产1 000多,t创效益300多万元。
    4　结语
    10多年的生产表明,在投入资金800多万元的情况下,装置产能大幅提升,生产成本下降。吨产品酸耗1. 30 ,t矿耗1. 75 ,t氨耗0. 127 ,t年节电600万kW·h,节水180万m3,节标煤5 000 ,t每年节能减排取得的直接效益达3 500万元,同时为农业的增产、增收发挥了较大的作用。

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