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磷酸快速萃取技术生产实试小结
鲁西化工集团阳谷化工厂 庞仁杰 宏大科技开发公司 俞政一
一、技术来源和支持
••••磷酸快速萃取技术是由江苏宏大科技开发公司的俞政一 经20余年的理论研究、实验室试验和生产实践的基础首创而成，但缺乏长期稳定运行的系统性资料。在中国磷肥协会大力支持和精心安排下，于1998年8月底9月初，在山东鲁西化工集团阳谷化工厂进行长期稳定的系统性试验。试验工作一直在张良峰厂长亲自领导下，庞仁杰副厂长亲自担任磷酸快速萃取技术组组长；宏大科技开发公司及时提供了新颖硫磷混酸冷却器及顺流型搅拌桨，并针对所用磷矿特性，提出了有关工艺条件的控制范围。保证了磷酸快速萃取技术生产试验工作的顺利进行。于1999年2月3日，中国磷肥协会、鲁西化工集团阳谷化工厂及宏大科技开发公司，在鲁西化工集团阳谷化工厂召开了快速萃取生产性试验进行了阶段性试验小结会。会议认为以1999年1月份全月的生产报表为依据(表5)，该技术已达到： ••••──磷酸产量由设计能力的1.5万吨P2O5/年，增加到年产量4万吨P2O5/年
──技术指标: 转化率: ≥97.5％;洗涤率: ≥98.5％;石膏中水溶性P2O5: ≤0.5％。••••
二、磷酸快速萃取技术理
••••磷酸快速萃取技术发明人提出：磷石膏结晶是以液泡为单位的瞬间结晶，而不是先生成晶核再由晶核成长为结晶的传统理论。反应时间也不是4～6小时而是小于2小时等等(详见表1)。
••• 表1 磷酸快速成萃取的理论与传统理论比较：
基本概念 快速萃取理论 传统理论
分子结构 空间逻辑结构 以原子价平衡为基础的平面结构均
溶液性质 由单位体系组成的混合体系 一体系
反应机理 能量及功能基团的交换 离子交换
反应过程 在液泡（微体系）内进行 在整系统内进行
磷矿酸解过程 磷酸中的水置换磷矿物中的 主要反应为硫酸直接分解磷矿生成 CaO成磷酸一钙或二钙，然 磷酸与磷石膏结晶 后再生成磷酸与磷石膏结晶
磷石膏结晶 以液泡为单位的瞬间结晶 分晶核生成和晶核成长二阶段与
磷矿石的反应性 与氟含量有关 CO2有关
反应(结晶)时间 可小于2小时 4～6小时
SO3浓度控制 按能量浓度进行控制 用百分含量进行控制
萃取磷酸分子式(H3PO4)n·F H3PO4 ••••
三、磷酸快速萃取技术的系统性试验 发明人将上述理论于1988年首先应用于开封化肥厂，后又在陕西复肥厂、云南磷肥厂及江苏泰兴磷肥厂等厂进行过生产性试验验证。试验结果表明磷酸产量普遍提高。由于受原料供应及磷酸后继加工能力的限制，产量增幅仅为原设计能力的200％。而根据磷酸快速萃取技术的理论及实践经验推算，现有萃取磷酸装置在萃取槽及过滤机不变条件下，装置生产能力至少可为原设计能力的300％以上。与生产能力提高的同时，热平衡问题必需解决。因此，在鲁西化工集团阳谷工厂继续进行磷酸快速萃取技术的试验和理论验证。
鲁西化工集团阳谷工厂对磷酸快速萃取技术的要求，不仅年生产能力能要达到 5万吨P2O5/年，并且要求在使用Al2O3/F(质量比)≤0.65的开阳磷矿情况下，磷石膏水溶性P2O5含量不超过0.5％，•以适应石高制水泥和硫酸的要求。因此，调整工艺条件暴露系统存在问题亦是试验的目的之一。即在不增加反应、过滤设备，而只对一些输送设备的能力进行调整情况下，暴露和整改加大投矿量后存在的问题，不断改进设备提高装置生产能力。这样，整个试验分成以下几个阶段。
••••第一阶段试验目的：
••••1.对工艺条件和新操作制度的适应。
••••2.测定及验证硫磷混酸冷却器的特性参数、耐腐蚀情况及使用寿命。••••3.验证萃取反应(结晶)时间小于1.5小时的各项工艺参数。
••••磷酸快速萃取技术的要点是：更新工艺理论、改变操作制度，采用硫磷混酸冷却及顺流型搅拌桨。
••• 加大装置生产能力即加大投矿量的结果，必然增加反应热。现有的萃取反应热大多采用空气鼓风冷却，它的优点是投资及运行费用低。但是，受萃取料浆表面泡沫层的影响，冷却效率低，它的传质系数低于55kg-H2O/(m2·h)，一般为29kg-H2O/(m2·h)。也就是说，•采用空气鼓风冷却，萃取槽的生产能力至多只能提高一倍。虽则在江苏泰兴磷肥厂以及其它磷肥厂等厂，应用磷酸快速萃取技术曾将装置生产能力提高至原设计能力的300％。但维持时间较短，未经长时间的考核。因此，由投矿量加大后引起的一系列问题未能充份暴露。为进一步提高装置生产能力，达到长期稳定生产，如何移走磷矿酸解反应热，是一个必需解决的问题。
••••对磷矿酸解过程进行理论解析的结果，反应热的大部份来自于硫酸与磷酸的混合热。如果将这一混合热用“硫磷混酸冷却器”移出至料浆外进行冷却，则可降低萃取槽的冷却负荷提高装置生产能力。因此，硫磷混酸冷却器的冷却能力及反应温度的可控性，就成为本试验的首要目的。
••••试验结果表明：
在不改动萃取槽和过滤机的前提下，反应时间缩短至2小时以下，改变传统工艺操作制度，对生产并没有带来任不利影响，具有明显的增产效果；硫磷混酸冷却器的冷却效果显著，但耐腐蚀性能差，结构必需改进。
••••要取得长期稳定的增产效果，磷矿组成应相对稳定，否则工艺条件难于控制。
••••第二阶段试验的目的：
••••1.继续提高生产能力并达至长期稳定运行的目的。••••2.测定磷石膏过滤机的过滤能力及各项参数。••••3.结构改进后的硫磷混酸冷却器的使用寿命。
••••试验结果表明：
••• 1.在用贵州开阳磷矿石为原料(表2)时，装置平均生产能力4.51～4.53万吨P2O5/年(表3.)。用开阳、保康磷矿混矿时的平均生产能力为4.13～4.51万吨P2O5/年。
••• 2.磷石膏结晶晶粒粗大均匀，过滤料浆量在80～88m3/小时情况下，过滤区的五块滤盘只用了1.5块盘，滤饼表面即已吸干。•滤饼厚度最大为11.5公分，通常为6～9公分。••• 3.结构改变后的硫磷混酸冷却器，•使用时间长达三个月仍未见严重腐蚀。冷却效果良好。
••• 4.磷酸萃取所用顺流型搅拌桨使用已有半年，•桨叶表面未见任何磨损；搅拌轴的气相腐蚀有很大缓解；结晶破碎程度与通常使用的搅拌桨比较也有极大改善。
••• 第三阶段试验目的：
••• 为解决我国磷矿组成复杂，杂质含量变化大，再加上现有的反应槽设计不合理，直接影响磷石膏结晶形状及大小变化，影响磷石膏过滤性能及石膏中水溶性P2O5含量的问题。将从萃取磷酸设备结构上加以改进，以适应磷矿组成的变化。
四、磷酸快速萃取技术的适应性：
(一)对磷矿的要求：
••••磷酸快速萃取技术对磷矿的要求为Al2O3/F(质量比)≤0.65，•如果磷矿中的Al2O3/F(质量比)≥0.65，则会出现“加矿不出酸”的现象；对MgO和P2O5含量以及CaO/P2O5(质量比)无严格要求。例如：
••••1.陕西复肥厂原设计要求用云南晋宁矿为原料，•采用磷酸快速萃取技术后，晋宁矿只占总用量的20％，其余80％为湖北矿和四川清平矿。••••2.江苏泰兴磷肥厂全部以湖北宜昌矿为原料。
••••3.鲁西化工集团阳谷化工厂所用磷矿组成：1999年元月2日至12日，使用开阳磷矿为原料，从13日起为开阳、保康混矿(表2)。与之相对应的生产能力如（表3）。
表2 萃取磷酸所使用的原料磷矿组成：
••••名 称 P2O5 CaO Fe2O3 Al2O3 MgO AI.F CO2 ••••开 阳 34.84 49.82 1.23 1.07 1.21 3.57 • ••••混 矿 33.84 48.09 1.26 1.13 1.12 6.05
•••••••••••• 表3 1999年元月9～15日的生产能力(万吨P2O5/年)••••••••••••起迄日期 按 投 矿 量 折 算 成 磷 酸 量 •••••••••••• 最 大 最 小 平 均 ••••••••••••9日～12日 5.04 3.94 4.53 ••••••••••••9日～15日 • •••5.04 3.79 4.36
由表(3)可以看出，元月12～15日的装置生产能力低于9～12日。主要原因为，混矿并不改变萃取过程的化学反应，只改变萃取磷酸及磷石膏结晶的物理性。
(二)对萃取反应槽的适应性：
••• 磷酸快速萃取技术虽然大多用在同心圆萃取槽上，但反应器结构形式并不影响化学反应进程及结果。如开封化肥厂的磷石膏结晶器即是长园形反应器。
对于一些使用料浆真空冷却的磷酸萃取装置，采用硫磷混酸冷却器和顺流型搅拌桨，同样能取得提高装置生产能力的结果。
(三)对工艺操作及管理要求：
••••磷酸快速萃取技术和传统的磷酸生产技术一样，对磷矿管理要求磷矿化学组成应相对稳定，磷矿破碎前应有磷矿的均化措施。
五、快速萃取技术的经济效益
••••1.投资
••••对一些由原设计装置生产能力为1.5万吨P2O5/年规模的老厂，改造4～5万吨P2O5/年的能力，所需改造项目为供矿、供酸、物料送设备(表4)以及相应的公用工程，而主机─萃取槽及过滤机和相应的厂房均可不动。因此，硬件费可大大地节省。••• 如将该技术用于新上项目，设备和厂房费用同样可以节省。
•••• ••• 表4 有关设备能力变动及要求
名 称 要求设备能力及规格 原有设备能及规格
m/h m/h •••• 设备能力变动：
排风机 Q≥50000 Ｑ＝20000 鼓风机 取 消 Ｑ＝10000 矿浆泵 15.0 料浆泵 100.0 •••• 成品磷酸泵 30.0 返磷酸泵 70.0 •••• 洗液(稠浆)泵 30.0 石膏皮带 带速增加至1.2米/秒或加宽 •••• 专利设备：
•••• 硫磷混酸冷却器(专利号： 982262809)─新增加
•••• 及顺流型搅拌桨(专利申请号：97247897.3)─原搅拌将改造
2.经营费用
••••虽然产量大幅度增长，但电耗、设备折旧及维修费及人工工资等可变成本下降，而固定成本不变。通常，年产1.5万吨P2O5的磷酸装置的磷酸车间成本～2000元/吨P2O5，可变成本占车间成本的15～20％。因此,每增加一吨P2O5，可增加300～400元的效益。且经济效益的增加幅度随增产幅度的增加而增加。鲁西化工集团阳谷化工厂1998年12月，磷酸装置生产能力为3.3万吨P2O5/年，硫基氮磷钾车间生产成本由1380～1450•元•/•吨降至1200元/吨。1999年3月生产成本为1130元/吨。
六、结论
••• 1.装置生产能力。以1999年1月为例(表5)，1月2日大修结束、开车，3日至29日共27天，投入P2O5品位为34％的磷矿8859.66吨，•因磷酸胀库等原因，停车136.5小时，作业率为78.94％。这样，磷酸产量已由设计能力的1.5万吨P2O5/年增加到年产量4万吨P2O5/年。P2O5转化率≥97.5％；洗涤率≥98.5％；石膏中水溶性P2O5≤0.5％。••• 2.磷酸快速萃取技术硬件投入费用低，所产生的经济效益高。
3.对磷矿的要求除了Al2O3/F(质量比)≤0.65，如果磷矿中的Al2O3/F(质量比)≥0.65，则会出现“加矿不出酸”的现象；对MgO和P2O5含量以及CaO/P2O5(质量比)无严格要求。但在用混矿生产时，对混矿比例随所用磷矿不同而有不同要求。
••••4.硫磷混酸器可有效地除去磷矿酸解热的大部份，•且在混酸冷却器上无磷石膏结垢堵塞现象。
••••5.顺流型搅拌桨可改善桨叶表面磨损和结晶破碎程度,和缓解搅拌轴的气相腐蚀。
表5 鲁西化工厂集团阳谷化工厂磷酸磷铵生产情况月报： 1999年 1月
日 投矿量 硫酸量 ＭＡＰ ＮＰＫ 磷 石 膏 开车 开 停 车 记 录：(P2O5)(P2O5)(水溶性P2O5)% 时间 •期 吨/日 吨/日 吨/日 吨/日 １ ２ ３ 小时
• 3 11.62 234.39 42.80 19.87 0.39 0.26 0.20 18.8 酸胀库、检修 • 4 277.49 215.43 20.40 50.10 0.22 0.20 0.11 16.7 清理、检修设备 • 5 194.04 167.18 76.93 0.59 0.07 0.09 12.8 酸胀库 • 6 334.08 274.04 92.01 0.06 0.10 0.15 17.5 酸胀库 • 7 272.12 206.82 74.01 1.30 0.11 0.08 17.5 酸胀库 • 8 396.81 299.89 62.51 0.29 0.30 0.59 19.5 换滤布、检修 • 9 468.75 403.29 66.53 62.01 1.52 0.30 0.18 24.0 •10 365.47 310.23 71.62 65.31 0.38 0.52 0.18 21.0 石膏胀库 •11 403.46 327.47 61.26 59.24 0.12 0.69 20.0 缺矿、缺水、石膏皮带跳闸停车 •12 442.00 389.51 69.69 61.45 1.28 1.14 0.66 22.2 缺矿、返酸管坏 •13 352.10 301.61 45.46 60.16 0.58 0.65 0.93 19.8 缺矿、用开阳保康混矿、换滤布 •14 396.38 317.12 51.84 61.60 1.38 4.38 1.40 22.0 清湿潭斗 •15 390.77 306.78 43.19 55.47 1.96 2.20 2.23 20.5 修稠浆泵。• 16 411.39 330.91 87.01 2.70 1.32 20.2 换滤布 17 367.55 311.95 84.13 0.26 0.22 0.20 24.0 一洗泵坏，减量 18 345.20 284.38 96.92 0.33 21.7 酸胀库、检查过滤系统 19 254.58 177.52 90.06 0.29 0.24 13.5 酸胀库、换滤布、清真空室 20 342.02 272.31 79.94 0.18 0.16 0.07 20.5 酸胀库、21 308.14 249.91 82.16 0.11 0.11 0.20 20.0 酸胀库 22 282.40 85.69 0.41 0.38 0.14 酸胀库 23 268.97 255.08 95.10 0.07 0.17 0.11 19.5 酸胀库 24 257.17 215.44 88.12 0.06 0.20 0.15 17.0 酸胀库、双螺旋坏检修 25 279.95 234.40 88.89 0.79 0.26 0.20 17.5 酸胀库、清尾气风机 26 276.38 241.29 80.25 0.44 0.21 0.38 19.2 酸胀库、修尾气风机出口管 27 220.61 182.69 80.48 0.23 0.17 0.21 13.7 酸胀库 28 328.49 246.46 57.59 0.53 0.32 0.26 18.5 酸胀库、换滤液大气腿 29 299.72 260.25 84.98 0.29 0.16 14.5 酸胀库
