CN102303874A - 一种聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵的方法 - Google Patents

Abstract

一种聚晶法连续转化磷石膏制备硫酸铵的方法属资源综合利用、化工技术领域，涉及一种以（硫酸法）湿法磷酸行业副产磷石膏为主要原料，采用聚晶法转化磷石膏生产硫酸铵的方法。本发明生产工艺包括以下步骤：⑴采用湿法磷酸工业排放的磷石膏为原料，经预处理后得到净制磷石膏；⑵以水洗涤过滤工序碳酸钙滤饼产生的含硫铵一洗液在碳化塔中吸收氨和二氧化碳，制得硫碳铵溶液；⑶以碳酸钙聚晶核发生器与带搅拌的多釜或者带搅拌的多分区槽式反应器串联组成转化结晶器；⑷对转化结晶器连续排出的反应料浆进行过滤，得到滤饼及含硫酸铵w%38-40的滤液；⑸对步骤⑷得到的滤饼用清水进行二次逆流洗涤，将得到的含硫铵一洗液送至碳化塔吸收气氨和二氧化碳制取硫碳铵液；⑹采用硫酸对⑷步骤得到的含硫酸铵滤液进行中和脱碳然后离心分离得到含湿硫酸铵结晶，分离母液循环浓缩；对含湿硫酸铵结晶进行干燥得到成品硫酸铵。

Description

一种聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵的方法

技术领域

本发明属资源综合利用、化工技术领域，涉及一种以（硫酸法）湿法磷酸行业副产磷石膏为主要原料，采用聚晶法转化磷石膏生产硫酸铵的方法。

技术背景

硫元素是和氮、磷、钾并行的植物第四种营养要素。许多国家的研究表明，土壤中S∶N小于1∶5；S∶P₂O₅  小于1∶3，则可认为缺硫，会造成植物对N、 P元素利用率的下降。随着当代社会经济的发展，“三废”处理措施日趋完善，工业上流失到江河、大气中的硫日渐减少，加之大量使用不含硫高浓肥料，致使较多农田中缺硫严重，肥料肥效下降，农作物生产长不良。目前，世界上使用含硫肥料是一种发展趋势。硫酸铵是一种生产历史悠久的氮肥，含氮21.20%，含硫24.26%，其性质稳定，氮利用率高，可以单独使用，也可作为生产硫磷铵（钾）、硫硝酸铵、硫铵-尿素、NPK 复合肥、大颗粒硫铵（BB肥原料）及硫酸钾等含硫肥料的原料。硫酸铵近年新开发的重要用途是做重质稀土的富集剂或萃取剂，目前国内在这方面的用量已达到年数十万吨。近年国内外市场对硫酸铵的需求有较大增长。

我国目前农用或工业硫酸铵主要来自焦炉煤气脱氨处理及石化企业己内酰胺生产的副产品，全国常年产量约为200万吨。随着钢铁产能的受限及石化企业己内酰胺生产新技术的应用，这两个领域硫酸铵的来源在总量上呈下降趋势。

磷石膏是硫酸法萃取磷矿生产磷酸的副产物，每生产一吨P₂O₅湿法磷酸要副产4.5～5.5吨干基磷石膏。磷石膏的主要化学成分为二水硫酸钙（CaSO₄·2H₂O），是具有多种潜在用途的硫、钙或石膏资源，但其所含有的磷、氟、碱金属元素等杂质对综合利用构成不利的影响，使得磷石膏的利用成为世界性难题。近年我国高浓磷复肥及湿法磷化工得到快速发展，2010年全国每年副产磷石膏量已达到6000万吨以上，急待合理利用。

磷石膏主成分SO₃含量高，干基SO₃＞38%，经净化处理后，是转化制取硫酸铵的可用原料。在高浓磷复肥企业发展磷石膏制硫酸铵产业，可为企业创造一定的经济效益，并促进含硫肥料系列产品的开发和应用，有利于副产磷石膏的资源化利用和减量化，有利于高浓磷复肥企业的可持续性健康发展。

中国专利局2008年9月24日公开了“一种以磷石膏为原料生产硫酸铵的方法”（公开号：CN101269823A）；2009年7月29日公开了“利用磷石膏联产硫酸铵和碳酸钙的方法”（公开号：CN101492178A），以及历年公开的其中间步骤为磷石膏制硫酸铵的相关专利，在这些专利中都未涉及到提高转化产物碳酸钙滤饼过滤强度的工艺技术开发；未涉及聚晶法磷石膏连续转化工艺的研究；未涉及碳酸钙滤饼洗水的利用；对于含SiO₂w%≥15%的高硅碳酸钙渣的利用未涉及。

碳酸铵与磷石膏按以下化学反应形成硫酸铵溶液和碳酸钙沉淀：     (NH4)₂CO₃ + CaSO₄·nH₂O → (NH4)₂SO₄ + CaCO₃ ↓+ nH₂O 

磷石膏与碳酸铵反应生成硫酸铵和碳酸钙，是盐对复分解反应，由于碳酸钙溶度积很小，为10^-9极，反应速度极快，碳酸钙结晶成核速率高，加之磷石膏中有害杂质的影响，要获得粒度均匀、较粗大的碳酸钙结晶对于实现碳酸钙滤饼的高过滤强度和良好洗涤率很困难，常规磷石膏转化工艺的碳酸钙滤饼过滤强度＜300Kg/m².h干基。该技术实现工业化生产的关键，是转化反应的沉淀产物—碳酸钙结晶的性状问题，只有获得过滤、洗涤性能良好的碳酸钙结晶，生产才能正常运行，并获得好的技术经济指标。

发明内容

    本发明的目的旨在于克服现有技术的缺陷，提供一种流程简捷、环保，无需添加外加剂获得碳酸钙滤饼高过滤强度，且具有高转率、低氨耗、连续化生产优点的一种聚晶法转化磷石膏制取硫酸铵的方法。

本发明所述聚晶法转化磷石膏制取硫酸铵的方法，包括以下工艺步骤：

⑴采用湿法磷酸工业排放的磷石膏为原料，预处理后得到净制磷石膏，控制其干基含SO3w%≥38，原基含游离水w%≤25，可溶P₂O₅w% ≤0.3；

⑵以水洗涤过滤工序碳酸钙滤饼产生的含硫铵一洗液在碳化塔中吸收氨和二氧化碳，制得硫碳铵溶液，控制其含硫酸铵w%12-17、碳酸铵w%28-37； 

⑶以碳酸钙聚晶核发生器与带搅拌的多釜或者带搅拌的多分区槽式反应器串联组成转化结晶器。按mol比为(NH₄)₂CO₃/ SO₃=1～1.1:1的配比向聚晶核发生器中连续计量加入步骤⑴净制磷石膏、步聚⑵得到的硫碳铵液原料，同时向聚晶核发生器中循环计量加入第一反应区或釜的料浆，使得聚晶核发生器出口的混合料浆中CO₂含量≥22mg/ml；聚晶核发生器排出的混合料浆连续进入串联多釜或多分区槽式反应器继续进行反应，控制转化结晶温度为50-70℃、反应时间2.5～4小时、搅拌转速为临界悬浮转速的1.1-1.5倍；

⑷对转化结晶器连续排出的反应料浆进行过滤，得到滤饼及含硫酸铵w%38-40的滤液；

⑸对步骤⑷得到的滤饼用清水进行二次逆流洗涤，将得到的含硫铵一洗液送至碳化塔吸收气氨和二氧化碳制取硫碳铵液；洗涤后排出的滤饼为含碳酸钙干基w%＞65的滤渣；

⑹采用硫酸对⑷步骤得到的含硫酸铵滤液进行中和脱碳，中和终点PH为5～7，得到含硫酸铵w%39-42的硫酸铵溶液；对该液进行减压浓缩得到含硫酸铵晶浆液，然后离心分离得到含湿硫酸铵结晶和母液，分离母液循环浓缩；对含湿硫酸铵结晶进行干燥得到成品硫酸铵。

所述的预处理是以磷酸装置排出的磷石膏或堆场的磷石膏为原料，当有害杂质含量不符合要求时，用清水对其进行洗涤、过滤，控制净制磷石膏干基含SO3w%≥38，原基含游离水w%≤24 ，可溶P₂O₅w% ≤0.3；

所述的磷石膏原料还可用脱硫石膏或天然石膏的任意一种或两种代替。

所述的碳酸钙聚晶核发生器为带混合器的圆筒体设备。

转化得到的碳酸钙滤饼中磷石膏硫转化率≥97%；反应滤液中含硫酸w%38～40，由该滤液脱碳中和、浓缩结晶、干燥得到硫酸铵产品，该产品干基含氮w%20.8～21.0。

转化生成的碳酸钙结晶80%以上为聚集状结晶，其粒径20-60μm；碳酸钙滤饼的干基过滤强度≥800kg/m²．h、可溶性硫酸铵洗涤率＞99%；排出的碳酸钙渣干基含碳酸钙w%＞65。

步骤（5）所述的对滤饼进行逆流二洗是采用40～60℃的清水。

所述的分离硫铵晶浆液，是采用离心分离。

本发明所述的一种聚晶法转化磷石膏制取硫酸铵的方法，是采用湿法磷酸装置排出或堆场的磷石膏为原料，当原料中主要有害杂质含量高时，采用水洗涤、过滤净化，控制其干基含SO₃W%≥38、原基含游离水W%≤25、可溶P₂O₅w% ≤0.3；磷石膏原料还可用脱硫石膏或天然石膏的任意一种或两种代替；以水洗涤过滤工序碳酸钙滤饼产生的含硫铵一洗液在碳化塔中吸收氨和二氧化碳，制得硫碳铵溶液原料，其反应方程式如下：

 2NH₃+H₂O+CO₂ → (NH₄)₂CO₃

控制硫碳铵液含硫酸铵W%12-17、碳酸铵W%28-37；采用聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵并联产碳酸钙的方法，按以下生产操作步骤进行：

①向聚晶核发生器连续计量加入净制磷石膏、硫碳铵液原料及第一反应釜/区料浆，控制三者加入的比例，使得(NH₄)₂CO₃/SO₃= 1～1.1:1(mol)、聚晶核发生器出口混合料浆中CO₂含量≥22mg/ml；

②自聚晶核发生器中流出的混合料浆连续进入带搅拌的多串联釜/多分区槽式反应器，控制反应温度50～70℃、搅拌转速为临界悬浮转速的1.1～1.5倍、反应时间2.5～4小时；

③对带搅拌的多串联釜/多分区槽式反应器排出的反应料浆进行过滤，得到滤饼和含硫铵W%38-40的滤液； 

④对步骤③得到的滤饼用清水进行二次逆流洗涤，得到含硫铵的一洗液；洗涤后排出的滤饼为含碳酸钙干基W%＞65的滤渣；

⑤对步骤③得到的含硫酸铵滤液进行中和脱碳，中和终点PH5～7、减压浓缩结晶、离心分离、结晶干燥冷却得到成品硫酸铵；分离结晶后的母液循环浓缩；

⑥含硫铵一洗液送到碳化工段，用于吸氨、碳化制硫碳铵液。

步骤⑤所述的硫酸铵成品干基含N的质量百分比为20.8-21.0%；④所述碳酸钙滤饼中碳酸钙颗粒绝大部分为粒径30～60μm聚集状晶体，滤饼过滤强度≥800Kg/h．m²，可溶性硫酸铵洗涤率＞99%；碳酸钙滤饼中干基碳酸钙W%＞65%，该数值随磷石膏原料SO₃含量而变化。

本发明所述的聚晶法转化磷石膏制硫酸铵方法，其创新价值在于:在低氨耗情况下，使碳酸钙滤饼获得高过滤强度和良好洗涤性能，使得高强度连续转化磷石膏制取硫酸铵成为可能，大大提高生产效率，降低生产成本；联产的碳酸钙渣具有多种用途。本发明为磷石膏的资源化利用提供了一条经济可行的有效利用途径，对于节约资源、减少废渣排放，促进高浓磷复肥产业循环经济的发展具有重要的现实意义。本发明所提供的获得过滤、洗涤性能良好的碳酸钙聚集晶体的连续转化磷石膏制取硫酸铵方法，不需添加外加剂，具有高转率、低氨耗、连续化生产的特点，流程简捷，无三废排放。所联产的碳酸钙渣，可根据其中硅的含量决定用途，其硅的含量可随磷石膏原料含SiO₂量而变化：含量低的，可做水泥原料或制改性碳酸钙粉；含量高的，适宜做农用土壤改良剂。近年国内磷酸萃取技术进步很快，相当部分高浓磷复肥企业所排放的磷石膏可不经水洗净化—直接用作本聚晶法转化磷石膏制取硫酸铵的工艺原料，使得本发明工艺流程更为短捷。本发明磷石膏原料来源广、成本低；可有效减排合成氨厂变换脱碳排放的CO₂；硫酸铵产品质量可靠，项目投资经济可行，社会效益显著。

附图说明

图1为本发明实施例工艺流程图

实施例1

如图1所示，2000吨/年磷石膏制硫酸铵的中试装置生产线，主要工艺设备如下：

a.转化结晶器：由碳酸钙聚晶核发生器及三个带搅拌圆筒体反应器（V=2m³,φ1300×1600）串联组成；

b.碳化塔为立式填料塔，φ640×120000；

c.磷石膏过滤洗涤机：翻盘过滤机，F=4m²；

d.硫酸铵滤液浓缩器：真空双效蒸发器，蒸发能力2t/h水；

e.硫酸铵结晶干燥、冷却器：热、冷风振动干燥流化床，处理能力1.5t/h硫酸铵结晶。

本实例以磷石膏、液氨、CO₂、水为主要原料，采用聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵及联产碳酸钙渣的生产流程及操作控制步骤如下：

⑴ 磷石膏原料制备

用过滤机对来自磷酸装置的湿排磷石膏渣浆进行过滤，在磷石膏原料不符合要求时，采用清水对磷石膏进行淋洗并过滤，过滤液及洗水返回磷酸装置湿排磷石膏再浆槽，由此制得本项目净制磷石膏原料。

本实例所用净制磷石膏原料化学成分，干基w%

注：游离水的质量%以原基计

⑵液氨经加热气化为气氨，按计量通入碳化塔底；来自合成氨装置合成气变换脱碳的CO₂经低压压缩≤0.3MPa，按计量送入碳化塔底；控制二者加入的mol配比为2NH₃/CO₂ =1～1.03。以本流程中洗涤碳酸钙滤饼产生的含硫铵一洗水为吸氨（碳化）液，该溶液在装置初始启动时，以硫酸铵+水配制而得，吸氨（碳化）液由碳化塔顶喷淋而下，通过填料吸收氨和CO₂制取硫碳铵液，制得的硫碳铵液含硫酸铵W%14.00、碳酸铵W%33.50；

⑶聚晶法转化磷石膏制取硫酸铵并联产碳酸钙按以下操作步聚进行：

①向聚晶核发生器连续计量加入步聚⑴得到的磷石膏原料0.596t/h、步聚⑵得到的硫碳铵液原料0.668t/h及反应一区料浆，控制三者加入的比例，使得mol 比为(NH₄)₂CO₃/SO₃= 1.03:1、聚晶核发生器出口混合料浆中CO₂含量22mg/ml；

②自聚晶核发生器中流出的反应料浆进入分区反应器，控制反应温度55℃、反应料浆在转化结晶器中的平均反应时间3.8小时；搅拌转速为临界悬浮转速的1.10倍；

③对步骤②排出的反应料浆进行过滤，得到滤饼和含硫铵W%39.11的滤液； 

④对步骤③得到的滤饼用50℃清水进行二次逆流洗涤，得到含硫铵一洗液；经洗涤排出的滤饼，0.552t/h干基饼为含碳酸钙干基W%71.75的滤渣；经测定滤饼过滤强度为985 Kg/h.m² ；

⑤采用硫酸对含硫酸铵滤液进行中和脱碳，中和终点PH6，得到含硫铵W%39.63的硫酸铵溶液，对其进行减压浓缩、冷却得到含硫铵晶浆液，然后经离心分离得到硫酸铵结晶体，再经干燥得到成品硫酸铵0.278t/h；分离结晶后的母液循环浓缩；

⑥含硫铵一洗液送到碳化工序用于吸收氨、CO₂制取硫碳铵溶液。

聚晶法转化磷石膏制硫酸铵联产碳酸钙的工艺流程见附图1。

⑷本实例实施结果技术性能指标

实施结果技术性能指标

实施例2

生产装置、硫酸铵产量、工艺流程、操作控制步骤与实施例1相同，工艺流程示意见图1。

    ⑴磷石膏原料

本实例所用磷石膏原料化学成分，干基质量%

⑵本实例硫碳铵溶液原料

所制得硫碳铵液含硫酸铵W%13.00、碳酸铵W%35.50。

⑶本实例的转化结晶典型工艺条件

                      本实例的转化结晶典型工艺条件

⑷本实例实施结果技术性能指标

实施结果技术性能指标

实施例3

生产装置、硫酸铵产量、工艺流程、操作控制步骤与实施例1相同，工艺流程示意见图1。

⑴磷石膏原料

本实例所用净制磷石膏原料化学成分（干基质量%）

⑵本实例硫碳铵溶液原料

所制得硫碳铵液含硫酸铵W%17.00、碳酸铵W%28.20。

⑶本实例的转化结晶典型工艺条件

                      本实例的转化结晶典型工艺条件

⑷本实例实施结果技术性能指标

实施结果技术性能指标

实施例4

生产装置、硫酸铵产量、工艺流程、操作控制步骤与实施例1相同，工艺流程示意见图1。

⑴磷石膏原料

本实例所用净制磷石膏原料化学成分（干基质量%）

⑵本实例硫碳铵溶液原料

所制得硫碳铵液含硫酸铵W%13.20、碳酸铵W%34.00。

⑶本实例的转化结晶典型工艺条件

                      本实例的转化结晶典型工艺条件

⑷本实例实施结果技术性能指标

实施结果技术性能指标

实施例5

生产装置、硫酸铵产量、工艺流程、操作控制步骤与实施例1相同，工艺流程示意见图1。

⑴磷石膏原料

本实例所用净制磷石膏原料化学成分（干基质量%）

⑵本实例硫碳铵溶液原料

所制得硫碳铵液含硫酸铵W%14.00、碳酸铵W%35.00。

⑶本实例的转化结晶典型工艺条件

                      本实例的转化结晶典型工艺条件

⑷本实例实施结果技术性能指标

实施结果技术性能指标

以上仅是本发明的几个实施例，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对实施内容所作的修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵的方法，其特征在于，生产工艺包括以下步骤：

⑴采用湿法磷酸工业排放的磷石膏为原料，经预处理后得到净制磷石膏，控制其干基含SO₃w%≥38，原基含游离水w%≤25、可溶P₂O₅w% ≤0.3；

⑵以水洗涤过滤工序碳酸钙滤饼产生的含硫铵一洗液在碳化塔中吸收氨和二氧化碳，制得硫碳铵溶液，控制其含硫酸铵w%12～17、含碳酸氨w%28～37；

⑶以碳酸钙聚晶核发生器与带搅拌的多釜或者带搅拌的多分区槽式反应器串联组成转化结晶器，按mol比为(NH₄)₂CO₃/SO₃=1～1.2:1的配比向聚晶核发生器中连续计量加入步骤⑴净制磷石膏、步聚⑵得到的硫碳铵液原料，同时向聚晶核发生器中循环计量加入第一反应区或釜的料浆，使得聚晶核发生器出口的混合料浆中CO₂含量≥22mg/ml；聚晶核发生器排出的混合料浆连续进入串联多釜或多分区槽式反应器继续进行反应，控制转化结晶温度为50-70℃、反应时间2.5～4小时、搅拌转速为临界悬浮转速的1.1-1.5倍；

⑷对转化结晶器连续排出的反应料浆进行过滤，得到滤饼及含硫酸铵w%38-40的滤液；

⑸对步骤⑷得到的滤饼用清水进行二次逆流洗涤，将得到的含硫铵一洗液送至碳化塔吸收气氨和二氧化碳制取硫碳铵液；洗涤后排出的滤饼为含碳酸钙干基w%＞65的滤渣；

⑹采用硫酸对⑷步骤得到的含硫酸铵滤液进行中和脱碳，中和终点PH为5～7，得到含硫酸铵w%38-42的硫酸铵溶液；对该液进行减压浓缩得到含硫酸铵晶浆液，然后离心分离得到含湿硫酸铵结晶，分离母液循环浓缩；对含湿硫酸铵结晶进行干燥得到成品硫酸铵。

2.根据权利要求1所述的聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵的方法，其特征在于：所述的预处理是指当磷石膏原料中可溶P₂O₅w%＞0.3时，用清水对磷石膏进行洗涤、过滤，控制净制磷石膏原料干基含SO3w%≥38，原基含游离水w%≤25，w(可溶P₂O₅)% ≤0.3。

3.根据权利要求1所述的聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵的方法，其特征在于：所述的磷石膏原料可用脱硫石膏或天然石膏的任意一种或两种代替。

4.根据权利要求1所述的一种聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵的方法，其特征在于，所述的碳酸钙聚晶核发生器为带混合器的圆筒体设备。

5.根据权利要求1所述的一种聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵的方法，其特征在于，转化得到的滤饼中磷石膏硫转化率≥97%；转化得到的反应滤液中含硫酸铵w%38～40，由其脱碳中和、浓缩结晶、干燥得到硫酸铵产品，该产品干基含氮w%20.8～21.0。

6.根据权利要求1所述的聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵的方法，其特征在于，转化生成的碳酸钙结晶w%80以上为聚集状结晶，其粒径20-60μm；碳酸钙滤饼的干基过滤强度≥800kg/m²．h、可溶性硫酸铵洗涤率＞99%；排出的碳酸钙渣干基含碳酸钙w%＞65。

7.根据权利要求1所述的聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵的方法，其特征在于，步骤（5）所述的对滤饼进行逆流二洗是采用40～60℃的清水。

8.根据权利要求1所述的聚晶法转化磷石膏制备硫酸铵的方法，其特征在于，所述的分离硫酸铵晶浆液，是采用离心分离。

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