CN104211032B - 窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑及解决窑法磷酸工艺窑尾结圈的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑，包括窑体、窑头箱、窑尾箱和驱动窑体转动的驱动装置，在窑头处设有燃料烧嘴，在窑尾箱处设有进料管和一连接至外部水化塔的出口烟道，窑体的上部不设置风管，出口烟道设于以回转窑轴线为中心的窑体半径范围内，且出口烟道中的烟气输送方向与回转窑的轴线方向基本平行或呈小于45°的夹角。采用本发明的回转窑进行窑法磷酸工艺时，使原料从窑尾箱进入，点燃燃料烧嘴加热，磷矿石原料在高温条件下还原后生成出窑烟气，本发明使出窑烟气在进入出口烟道时不发生较大偏移，进而阻止窑尾处产生离心物理沉降，使窑气中的偏磷酸直接随出窑烟气进入水化塔。本发明可有效缓解回转窑窑尾结圈现象。

Description

窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑及解决窑法磷酸工艺窑尾结圈的方法

技术领域

本发明涉及一种用于还原磷矿石的反应设备，尤其涉及一种用于还原磷矿石的回转窑。

背景技术

目前世界上工业生产磷酸的方法主要有两种。（1）湿法制磷酸：即利用硫酸分解磷矿石得到稀磷酸和以CaSO₄·nH₂O为主体的固体废渣（简称磷石膏），将稀磷酸浓缩得到含磷酸54%左右的湿法磷酸。这种工艺的主要缺点：一是要耗用大量的硫酸；二是废渣磷石膏无法得到有效的利用，其中夹带的硫酸、磷酸和可溶性氟化物均溶于水，自然堆放后被雨水冲刷，容易对环境造成严重污染；三是产品磷酸的杂质含量较高，一般只用于生产肥料；四是为保证产品的经济性，必须使用高品位磷矿。（2）热法制磷酸：即首先将磷矿石、硅石、碳质固体还原剂置于一台矿热电炉中，用电短路形成电弧的能量，将炉内温度加热到1300℃以上，将磷矿石中的磷以P₄形式还原出来，同时碳质固体还原剂被转化为CO，将排出矿热炉的P₄和CO为主的气体用水洗涤降温，P₄被冷却成固体与气相分离，得到产品黄磷，含CO的废气在烟囱出口点火燃烧后排入大气；将得到的P₄加热到80℃左右，使其变为液相，将其在水化塔中与通入的空气发生氧化燃烧反应，得到磷酸酐P₂O₅，再用水吸收得到磷酸。热法制磷酸的主要缺点：一是要耗费大量的电能；二是排出矿热炉后分离了P₄的气体还夹带有大量的氟化物（以SiF₄和HF存在）和少量未沉淀的气体P₄，这将对大气环境造成严重污染；三是含大量CO的气体直接燃烧排空，能源浪费很大；四是为了保证生产的经济性，同样需要使用高品位磷矿石。

为了克服电能紧张、硫铁矿资源不足和高品位磷矿石逐年减少对磷酸生产的影响，八十年代初美国OccidentalResearchCorporation（ORC）提出采用KPA法，即用回转窑生产磷酸的方法（简称窑法磷酸工艺）（参见FredericLedarandWonC.Park等，NewProcessforTechnical-GradePhosphoricAcid，Ind.Eng.Chem.ProcessDes.Dev1985，24，688-697），并进行了0.84m（内）×9.14m回转窑中试装置的中间试验（参见US4389384号美国专利文献）。该方法是将磷矿石、硅石和碳质还原剂（焦粉或煤粉）细磨到50%～85%－325目，配加1%的膨润土造球，经链式干燥机干燥预热后送入窑头燃烧天然气的回转窑中，球团在窑内还原，控制最高固体温度为1400℃～1500℃，调整球团CaO/SiO₂摩尔比为0.26～0.55，使球团熔点高于球团中磷矿石的碳热还原温度，磷以磷蒸气的形式从球团中还原挥发出来，然后在窑的中部空间被通入的空气氧化成五氧化二磷，氧化放出来的热反过来又供给还原反应，最后将含有五氧化二磷的窑气水化吸收即制得磷酸。

上述的窑法磷酸工艺思路显示了一种良好的工业应用前景，因其原理是利用磷矿的碳热还原形成P₄气体，将磷矿石中的磷转移到回转窑的气相当中，并利用气固分离原理使磷与料球中的其余固体物质很好的进行分离，转移到回转窑气相中的P₄气体可与回转窑气相中的氧发生氧化放热反应生成P₂O₅，放出的热则供给料球中磷矿石的碳热还原（吸热反应），最后将出回转窑的含P₂O₅的窑气水化吸收，可获得洁净度远高于湿法磷酸的工业磷酸。由于回转窑维持磷矿碳热还原温度使用的是初级能源，同时磷矿碳热还原产生的可燃物质P₄与CO在回转窑内部即可进行燃烧放热反应，补充提供给维持回转窑磷矿碳热还原温度所需能量，这与传统的热法制磷酸工艺相比，其能耗得到大幅度降低。

然而，我们的研究表明，上述的窑法磷酸工艺在规模化的工业应用及实践中很难实现，其主要缺陷在于：

1、回转窑是窑体以一定速度（0.5r/min～3r/min）运转的设备，其优点是可以连续对送入窑内的固体物料进行机械翻转、混合，保证窑内固体物料各处受热的均匀性，但反过来窑内固体物料亦须承受物料运动的机械摩擦力，如果物料强度小于受到的机械摩擦力将很容易被破坏。美国ORC公司提出的KPA工艺基本原理是将磷矿石、硅石和碳质还原剂（焦粉或煤粉）细磨到50%～85%－325目后制成球团，这三种物质必须紧密地共聚一体，才能在混合物中CaO/SiO₂摩尔比为0.26～0.55的条件下，实现混合物料在磷矿石的碳热还原温度下不熔化，同时，磷矿的碳还原才能得以顺利进行。但工艺使用的物料球团中配入了还原剂碳，碳在大于350℃温度下会与空气中的氧发生快速的氧化反应转变成CO₂，如果采用传统冶金工业球团在链篦机上高温固结的方法（≥900℃），则球团中的还原碳会被全部氧化，入回转窑球团则流失了还原剂，磷的碳热还原反应自然也无法进行，导致工艺失败。如果仅通过添加膨润土作球团粘结剂在300℃以下进行干燥脱水，则球团抗压强度仅为10KN/个球左右，落下强度≤1次/米；因为膨润土的作用机理主要是利用其物质结构中的层间水来调节球团干燥过程中的水分释放速率，提高球团在干燥过程中的爆裂温度，其本身对提高球团强度并无显著作用。将这种球团送入回转窑后、且在回转窑温度值达到900℃温度前，由于承受不住回转窑内料球运动所受到的机械摩擦力，入窑的球团将大量粉化，粉化后组成球团的磷矿粉、硅石粉和碳质还原剂等将分离，粉化后的磷矿粉由于不能与碳质还原剂紧密接触，将导致磷不能被还原。更为严重的是，磷矿粉一旦与硅石粉分开，其熔点将急剧降低到1250℃以下，这种粉状磷矿通过回转窑的高温还原区（料层温度为1300℃左右）时，将全部由固相变成液相，进而粘附在回转窑窑衬上形成回转窑的高温结圈，阻碍物料在回转窑内的正常运动，使加入回转窑的大部分物料从回转窑加料端溢出回转窑，无法实现磷的高温还原，导致工艺失败。可见，由于入窑原料存在固有缺陷，至今未见上述的KPA技术进行过任何工业化、规模化或商业化的应用。

2、对于上述配碳磷矿球团的KPA工艺而言，在回转窑内料层下部的固体料层区属于还原带，料层上部则是回转窑的气流区，属于氧化带，进料球团从回转窑窑尾加入，依靠其自身重力和回转窑旋转的摩擦力从回转窑的窑头区排出，回转窑燃烧燃料的烧嘴安装在回转窑窑头，产生的燃烧烟气则由窑尾的风机引出，回转窑内维持微负压，气流与物料的运动方向相反。由于在回转窑的还原带（固体料层区）和氧化带（回转窑固体料层上部的气流区）无机械隔离区，因此，暴露在固体料层区表面的料球将与氧化带气流中的O₂、CO₂发生对流传质；这一方面会使料球中的还原剂碳在料球被气流传热加热到磷矿石碳还原温度前被部分氧化掉，致使料球在回转窑还原带由于碳质还原剂的缺乏，而得不到充分还原；更为严重的是，在回转窑高温区暴露于料层表面的料球，会与窑气中已经还原生成的P₂O₅发生进一步的化学反应，生成偏磷酸钙、磷酸钙及其他的偏磷酸盐或磷酸盐，进而导致已被还原到气相中的磷又重新返回料球，并在料球表面形成一层富含P₂O₅的白壳，壳层厚度一般在300μm～1000μm，壳层中P₂O₅含量可高达30%以上；这样会致使料球转移到气相中的P₂O₅不超过60%，造成磷矿中P₂O₅的收率偏低，进而造成矿产资源的浪费及磷酸生产成本的大幅度上升，使上述的KPA工艺丧失商业应用和工业推广价值。有研究人员寄望通过料层中挥发出的气体来隔离回转窑中的还原带与氧化带，但在内径2m的回转窑中进行的工业试验表明，球团表面出现富含P₂O₅的白壳现象仍是不可避免的。

鉴于上述提及的技术缺陷，按照ORC公司所提出的KPA工艺来生产磷酸，这在规模化的工业应用及实践中还存在很大困难。

JosephA.Megy对KPA工艺提出过一些改进的技术方法（参见US7910080B号美国专利文献），即在维持KPA基本工艺方法不变的前提下，通过在回转窑筒体的窑头泄料端设置挡料圈以提高回转窑的固体物料填充率，与此同时，通过增大回转窑的直径以减小回转窑内料层的表面积-体积比，降低料层物料暴露在固体料层表面的几率，以缩短料球中还原剂碳被回转窑窑气中的O₂氧化的时间，减少料球到达回转窑还原带前的还原剂碳的烧损，同时减少回转窑高温区中料球表面磷酸盐或偏磷酸盐的生成。另外，该工艺还通过在入回转窑的物料中加入部分石油焦，以希望利用石油焦中挥发分受热挥发产生的还原性气体，使其覆盖在料层与回转窑气流氧化区之间，以进一步阻止回转窑气流中O₂、P₂O₅与料球反应的几率，以保证工艺的正常进行。然而，提高回转窑的填充率将使料球在回转窑内承受更大的机械摩擦力，进而将造成料球在回转窑内更大比例的粉化，形成更多的小于磷矿碳热还原温度的低熔点物质，使回转窑高温结圈更加迅速和严重，从而更早造成工艺的失败。而添加少量的石油焦产生的挥发分不足以产生足够的气体，难以在回转窑固体料层与回转窑内气流区之间形成有效的隔离层，若加入量过大，则出回转窑物料中将夹带有大量的燃料，这会导致在后续工艺的渣球冷却机中，剩余燃料将与冷却渣球的空气相遇并迅速燃烧，燃烧放出的大量热量不仅增加了出回转窑高温渣球冷却的难度，而且又大大提高了工艺的生产成本，使工艺的商业化、规模化运用变得不可实现。

鉴于上述问题，我们经过反复研究，曾提出过一种克服上述问题的解决方案（参见CN1026403C、CN1040199C号中国专利文献），即采用一种双层复合球团直接还原磷矿石生产磷酸的工艺，具体技术解决方案是：先将磷矿石与配入物料制成球团，在回转窑内，球团中的P₂O₅被还原成磷蒸气并挥发，在料层上方，磷蒸气被引入炉内的空气氧化成P₂O₅气体，然后在水化装置中被吸收制得磷酸。该技术方案的最大特点在于：配入的物料球团采用双层复合结构，其内层是由磷矿石、硅石（或石灰、石灰石等）和碳质还原剂经磨碎、混匀后造球而成，其外层是在内层球团上再裹上一层含碳量大于20%的固体燃料，球团的内、外层配料时添加粘结剂，球团采用干燥固结。球团内层CaO/SiO₂摩尔比可以小于0.6或大于6.5，碳质还原剂为还原磷矿石理论量的1～3倍，球团外层固体燃料配量可以为内层球团质量的5%～25%；球团内、外层添加的粘结剂可以是沥青、腐植酸钠、腐植酸铵、水玻璃、亚硫酸盐纸浆废液、糖浆、木质素磺酸盐中的一种或多种的组合，其添加量为被添加物料重量的0.2%～15%（干基）。该球团可以采用干燥固结，固结温度为80℃～600℃，固结时间为3min～120min。

我们提出的上述方法采用在球团上裹一层含固体碳的耐高温包裹料，包裹时添加粘结剂，以使外层包裹料能良好地附着在内层球团上。将这种双层复合球团经干燥固结后送入回转窑中，在回转窑高温带（1300℃～1400℃左右）可以很好地实现磷矿石的碳热还原。由于在料球表面人为包覆了一层含固体还原剂（碳质物料）的包裹层，该包裹层可将其内层球团与回转窑料层上部的含O₂和P₂O₅的气流氧化区进行有效地物理隔离。当这种复合球团在回转窑固体料层中随回转窑的旋转运动上升到回转窑固体料层表面，并与回转窑固体料层上部的含O₂和P₂O₅的气流氧化区接触发生对流传质时，包裹层中的碳便可与氧化区中的O₂发生有限的氧化反应（因在工业大型回转窑中料球暴露在回转窑料层表面的时间较短，反应不完全），使O₂不能传递到内层球团，保证了内层球团中的还原剂碳不被回转窑气流中的氧所氧化，使磷矿石中P₂O₅的还原过程能进行彻底，实现了工艺过程中磷矿P₂O₅的高还原率。另一方面，回转窑料层上部气流氧化区中的P₂O₅也不可能与复合球团表层包裹层中的碳反应，因而阻止了在复合球团上形成磷酸盐或偏磷酸盐化合物，消除了原有KPA工艺料球上富含P₂O₅白壳的生成，确保了工艺可获得较高的P₂O₅收率。与此同时，该方法中以固体燃料取代或部分取代了气体或液体燃料，这可进一步降低磷酸的生产成本。

此外，我们提出的上述方法中在造球时还加入了有机粘结剂，这可使复合球团在干燥脱水后（低于球团中碳氧化温度），仍可以达到200kN/个球以上的抗压强度和10次/米以上的落下强度，因此，该复合球团可以抵抗在回转窑内受到的机械摩擦力而不被粉碎，克服了原有KPA工艺存在的球团强度差等缺陷，也克服了球团中碳在回转窑预热带过早氧化的现象，使复合球团在窑内不出现粉化，进而避免了粉料造成的回转窑高温结圈致使工艺失败，保证了工艺能在设定的条件下顺利进行。

然而，在我们后续的研究过程中，又发现了一系列新的技术问题。由于通入回转窑的助燃空气均含有一定量的水分（因空气湿度带入的水分），这些水在回转窑内会与回转窑气流中的P₂O₅发生反应，生成偏磷酸（HPO₃），生成的偏磷酸又会与窑气中的粉尘反应，在回转窑窑尾生成复杂的偏磷酸盐，并逐渐在回转窑尾部筒体内形成结窑物（即窑尾圈），然后不断长大；运转一段时间后，长大的窑尾圈将严重阻碍料球的运动，使加入回转窑内的料球从回转窑尾部返出回转窑外，这不仅破坏了工艺的正常运行，且不得不停窑清理，严重降低了回转窑的作业率，提高了磷酸的生产成本，使窑法磷酸工艺难以商业应用。

因此，为了提高现有窑法磷酸工艺的生产效率，降低生产成本，保证工艺的稳定运行，现有的窑法磷酸工艺还亟待本领域技术人员进行继续的改进和完善。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有窑法磷酸工艺不能够长周期生产的严重技术缺陷，提供一种结构简单、投入小、成本低、可以有效缓解回转窑窑尾结圈现象的用于窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑，同时相应提供一种操作简单、投入小、效果好的解决窑法磷酸工艺窑尾结圈的方法。

在我们长期以来开展的窑法磷酸工艺工业应用实践中，回转窑窑尾结圈一直是困扰本领域技术人员的重大技术难题，因回转窑窑尾结圈导致工艺原料料球不能加入回转窑内，同时还阻塞了回转窑内气流的正常运动，实践证明，窑尾结圈问题如果得不到解决，轻则缩短工艺周期，导致工艺效率下降，工艺成本显著增加，重则导致窑法磷酸工艺的失败。经过我们长年深入细致地研究，我们最终查明了窑法磷酸工艺形成窑尾结圈的主要原因，即窑法磷酸工艺中由于气流含有偏磷酸，其会在回转窑窑体尾部沉积，最终与回转窑窑内粉尘反应生成偏磷酸盐固体，进而在窑尾形成固体结圈。为解决上述技术问题，我们通过反复的实验，提出了以下技术方案：即一种所述回转窑包括窑体、窑头箱、窑尾箱和驱动窑体转动的驱动装置，在窑体的窑头处设有燃料烧嘴，在窑尾箱处设有进料管和一连接至外部水化塔的出口烟道，所述窑体的上部不设置风管，所述出口烟道设于以回转窑轴线为中心的窑体半径范围内，且出口烟道中的烟气输送方向与回转窑的轴线方向基本平行或呈小于45°的夹角。

上述回转窑中，优选的，所述窑体包括外部的筒体壳和设于筒体壳内侧的窑衬（所述窑衬主要由耐火砖或耐火浇注料构成），所述窑体沿回转窑长度方向被划分包括还原带和预热带，还原带靠近窑头箱，预热带靠近窑尾箱，还原带长度占窑体长度的1/3～3/5，预热带长度占窑体长度的2/5～2/3。

上述回转窑中，优选的，所述窑衬主要由复合耐火砖或复合耐火浇注料构成，位于还原带的窑衬包括靠近筒体壳的黏土材料层（导热系数小）和靠近回转窑内腔的高铝材料层（耐火度高，导热系数相对大）；位于预热带的窑衬则包括靠近筒体壳的黏土材料层（导热系数小）和靠近回转窑内腔的碳化硅材料层（与偏磷酸反应程度低，导热系数相对大）。

上述回转窑中，优选的，所述窑尾箱外配套设有一清窑机，清窑机中设有一可渐进式伸入回转窑窑尾箱内并可与其腔体内壁保持相对刮蹭的刮刀（耐热不锈钢制）。

上述回转窑中，优选的，所述回转窑的轴线与水平面呈1.7°～2.9°的夹角，且窑体的长径比（指回转窑长度和回转窑筒体钢壳内径的比值）为10～25∶1，回转窑的填充率为7%～25%，回转窑的转速控制为0.6r/min～3r/min。回转窑耐火材料厚度优选为200mm～280mm。

上述回转窑中，优选的，所述回转窑沿窑体长度方向上安装有多个监控窑内温度的热电偶，所述热电偶通过导电环或无线发送接收装置与回转窑外的温度控制装置及温度显示器相连；所述回转窑的窑头安装有监控回转窑内炉况的工业电视。

上述回转窑中，优选的，所述回转窑的窑尾箱内或出口烟道上安装有抽取气样的抽气泵。

作为一个总的技术构思，本发明提供一种解决窑法磷酸工艺窑尾结圈的有效方法，采用上述的回转窑进行窑法磷酸工艺，使窑法磷酸工艺的工艺原料从所述回转窑窑尾箱进料管处进入回转窑的腔体内，点燃燃料烧嘴，使回转窑内还原带温度加热到1300℃～1450℃，回转窑中的磷矿石原料在高温条件下经还原剂还原后生成出窑烟气，通过所述出口烟道的设置使回转窑窑尾的出窑烟气在进入出口烟道时不在运动方向上发生较大偏移，进而阻止出窑烟气中的偏磷酸在回转窑窑尾处产生离心物理沉降，使夹带在气流中的偏磷酸成分直接随出窑烟气进入到后续的水化塔中，遇水转变成正磷酸。

作为对上述方法的进一步改进，将所述回转窑的预热带窑衬制作成双层式的复合耐火砖或复合耐火浇注料，在靠近回转窑的筒体壳的窑衬部分采用黏土材料制作成黏土材料层，在靠近回转窑内腔的窑衬部分则采用碳化硅材料制作成碳化硅材料层，以使反应沉积在回转窑预热带窑衬上的偏磷酸盐与回转窑窑衬附着力降低，自行掉落，缓解窑尾结圈的发生。由于碳化硅与偏磷酸反应较难，显著降低了偏磷酸盐在回转窑窑尾预热带的附着力，使即使形成的固体偏磷酸盐在回转窑窑尾靠重力能自行脱落，以进一步缓解窑尾结圈。

作为对上述方法的进一步改进，在所述窑尾箱外配套设有一清窑机，清窑机中设有一可渐进式伸入回转窑窑尾箱内并可与其腔体内壁保持相对刮蹭的刮刀；当回转窑窑尾结圈造成工艺原料的料球从窑尾处往回转窑外返料时，先停止加热回转窑的燃料供给，同时停止向回转窑内送入料球，并排空回转窑内料球，然后将清窑机中的刮刀逐渐伸入至回转窑内，再利用回转窑自身的旋转，将窑尾结圈切削刮除。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明将回转窑窑尾烟气排出管的出口设置在与回转窑轴线的同方向上（为了布置至水化塔管道的方便，也可以有适当偏移），这样使得回转窑出窑烟气在进入出口烟道时不会在运动方向上作较大偏移，进而防止出窑烟气中偏磷酸在窑尾处产生离心物理沉降，使偏磷酸直接随出窑烟气进入水化塔，遇水转变成正磷酸。由于回转窑内沉降的偏磷酸减少，延长了窑尾圈的形成周期，提高回转窑的作业效率。

（2）本发明优选的方案中，回转窑窑尾预热带的窑衬采用双层式复合材料结构，在靠近回转窑筒体壳的部分采用黏土材料层，在靠近回转窑内部一侧则采用碳化硅材料层，由于偏磷酸盐与碳化硅材料反应困难，使沉积在回转窑预热带的偏磷酸盐能靠重力自行掉落。

（3）本发明优选的方案中，回转窑窑尾箱外装设一由耐热不锈钢制成的刮刀，一旦窑尾圈形成造成料球从窑尾返料，则可停止加热回转窑的燃料供给并停止向回转窑内送入料球，同时可将刮刀逐渐伸入至回转窑内，利用回转窑自身的旋转，将窑尾结圈切削刮除掉。

（4）本发明优选的方案中，通过设置热电偶，能够有效保证对内球料CaO/SiO₂摩尔比小于0.6的复合球团最高温度不超过1370℃；对内球料CaO/SiO₂摩尔比大于6.5的复合球团最高温度不超过1450℃，以便更好地控制反应条件，保证产物的质量。

（5）本发明优选的方案中，通过在回转窑窑尾箱或窑尾箱出口的烟气排出管上设置抽气泵取样，对气样水洗除去粉尘后送入CO和O₂气体分析仪监测回转窑出口烟气的CO和O₂含量，以便更好地控制出窑烟气CO和O₂的含量范围（一般为0～5%）。

综上所述，本发明的回转窑具有结构简单、投入小、成本低等优点，将该回转窑应用到本发明的方法中可以很好地解决因窑尾结圈造成的窑法磷酸工艺不能商业化的问题，使得窑法磷酸工艺能真正实现商业化，生产周期得以大大延长，在节能降耗和降低工艺生产成本等方面都具有显著的经济效果。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中回转窑的结构示意图。

图2为图1中A-A处的剖视放大图。

图3为图1中B-B处的剖面放大图。

图4为图1中C-C处的剖面放大图。

图5为本发明具体实施方式中清窑机的结构示意图。

图6为图5中D-D处的剖视放大图。

图7为本发明具体实施方式中清窑机工作时的原理图。

图8为图7中E-E处的剖视放大图。

图例说明：

1、窑头箱；2、托轮装置；3、窑体；4、传动小齿轮；5、驱动装置；6、窑尾箱；7、出口烟道；8、进料管；9、窑尾动密封；10、传动大齿轮；11、窑衬；12、筒体壳；13、热电偶；14、抽气泵；15、燃料烧嘴；16、碳化硅材料层；17、黏土材料层；18、高铝材料层；19、窑头动密封；20、刮刀；21、平台；22、车轮；23、行走减速电机；24、机架；25、旋转轴；26、支撑桁架；27、回转窑门框。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例：

一种如图1～图8所示本发明的用于窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑，该回转窑包括窑体3、窑头箱1、窑尾箱6和驱动窑体3转动的驱动装置5，驱动装置5包括电机、与电机相连的传动小齿轮4以及与传动小齿轮4咬合的传动大齿轮10，另设有支撑窑体3的托轮装置2。窑头箱1与窑体3之间采用窑头动密封19，窑尾箱6与窑体3之间采用窑尾动密封9。

在本实施例窑体3的窑头处设有燃料烧嘴15和高温渣球出口，在窑体3的窑尾箱6处设有进料管8和一连接至外部水化塔的出口烟道7，进料管8连通至回转窑的内腔。窑体3的上部不设置风管，出口烟道7设于回转窑轴线上，且出口烟道7中的烟气输送方向与回转窑的轴线方向基本平行。

本实施例的窑体3包括外部的筒体壳12和设于筒体壳12内侧的窑衬11，所述窑体3沿回转窑长度方向被划分包括还原带和预热带，还原带靠近窑头箱1，预热带靠近窑尾箱6，还原带长度可占窑体3长度的1/3～3/5（本实施例中为1/2），预热带长度可占窑体3长度的2/5～2/3（本实施例中为1/2）。窑衬11主要由复合耐火浇注料（或者复合耐火砖）构成，如图3所示，位于还原带的窑衬11包括靠近筒体壳12的黏土材料层17和靠近回转窑内腔的高铝材料层18（氧化铝≥65%）；如图4所示，位于预热带的窑衬11则包括靠近筒体壳12的黏土材料层17和靠近回转窑内腔的碳化硅材料层16。

本实施例中，窑尾箱6外配套设有一清窑机，如图5和图6所示，清窑机安放于平台21上，清窑机底部设有可在平台21上滚动的车轮22，车轮22通过行走减速电机23驱动，清窑机的主体为一机架24，机架24上方安装有一电机驱动的旋转轴25，旋转轴25沿大致水平方向延伸出机架24外，伸出部外围套设一支撑桁架26，旋转轴25伸出部分的自由端设有一可渐进式伸入回转窑窑尾箱6内（刮刀旋转可方便进刀）并可与其腔体内壁保持相对刮蹭的刮刀20（耐热不锈钢制）。一旦窑尾圈形成造成料球从窑尾返料，则可停止加热回转窑的燃料供给并停止向回转窑内送入料球，同时可将刮刀20逐渐伸入至回转窑内，利用回转窑自身的旋转，将窑尾结圈切削刮除掉。

采用本实施例的上述回转窑即可有效解决窑法磷酸工艺窑尾结圈的问题，具体操作包括：采用上述的回转窑进行窑法磷酸工艺，使窑法磷酸工艺的工艺原料从回转窑窑尾处的进料管8处进入回转窑的腔体内，点燃燃料烧嘴15，使回转窑内还原带温度加热到1300℃～1450℃，回转窑中的磷矿石原料在高温条件下经还原剂还原后生成出窑烟气，通过将回转窑窑尾出口烟道7的出口设置在与回转窑轴线的同方向上（即平行于回转窑轴线设置），使回转窑窑尾的出窑烟气在进入出口烟道7时不在运动方向上发生较大偏移，进而阻止出窑烟气中的偏磷酸在回转窑窑尾处产生离心物理沉降，使窑气中偏磷酸直接随出窑烟气进入到后续的水化塔中，遇水转变成正磷酸。更进一步的，本实施例中将回转窑位于预热带的窑衬11制作成双层式的复合耐火浇注料（或复合耐火砖），在靠近回转窑的筒体壳12的窑衬部分采用黏土材料制作成黏土材料层17，在靠近回转窑内腔的窑衬部分则采用碳化硅材料制作成碳化硅材料层16，由于偏磷酸盐与碳化硅材料反应困难，这使得反应沉积在回转窑预热带窑衬11上的偏磷酸盐与回转窑窑衬11的附着力降低，这样的窑衬结构可以进一步阻止偏磷酸盐与窑衬11的反应结圈，使其自行掉落，进一步缓解窑尾结圈的发生。再有，通过在本实施例回转窑的窑尾箱6外配套的清窑机内装设一耐热不锈钢制刮刀20，该刮刀20为一可渐进式伸入回转窑窑尾箱6内并可与腔体内壁保持相对刮蹭的刮刀；当回转窑窑尾结圈造成工艺原料的料球从窑尾处往回转窑外返料时，先停止加热回转窑的燃料供给，同时停止向回转窑内送入料球，并排空回转窑内料球，然后将清窑机中的刮刀20从回转窑门框27逐渐伸入至回转窑内，再利用回转窑自身的旋转，将窑尾结圈切削刮除（清窑机的工作原理参见图7和图8）。由上可见，本实施例的回转窑通过多重保障措施和技术手段有效缓解了窑法磷酸工艺中回转窑窑尾结圈的难题。

另外，本实施例回转窑沿窑体3的长度方向上安装有多个监控窑内温度的热电偶13，热电偶13通过导电环或无线发送接收装置与回转窑外的温度控制装置及温度显示器相连。通过设置热电偶13，能够有效保证对内球料CaO/SiO₂摩尔比小于0.6的复合球团最高温度不超过1370℃的反应设定温度要求；对内球料CaO/SiO₂摩尔比大于6.5的复合球团最高温度不超过1450℃的反应设定温度要求。在回转窑的窑头则安装有监控回转窑内炉况的工业电视。

另外，本实施例回转窑的窑尾箱6出口的出口烟道7上安装有抽取气样的抽气泵14。通过抽气泵14取样，对气样水洗除去粉尘后送入CO和O₂气体分析仪监测回转窑出口烟气的CO和O₂含量，以便更好地控制出窑烟气CO和O₂的含量范围（一般为0～5%）。

本实施例中回转窑的轴线与水平面呈1.2°～2.9°的夹角α（本实施例为2.3°），且窑体3的长径比为10～25∶1（本实施例为15∶1），回转窑的填充率为7%～25%（本实施例为13%），回转窑的转速控制为0.6r/min～3r/min（本实施例为1r/min）。回转窑耐火材料厚度优选为200mm～280mm（本实施例为220mm）。

Claims (10)

1.一种用于窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑，所述回转窑包括窑体（3）、窑头箱（1）、窑尾箱（6）和驱动窑体（3）转动的驱动装置（5），在窑体（3）的窑头处设有燃料烧嘴（15），在窑尾箱（6）处设有进料管（8）和一连接至外部水化塔的出口烟道（7），其特征在于：所述窑体（3）的上部不设置风管，所述出口烟道（7）设于以回转窑轴线为中心的窑体半径范围内，且出口烟道（7）中的烟气输送方向与回转窑的轴线方向平行或呈小于45°的夹角。

2.根据权利要求1所述的用于窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑，其特征在于：所述窑体（3）包括外部的筒体壳（12）和设于筒体壳（12）内侧的窑衬（11），所述窑体（3）沿回转窑长度方向被划分包括还原带和预热带，还原带靠近窑头箱（1），预热带靠近窑尾箱（6），还原带长度占窑体（3）长度的1/3～3/5，预热带长度占窑体（3）长度的2/5～2/3。

3.根据权利要求2所述的用于窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑，其特征在于：所述窑衬（11）主要由复合耐火砖或复合耐火浇注料构成，位于还原带的窑衬（11）包括靠近筒体壳（12）的黏土材料层（17）和靠近回转窑内腔的高铝材料层（18）；位于预热带的窑衬（11）则包括靠近筒体壳（12）的黏土材料层和靠近回转窑内腔的碳化硅材料层（16）。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑，其特征在于：所述窑尾箱（6）外配套设有一清窑机，清窑机中设有一可渐进式伸入回转窑窑尾箱（6）内并可与其腔体内壁保持相对刮蹭的刮刀（20）。

5.根据权利要求1、2或3所述的用于窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑，其特征在于：所述回转窑的轴线与水平面呈1.7°～2.9°的夹角，且窑体（3）的长径比为10～25∶1范围；回转窑的填充率为7%～25%，回转窑的转速控制为0.6r/min～3r/min。

6.根据权利要求1、2或3所述的用于窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑，其特征在于：所述回转窑沿窑体长度方向上安装有多个监控窑内温度的热电偶（13），所述热电偶（13）通过导电环或无线发送接收装置与回转窑外的温度控制装置及温度显示器相连；所述回转窑的窑头安装有监控回转窑内炉况的工业电视。

7.根据权利要求1、2或3所述的用于窑法磷酸工艺中还原磷矿石的回转窑，其特征在于：所述回转窑的窑尾箱（6）内或出口烟道（7）上安装有抽取气样的抽气泵（14）。

8.一种解决窑法磷酸工艺窑尾结圈的方法，其特征在于：采用权利要求1所述的回转窑进行窑法磷酸工艺，使窑法磷酸工艺的工艺原料从所述回转窑窑尾箱的进料管处进入回转窑的腔体内，点燃燃料烧嘴，使回转窑内还原带温度加热到1300℃～1450℃，回转窑中的磷矿石原料在高温条件下经还原剂还原后生成出窑烟气，通过所述出口烟道的设置使回转窑窑尾的出窑烟气在进入出口烟道时不在运动方向上发生较大偏移，进而阻止出窑烟气中的偏磷酸在回转窑窑尾处产生离心物理沉降，使窑气中偏磷酸直接随出窑烟气进入到后续的水化塔中，遇水转变成正磷酸。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：将所述回转窑位于预热带的窑衬制作成双层式的复合耐火砖或复合耐火浇注料，在靠近回转窑的筒体壳的窑衬部分采用黏土材料制作成黏土材料层，在靠近回转窑内腔的窑衬部分则采用碳化硅材料制作成碳化硅材料层，以使反应沉积在回转窑预热带窑衬上的偏磷酸盐与回转窑窑衬附着力降低，自行掉落，缓解窑尾结圈的发生。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：在所述窑尾箱外配套设有一清窑机，清窑机中设有一可渐进式伸入回转窑窑尾箱内并可与其腔体内壁保持相对刮蹭的刮刀；当回转窑窑尾结圈造成工艺原料的料球从窑尾处往回转窑外返料时，先停止加热回转窑的燃料供给，同时停止向回转窑内送入料球，并排空回转窑内料球，然后将清窑机中的刮刀逐渐伸入至回转窑内，再利用回转窑自身的旋转，将窑尾结圈切削刮除。