CN108408705A - 一种基于多级流化床的磷酸生产装置及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多级流化床的磷酸生产装置，磷酸生产装置包括至少一个与以特定的压力范围和温度范围输出流化气的燃烧室连接的流化床、至少一个旋风分离器和/或至少一个换热器，至少一个第一燃烧室将第一流化气输入第一流化床，第一流化床的第一气体管道的一端与第二流化床和对应的第二燃烧室之间的第二管道连接，第二流化床的排气口设置有串联连接的至少一个第一换热器、至少一个第一旋风分离器和至少一个氧化水合发生器，经由第一换热器降温至特定温度且由第一旋风分离器将第二气固混合物料气固分离的第一气体物料在氧化水合发生器内氧化水合为磷酸。本发明使气态黄磷无需经冷却提纯步骤即可进入氧化工段，缩短工艺流程。

Description

一种基于多级流化床的磷酸生产装置及生产方法

技术领域

本发明属于化工设备及制备方法技术领域，尤其涉及一种基于多级流化床的磷酸生产装置及生产方法。

背景技术

磷酸是一种常见的产品，其广泛应用于制药、食品、肥料等工业，用于生产防锈剂、食品添加剂、牙科和矫形外科、EDIC腐蚀剂、电解质、助焊剂、分散剂、工业腐蚀剂、肥料和家居清洁产品等。

磷酸的生产是以磷矿石为原料，其主要生产方法可分为热法和湿法两类。热法磷酸是将磷矿石在高温下还原为黄磷，黄磷经提纯、燃烧、水合等工艺过程，得到磷酸产品。湿法磷酸是指用硫酸、硝酸或盐酸分解磷矿石制得磷酸的传统方法。

热法磷酸工艺是以磷矿石为原料，以焦丁(主要成分为碳单质)为还原剂，硅石(主要成分为SiO₂)为助剂，在高温下将磷矿石中的P₂O₅还原得到黄磷，黄磷经提纯、燃烧、水合等工艺过程，得到磷酸产品。整个工艺可分为磷矿石还原和氧化水合两个阶段。前一阶段为高温、吸热，后一阶段为高温、放热，所以能量的回收和利用是该工艺是核心。

热法磷酸可进一步分为电炉法和窑法两种制备方法。

电炉法是现有最主要的热法磷酸生产工艺。其方法为：将磷矿石、焦丁、硅石等原料按一定比例混合后，投入到电炉中，经1400℃以上的高温还原，得到黄磷蒸气，黄磷经提纯、燃烧、水合等工艺过程后，得到磷酸产品。

该工艺技术路线成熟，但能耗巨大。典型的电炉法磷酸工艺能耗可达1789.2kg标准煤/t磷酸。其能耗的主要来源为：1)还原所用热量为电能，电能属高品味能量，用于加热过程，能耗大、成本高；2)还原温度高达1400℃以上；3)固体原料还原后温度在1400℃以上，但因熔融结块，其热量无法有效回收利用，造成极大浪费；4)制得的黄磷蒸气需冷却提纯后才可进入下一工段，既增长了工艺流程，也造成能量的损失。

窑法磷酸与电炉法磷酸生产的基本原理完全相同。即磷矿在高温下用碳将磷还原成气态元素磷逸出，然后被氧化成P₂O₅，再经水吸收成磷酸。窑法磷酸的特点就是把反应氧化和还原反应都置于同一个设备(例如回转窑、隧道窑等)内同时完成，以充分利用氧化反应产生的热量，因而降低了生产能耗。典型的窑法工艺能耗为1593.5kg标准煤/t磷酸。

该工艺虽然在一定程度上降低能耗，但也存在明显缺点：1)由于将还原工段和氧化工段耦合，导致工艺设备复杂，设备费用高；2)反应后的原料为高温残球或残砖状，不利于能量回收，能量利用率低。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种基于多级流化床的磷酸生产装置，其特征在于，所述磷酸生产装置包括至少一个与以特定的压力范围和温度范围输出流化气的燃烧室连接的流化床、至少一个旋风分离器和/或至少一个换热器，其中，至少一个第一燃烧室将第一流化气输入第一流化床，从而经过预处理至指定温度的磷矿石原料基于所述第一流化气的第一级转化处理形成输入的第一气体管道的第一气固混合物料和通过第一固体物料管道进入第二流化床的第一固体物料；第一流化床的第一气体管道的一端与所述第二流化床和对应的第二燃烧室之间的第二管道连接，从而使得所述第一气固混合物料与所述第二燃烧室燃烧气体混合后形成用于在所述第二流化床内带动所述第一固体物料升温流化并还原所述第一固体物料为第二气固混合物料的第二流化气；所述第二流化床的排气口设置有串联连接的至少一个第一换热器、至少一个第一旋风分离器和至少一个氧化水合发生器，经由所述第一换热器降温至特定温度且由所述第一旋风分离器将第二气固混合物料气固分离的第一气体物料在所述氧化水合发生器内氧化水合为磷酸。

根据一个优选实施方式，所述磷酸生产装置还包括所述第三流化床及其对应的第三燃烧室，其中，所述第一旋风分离器与所述第三流化床的进料口连接以使由所述第二流化床产生的第二气固混合物料分离出的第二固体物料在所述第三流化床进行第三级转化处理，所述第三流化床的出气口与所述氧化水合发生器之间设置有至少一个第二换热器和至少一个第二旋风分离器，以使由第二固体物料在第三流化气的流动作用下转化的第三气固混合物料经由降温和气固分离的过程后得到的第二气体物料在在所述氧化水合发生器内氧化水合为磷酸。

根据一个优选实施方式，所述第二旋风分离器与所述第三流化床的排料口分别与废渣收集器连接以将所述第三流化床内第三级转化处理得到的第三固体物料和所述第二旋风分离器产生的第四固体物料回收。

根据一个优选实施方式，所述第二旋风分离器与废渣收集器之间设置有第三换热器。

根据一个优选实施方式，所述流化床内设置有与进气口连接且气体流动方向朝向固体物料的气体分布器，其中，在气体燃烧的情况下，第一燃烧室的室内压力控制为0.15MPa～0.20MPa以促进第一流化室中的第一气体分布器以气速3m/s～6m/s将磷矿石原料流化升温至1300℃～1400℃，从而进行碳化还原反应；在气体燃烧的情况下，第二燃烧室的室内压力控制为0.11MPa～0.15MPa以使得燃烧气体在第二管道中与第一气固混合物料混合后由第二流化室中的第二气体分布器以气速5m/s～8m/s将第一固体物料流化升温至1300℃～1400℃，从而形成进一步流化的第二气固混合物料；在气体燃烧的情况下，第三燃烧室的室内压力控制为0.10MPa～0.12MPa以促进第三流化室中的第三气体分布器以气速0.15m/s～0.20m/s将第二固体物料流化升温至1300℃～1400℃，从而将第二固体物料中的P₂O₅的转化率提高至90％～93％。

根据一个优选实施方式，所述第一流化床的进料口设置有将磷矿石原料处理为2mm～8mm颗粒原料的造粒机，所述造粒机连接有将颗粒原料预热至150℃～200℃以快速提高所述颗粒原料反应温度的预热器。

根据一个优选实施方式，所述第一交换器将所述第二气固混合物料的温度降至900℃～950℃；所述第二交换器将所述第三气固混合物料的温度降至900℃～950℃，第三交换器将第三固体物料和/或第四固体物料的温度降至200℃～250℃。

根据一个优选实施方式，所述燃烧室中的助燃气体是空气、富氧空气和氧气中的至少一种，所述燃烧室中的燃料气是天然气、煤气、炼厂气和焦炉气中的至少一种。

根据一个优选实施方式，所述第一流化床中的磷矿石原料的第一级转化处理的处理时间为30min～50min，所述第二流化床中第一固体物料的第二级转化处理的处理时间为30min～50min，所述第三流化床中第二固体物料的第三级转化处理的处理时间为4min～15min。

本发明还提供一种基于多级流化床的磷酸生产方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将第一流化气输入第一流化床，从而经过预处理至指定温度的磷矿石原料基于所述第一流化气的第一级转化处理形成输入的第一气体管道的第一气固混合物料和通过第一固体物料管道进入第二流化床的第一固体物料；将所述第一气固混合物料与所述第二燃烧室燃烧气体混合后形成用于在所述第二流化床内带动所述第一固体物料升温流化并还原所述第一固体物料为第二气固混合物料的第二流化气；将经由所述第一换热器降温至特定温度且由所述第一旋风分离器将第二气固混合物料气固分离的第一气体物料在所述氧化水合发生器内氧化水合为磷酸。

本发明的有益技术效果：

本发明通过串联流化床开进行磷矿石的还原、氧化反应并进行气固分离，使气态黄磷无需经冷却提纯步骤即可进入氧化工段，缩短工艺流程。

本发明在流化床的还原过程中降低了还原反应的温度，通过多处换热设备设计，充分回收利用热量，大大降低能耗。

本发明的流化床以天然气、煤气、焦炉气、炼厂气等气体为能量来源，代替现有以电能为热量来源的工艺，降低生产成本和能耗；

本发明的生产装置能够在在1300℃以上连续稳定运行。

附图说明

图1是本发明优选的磷酸生产装置的结构示意图；

图2是本发明磷酸生产方法的流程示意图；和

图3是本发明优选的第一流化床、第二流化床或第三流化床的结构示意图。

附图标记列表

1：预热器 2：第一流化床 3：第一燃烧室

4：第一气体分布器 5：第二流化床 6：第二气体分布器

7：第二燃烧室 8：第三流化床 9：第三气体分布器

10：第三燃烧室 11：第一换热器 12：第二换热器

13：第一旋风分离器 14：第二旋风分离器 15：第三换热器

16：氧化水合发生器 17：废渣收集器 18：造粒机

201：外壳 202：进气口 203：排气口

204：排料口 205：进料口

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

图2示出了本发明的流化床法磷酸生产工艺的流程图。如图2所示，本发明的磷酸生产工艺分为四个工艺处理过程，依次为第一级转化处理、第二级转化处理、第三级转化处理和氧化水合处理，其中，第一级转化处理、第二级转化处理和第三级转化处理均是在流化床的流化气的带动下进行的热碳还原反应以得到磷单质。

优选的，在进行磷酸生产的第一级转化处理之前，磷矿石原料可以通过压制烧结的方式处理成粒径为2mm～8mm的颗粒原料。优选的，颗粒原料的粒径为3mm～5mm。颗粒原料在进行第一级转化处理之前预热至150℃和200℃以消除其中的水汽或可燃性杂质。

磷酸生产的第一级转化处理阶段，基于助燃气体和燃料气的燃烧形成第一流化气。在1300℃～1400℃的条件下，基于第一流化气3m/s～6m/s的气速带动颗粒原料进行流化以进行反应时间为35min～45min的热碳还原反应并得到第一气固混合物料和第一固体物料。优选的，第一流化气的气速为4m/s～5m/s。优选的，磷酸生产的第一级转化处理阶段使用的助燃气体是氧气、空气和富氧空气中的一种。磷酸生产的第一级转化处理阶段使用的燃料气是天然气、煤气、炼厂气和焦炉气中的一种。

优选的，磷酸生产的第二级转化处理阶段，基于助燃气体和燃料气的燃烧形成第二流化气。第二流化气与第一气固混合物料进行混合后形成第三流化气，将第二流化气和第一气固混合物料进行混合后作为新的流化气的目的在于充分利用第一气固混合物料的动量与热量，由于高温气体运输中不便于使用流量调节阀，第二流化气和第一气固混合物料须完全混合，二者的流量的大小与比例按照关联的两个流化床所需的动能与热能计算确定。在1300℃～1400℃的条件下，基于第三流化气以5m/s～8m/s的气速带动第一固体物料进行流化以进行反应时间为35min～45min的热碳还原反应并得到第二气固混合物料。优选的，磷酸生产的第二级转化处理阶段使用的助燃气体是氧气、空气和富氧空气中的一种。磷酸生产的第二级转化处理阶段使用的燃料气是天然气、煤气、炼厂气和焦炉气中的一种。

优选的，在进行磷酸生产的第三级转化处理之前，经过热交换处理将第二气固混合物料的温度降低至900℃～950℃。优选的，热交换处理按照将第二气固混合物料的部分热量传递给冷流体的方式进行。降温至900℃～950℃的第二气固混合物料经过气固分离处理得到第一气体物料和第二固体物料。优选的，气固分离可以按照沉降分离、惯性收尘、旋风收尘、带式收尘和电收尘等方式中的一种进行。

磷酸的第三级转化处理阶段，基于助燃气体和燃料气的燃烧形成第四流化气。在1300℃～1400℃的条件下，基于第四流化气0.15m/s～0.20m/s的气速带动第二固体物料进行流化以进行反应时间为4min～10min的热碳还原反应并得到第三气固混合物料和第三固体物料。优选的，磷酸生产的第一级转化处理阶段使用的助燃气体是氧气、空气和富氧空气中的一种。磷酸生产的第一级转化处理阶段使用的燃料气是天然气、煤气、炼厂气和焦炉气中的一种。

优选的，第三气固混合物料经过热交换处理降温至900℃～950℃后经气固分离处理得到第二气体物料和第四固体物料。优选的，第三固体物料和第四固体物料经热交换处理降温至200℃～250℃以得到废渣。第一气体物料和第二气体物料经氧化水合处理后得到磷酸。

优选的，氧化水合处理是第一气体物料和第二气体物料中的磷单质在充足的氧气环境条件下燃烧从而生成P₂O₅烟气后，采用水蒸气吸收P₂O₅使得两者发生化学反应生成磷酸。

实施例2

图1和图3示出了本发明的流化床法磷酸生产装置的结构示意图。

磷酸生产的第一级转化处理阶段，磷矿石原料通过例如是圆盘造球机或圆筒造球机的造粒机18进行造粒后进入预热器1中进行预热。通过预热器1将造粒后的磷矿石原料加热至指定温度后经第一流化床2的进料口205送入第一流化床2内部。其中，第一流化床2包括设置在其外壳201中的第一气体分布器4。送入第一流化床2内部的粒状磷矿石原料位于第一气体分布器4的上方。为了产生流化床所需的流化气体，第一流化床2的外壳201上设置有一个进气口202。进气口202的位置设置在第一气体分布器4的下方使得通过进气口202的气体能够通过第一气体分布器4进行整流。其中，第一流化床2通过其进气口202与第一燃烧室3连接。通过管道将燃料气体和助燃气体送入第一燃烧室3中进行燃烧。其中，燃烧的方式可以采用预混式燃烧和非预混式燃烧。燃料气体可以是天然气、煤气、炼厂气或焦炉气等气体。助燃气体可以是空气、富氧空气或氧气等气体。通过将第一燃烧室3的室内压力保持在一定的压力范围内的方式使得第一燃烧室3中的燃烧后的燃烧气体以一定速度通过进气口202进入第一气体分布器4的下方。燃烧气体经第一气体分布器4的处理后形成第一流化床2所需的流化气体。流化气体的温度将第一流化床2的内部温度升高至反应温度，进而在流化气体的带动下，位于第一气体分布器4上方的粒状磷矿石原料开始流化并产生反应。第一流化床2中的粒状磷矿石原料反应后生成第一固体物料和第一气固混合物料。优选的，第一流化床2的外壳201上还设置有排气口203和排料口204。其中，第一固体物料和第一气固混合物料分别经排料口204和排气口送入下级设备进行下级处理。

再次参见图1和图3，磷酸生产的第二级转化阶段，经第一级转化处理阶段处理后生成的第一固体物料经第二流化床5的进料口205送入第二流化床5内部。其中，第二流化床5包括设置在其外壳201中的第二气体分布器6。送入第二流化床5内部的第一固体物料位于第二气体分布器6的上方。为了产生流化床所需的流化气体，第二流化床5的外壳201上设置有一个进气口202。进气口202的位置设置在第二气体分布器6的下方使得通过进气口202的气体能够通过第二气体分布器6进行整流。其中，第二流化床5通过连接在其进气口202的第一管道与第二燃烧室7连接。通过管道可以将燃料气体和助燃气体送入第二燃烧室7中进行燃烧。其中，燃烧的方式可以采用预混式燃烧和非预混式燃烧。燃料气体可以是天然气、煤气、炼厂气或焦炉气等气体。助燃气体可以是空气、富氧空气或氧气等气体。优选的，通过将第二燃烧室7的室内压力保持在一定的压力范围内的方式使得第二燃烧室7中的燃烧后的燃烧气体以一定速度通过第一管道进入第二气体分布器6的下方。优选的，经第一级转化处理阶段处理后生成的第一气固混合物料通过管道送入第一管道中与第二燃烧室7送入的燃烧气体进行混合形成混合气体后以一定速度通过进气口202进入第二流化床5。混合气体经第二气体分布器6的处理后形成第二流化床5所需的流化气体。流化气体的温度将第二流化床5的内部温度升高至反应温度，进而在流化气体的带动下，位于第二气体分布器6上方的第一固体物料开始流化并产生反应。第二流化床5中的第一固体物料经第二级转化阶段的处理后生成第二气固混合物料。第二气固混合物料是由粉末化的第一固体物料、P₂O₅的还原产品气体以及流化气体组成的气固混合产物。优选的，第二流化床5的外壳201上还设置有排气口203。其中，第二气固混合物料经排气口203送入下级设备进行下级处理。

再次参见图1和图3，在进行磷酸生产的第三级转化阶段之前，经第二流化床5处理后生成的第二气固混合物料还需依次经过第一换热器11和第一旋风分离器13。具体的，第二气固混合物料经过第一换热器11进行降温，降温后的第二气固混合物料通过第一旋风分离器13的入口进入其中进行固体分离。通过第一旋风分离器13的分离后从其出口输出第一气体物料进入下级设备进行下级处理，从其灰斗输出第二固体物料进入下级设备进行下级处理。

磷酸生产的第三级转化阶段，经第一旋风分离器13分离处理后生成的第二固体物料经第三流化床8的进料口205送入第三流化床8内部。其中，第三流化床8包括设置在其外壳201中的第三气体分布器9。送入第三流化床8内部的第二固体物料位于第三气体分布器9的上方。为了产生流化床所需的流化气体，第三流化床8的外壳201上设置有一个进气口202。进气口202的位置设置在第三气体分布器9的下方使得通过进气口202的气体能够通过第三气体分布器9进行整流。其中，第三流化床8通过其进气口202的与第三燃烧室10连接。通过管道可以将燃料气体和助燃气体送入第三燃烧室10中进行燃烧。其中，燃烧的方式可以采用预混式燃烧和非预混式燃烧。燃料气体可以是天然气、煤气、炼厂气或焦炉气等气体。助燃气体可以是空气、富氧空气或氧气等气体。燃烧气体进入第三流化床8后经第三气体分布器9的处理后形成第三流化床8所需的流化气体。流化气体的温度将第三流化床8的内部温度升高至反应温度，进而在流化气体的带动下，位于第三气体分布器9上方的第二固体物料开始流化并产生反应。第三流化床8中的第二固体物料经第三级转化阶段的处理后生成第三气固混合物料和第三固体物料。优选的，第二流化床5的外壳201上还设置有排气口203和排料口204。其中，第三气固混合物料和第三固体物料分别经排气口203和排料口204送入下级设备进行下级处理。

第三气固混合物料经第二热交换器12降温至900℃～950℃后通过管道输送进入第二旋风分离器14进行气固分离后得到第二气体物料和第四固体物料。

再次参见图1和图3，磷酸生产的氧化水合阶段，经第一旋风分离器13处理后得到的第一气体物料通过管道直接送入氧化水合发生器16中进行氧化水合处理得到所需的磷酸。氧化水合发生器16可以是燃烧水合塔。优选的，经第三流化床8的第三级转化阶段处理后得到的第三气固混合物料经排气口首先送入第二换热器12进行降温。降至指定温度后的第三气固混合物料送入第二旋风分离器14中处理分别得到第四固体物料和第二气体物料。其中，第二气体物料经管道直接送入氧化水合发生器16中进行氧化水合处理得到所需的磷酸。

优选的，第三流化床8产生的第三固体物料和第二旋风分离器14处理得到第四固体物料混合后经第三换热器15降温后送入废渣收集器17中。

优选的，第二流化床5和第三流化床8同时采用流化气体和供热气体以独立调节其内部的反应条件。优选的，第一流化床2、第二流化床5和第三流化床8均可设置独立的辅助流化气体供应单元，其中，辅助流化气体可以是氮气。当生产条件发生变化，例如原料组成、颗粒大小等发生变化时，原本的供热所需的气体量和流化所需的气体量可能出现不统一，通过加入辅助流化气体，可以解决这一问题。

实施例3

本实施例基于实施例2结合具体的工艺参数对磷酸生产的三级转化处理阶段进行详细论述。

在进行磷酸的第一级转化处理阶段前，通过造粒机18将磷矿石原料制成粒径为2mm～8mm的颗粒原料后送入预热器1中进行加热至150℃～200℃。优选的，造粒的过程中便加入例如是碳粉的碳质还原剂。预热完成后进入第一流化床2中进行还原反应。还原反应按照如下的化学反应方程式进行。

Ca₃(PO4)₂+5C+SiO₂＝(CaO)₃(SiO₂)₂+5CO+P₂

第一流化床2中的还原反应在1300℃～1400℃的范围内进行。第一流化床2内部的1300℃～1400℃反应温度通过第一燃烧室3中产生的高温燃烧气体实现。第一燃烧室3的室内压力设置为0.15MPa～0.20MPa。第一燃烧室3燃烧后的高温燃烧气体通过第一气体分布器4后的气速为3m/s～6m/s。优选的，第一燃烧室3燃烧后的高温燃烧气体通过第一气体分布器4后的气速为4m/s～5m/s。具体的，压力由鼓风机、空气压缩机等气体输送设备提供，例如3m/s～6m/s的气速的得到是在冷态条件下，通过流量阀调节燃料和助燃气体流量，二者经燃烧室燃烧后受热膨胀，得到相应流速的气体。第一燃烧室3的室内压力设置为0.15MPa～0.20MPa可以实现流化床内更好的流化效果，此外，正压使得整个工艺流程的气体输送变得简单，避免在高温气体环境下使用气体输送设备。

优选的，粒径为2mm～8mm的颗粒原料在第一流化床2中发生还原反应后粒径减小至1mm～3mm。颗粒原料粒径的减小控制是通过流化气体的气速进行控制的。即，一个粒径对应于一个特定的流化气体气速范围。

优选的，颗粒原料在第一流化床2中发生还原反应后得到第一固体物料和第一气体物料。其中，第一固体物料是反应产生的(CaO)₃(SiO₂)₂等固体物质和未反应的颗粒原料组成的直径为1mm～3mm的颗粒混合物。第一气体物料为燃烧气、CO和P₂的混合气体。

优选的，颗粒原料在第一流化床2中的平均停留时间为35min～45min。停留时间在一定程度上可以作为还原反应的反应时间。在一定的范围内，反应时间越长，反应进行得越充分，P₂O₅的转化率越高。基于反应进行得越充分，由于反应物消耗量越大，颗粒原料的粒径会减小得越大，粒径的变化可以通过原料的特性决定。通过控制适当的反应时间，可以实现第一流化床中的颗粒原料粒径减小至1mm～3mm。优选的，在第一流化床2中反应后的颗粒原料中P₂O₅的转化率能够达到60％-70％。原料中磷元素的化合形式是复杂的，为了表示方便，原料中的单质磷统一都表示为P₂O₅的形式，即此处的P₂O₅是指原料中以各种形态出现的磷元素的统一表达式。P₂O₅的转化率是指颗粒原料中的磷元素被还原成磷单质的比例。优选的，P₂O₅的转化率是通过前期管式炉实验得到该反应的动力学模型，再考虑流化床的反应器模型、停留时间等因素综合计算得到的。

磷酸生产的第二级转化阶段中，第一流化床2的反应产物第一气固混合物料和第一固体物料分别按照不同的方式进入第二流化床5，其中，第一固体物料通过连接第一流化床2和第二流化床5的第一连接管进入第二流化床5。连接管中的物料为满管状态。在第一连接管中设置气动阀以增强固体物料的流动性。

优选的，第二燃烧室7通过第二管道与第二流化床5连接，其中，第二燃烧室7的室内压力设置为0.11MPa～0.15MPa。第二流化床5中的还原反应的反应温度为1300℃～1400℃。第二燃烧室7产生的燃烧气体在第二管道中与第一气固混合物料混合后进入第二流化床。混合气体通过第二气体分布器6后形成气速为5m/s～8m/s的流化气体。此时，位于第二气体分布器6上方的第一固体物料在流化气体的带动下进行流化并在第二流化床5的室内温度达到1300℃以上时发生还原反应。还原反应按照如下的化学方程式进行。

Ca₃(PO4)₂+5C+SiO₂＝(CaO)₃(SiO₂)₂+5CO+P₂

优选的，第一固体物料在第二流化床5中的平均停留时间为35min～45min。从而使得进入第三流化床8中的固体物料中P₂O₅的转化率为85％～90％。优选的，进入第三流化床8中的固体物料中P₂O₅的转化率为87％～89％。在此转化率条件下，第一固体物料完全粉化，进而被流化气体夹带形成第二气固混合物料。第二气固混合物料的组成成分为单质磷、Co和流化气体组成的气固两相流体。优选的，经第二流化床5处理得到的第二气固混合物料中固体颗粒的粒径为100-300微米。

在进行磷酸生产的第三级转化阶段之前，基于第一换热器11和第一旋风分离器13分别对第二气固混合物料进行降温和气固分离。其中，基于第一换热器11的热交换作用将第二气固混合物料的温度降至900℃～950℃。降温后的第二气固混合物料通过管道传输进入第一旋风分离器13中进行气固分离。通过第一旋风分离器13处理得到第一气体物料和第二固体物料，其中，第一气体物料的组成成分为燃烧气体、CO、P₂，第二固体物料的组成成分为反应产生的(CaO)₃(SiO₂)₂等固体物质和未反应的颗粒原料组成的直径为100-300微米的颗粒混合物。

磷酸生产的第三级转化阶段中，第二固体物料通过管道传输至第三流化床8中进行还原反应。还原反应的反应温度为1300℃～1400℃。优选的，第三燃烧室10的室内压力设置为0.10MPa～0.12MPa。燃烧后的高温燃烧气体经管道传输进入第三流化床8中并经过第三气体分布器9形成气速为0.15m/s～0.20m/s的流化气体。第三流化床8中的第二固体物料基于流化气体的带动进行流化并在温度达到1300℃以上后进行还原反应。优选的，还原反应按照如下化学反应方程式进行。

Ca₃(PO4)₂+5C+SiO₂＝(CaO)₃(SiO₂)₂+5CO+P₂

优选的，第二固体物料在第三流化床8中的平均停留时间为4min～10min。第三流化床8中的P₂O₅的转化率为90％～93％。

优选的，经过第三级流化床8的第三级转化阶段的处理后生成第三气固混合物料和第三固体物料。基于第二换热器12和第二旋风分离器14分别对第三气固混合物料进行降温和气固分离。其中，基于第二换热器12的热交换作用将第三气固混合物料的温度降至900℃～950℃。降温后的第三气固混合物料通过管道传输进入第二旋风分离器14中进行气固分离。通过第二旋风分离器14处理得到第二气体物料和第四固体物料，其中，第四固体物料是组成成分为(CaO)₃(SiO₂)₂的废渣。优选的，第二气体物料中固体颗粒的粒径为30～100微米。

优选的，通过多处换热设备设计，充分回收利用热量，大大降低能耗，单位产量能耗达931.1kg标准煤/kg磷酸，为电炉法单产能耗的59％。换热后的能量可以用于本发明的磷酸生产系统之外，按照多处换热设备采集的热量联产中压蒸汽副产物的方式进行利用。中压蒸汽可以用于其他化工设备也可以通过直接售卖的方式售卖给化工园区内的其他厂家使用。

实施例4

本实施例基于前述实施例，结合具体的工艺参数对磷酸生产的氧化水合阶段进行详细论述。

磷酸的氧化水合阶段为制备磷酸的过程，按照如下的化学反应方程式在例如是燃烧水合塔的氧化水合发生器16中进行反应制备以获得磷酸。

2P₂+5O₂＝2P₂O₅；

P₂O₅+3H₂O＝2H₃PO₄

优选的，第一气体物料直接通过管道输送进入氧化水合发生器16中进行反应生成磷酸。

优选的，第三气固混合物料首先经过第二换热器12将温度降至900℃～950℃后通过管道输送进入第二旋风分离器14中进行气固分离以获得第二气体物料和第四固体物料。第二气体物料通过管道输送进入氧化水合发生器16中进行反应生成磷酸。

优选的，第四固体物料和第三固体物料首先传输至第三换热器15中降温至200℃～250℃后经管道输送至废渣收集器17中进行统一收集处理。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于多级流化床的磷酸生产装置，其特征在于，所述磷酸生产装置包括至少一个与以特定的压力范围和温度范围输出流化气的燃烧室连接的流化床、至少一个旋风分离器和/或至少一个换热器，其中，

至少一个第一燃烧室(3)将第一流化气输入第一流化床(2)，从而经过预处理至指定温度的磷矿石原料基于所述第一流化气的第一级转化处理形成输入的第一气体管道的第一气固混合物料和通过第一固体物料管道进入第二流化床(5)的第一固体物料；

第一流化床(2)的第一气体管道的一端与所述第二流化床(5)和对应的第二燃烧室(7)之间的第二管道连接，从而使得所述第一气固混合物料与所述第二燃烧室(7)燃烧气体混合后形成用于在所述第二流化床(5)内带动所述第一固体物料升温流化并还原所述第一固体物料为第二气固混合物料的第二流化气；

所述第二流化床(5)的排气口设置有串联连接的至少一个第一换热器(11)、至少一个第一旋风分离器(13)和至少一个氧化水合发生器(16)，经由所述第一换热器(11)降温至特定温度且由所述第一旋风分离器(13)将第二气固混合物料气固分离的第一气体物料在所述氧化水合发生器(16)内氧化水合为磷酸。

2.如权利要求1所述的磷酸生产装置，其特征在于，所述磷酸生产装置还包括所述第三流化床(8)及其对应的第三燃烧室(10)，其中，

所述第一旋风分离器(13)与所述第三流化床(8)的进料口连接以使由所述第二流化床(5)产生的第二气固混合物料分离出的第二固体物料在所述第三流化床(8)进行第三级转化处理，

所述第三流化床(8)的出气口与所述氧化水合发生器(16)之间设置有至少一个第二换热器(12)和至少一个第二旋风分离器(14)，以使由第二固体物料在第三流化气的流动作用下转化的第三气固混合物料经由降温和气固分离的过程后得到的第二气体物料在在所述氧化水合发生器(16)内氧化水合为磷酸。

3.如权利要求2所述的磷酸生产装置，其特征在于，所述第二旋风分离器(14)与所述第三流化床(8)的排料口分别与废渣收集器(17)连接以将所述第三流化床(8)内第三级转化处理得到的第三固体物料和所述第二旋风分离器(14)产生的第四固体物料回收。

4.如权利要求3所述的磷酸生产装置，其特征在于，所述第二旋风分离器(14)与废渣收集器(17)之间设置有第三换热器(15)。

5.如前述权利要求之一所述的磷酸生产装置，其特征在于，所述流化床内设置有与进气口连接且气体流动方向朝向固体物料的气体分布器，其中，

在气体燃烧的情况下，第一燃烧室(3)的室内压力控制为0.15MPa～0.20MPa以促进第一流化室(2)中的第一气体分布器(4)以气速3m/s～6m/s将磷矿石原料流化升温至1300℃～1400℃，从而进行碳化还原反应；

在气体燃烧的情况下，第二燃烧室(7)的室内压力控制为0.11MPa～0.15MPa以使得燃烧气体在第二管道中与第一气固混合物料混合后由第二流化室(5)中的第二气体分布器(6)以气速5m/s～8m/s将第一固体物料流化升温至1300℃～1400℃，从而形成进一步流化的第二气固混合物料；

在气体燃烧的情况下，第三燃烧室(10)的室内压力控制为0.10MPa～0.12MPa以促进第三流化室(8)中的第三气体分布器(9)以气速0.15m/s～0.20m/s将第二固体物料流化升温至1300℃～1400℃，从而将第二固体物料中的P₂O₅的转化率提高至90％～93％。

6.如前述权利要求之一所述的磷酸生产装置，其特征在于，所述第一流化床(2)的进料口设置有将磷矿石原料处理为2mm～8mm颗粒原料的造粒机(18)，

所述造粒机(18)连接有将颗粒原料预热至150℃～200℃以快速提高所述颗粒原料反应温度的预热器(1)。

7.如前述权利要求之一所述的磷酸生产装置，其特征在于，所述第一交换器(11)将所述第二气固混合物料的温度降至900℃～950℃；

所述第二交换器(12)将所述第三气固混合物料的温度降至900℃～950℃，

第三交换器(15)将第三固体物料和或第四固体物料的温度降至200℃～250℃。

8.如前述权利要求之一所述的磷酸生产装置，其特征在于，所述燃烧室中的助燃气体是空气、富氧空气和氧气中的至少一种，

所述燃烧室中的燃料气是天然气、煤气、炼厂气和焦炉气中的至少一种。

9.如前述权利要求之一所述的磷酸生产装置，其特征在于，所述第一流化床(2)中的磷矿石原料的第一级转化处理的处理时间为30min～50min，

所述第二流化床(5)中第一固体物料的第二级转化处理的处理时间为30min～50min，

所述第三流化床(8)中第二固体物料的第三级转化处理的处理时间为4min～15min。

10.一种基于多级流化床的磷酸生产方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将第一流化气输入第一流化床(2)，从而经过预处理至指定温度的磷矿石原料基于所述第一流化气的第一级转化处理形成输入的第一气体管道的第一气固混合物料和通过第一固体物料管道进入第二流化床(5)的第一固体物料；

将所述第一气固混合物料与所述第二燃烧室(7)燃烧气体混合后形成用于在所述第二流化床(5)内带动所述第一固体物料升温流化并还原所述第一固体物料为第二气固混合物料的第二流化气；

将经由所述第一换热器(11)降温至特定温度且由所述第一旋风分离器(13)将第二气固混合物料气固分离的第一气体物料在所述氧化水合发生器(16)内氧化水合为磷酸。