CN111994886B - 高纯磷酸的生产系统以及生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高纯磷酸的生产系统以及生产方法。高纯磷酸的生产系统包括：还原氧化炉，包含磷矿的原料在所述还原氧化炉中发生还原氧化反应生成含有五氧化二磷蒸气及粉尘的第一气体；换热单元，处理所述第一气体后输出温度为365～500℃的第二气体；高温过滤单元，对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤10mg/Nm3的五氧化二磷蒸气；冷凝单元，使所述五氧化二磷蒸气冷凝为含有五氧化二磷固体的第三气体；低温过滤单元，对所述第三气体中的颗粒物进行拦截后得到五氧化二磷固体；固体吸收单元，利用吸收剂吸收所述五氧化二磷固体得到高纯磷酸。本发明工艺简单易控制，可获得高纯、高浓度的磷酸。

Description

高纯磷酸的生产系统以及生产方法
技术领域
本发明涉及五氧化二磷的技术领域，具体而言，涉及高纯磷酸的生产系统以及生产方法。
背景技术
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)。该方法是将磷矿石、硅石和碳质还原剂(焦粉或煤粉)送入回转窑中，在一定温度下使磷矿中的磷首先以单质磷蒸气的形式还原挥发出来，然后单质磷蒸气再在窑的中部空间被通入的空气氧化成五氧化二磷，最后得到含有五氧化二磷的窑气。
目前，通常采用水作为吸收剂直接吸收窑气中五氧化二磷的方式制备磷酸，但是由于炉气中含有大量的粉尘，直接水化吸收得到的磷酸纯度低。
中国发明专利CN101382395B公开了一种高温窑气的热能回收和净化方法，该方法采用洗涤除尘器对窑气进行洗涤从而去除窑气中的粉尘，得到较高纯度的五氧化二磷蒸气，然后再水化吸收得到较高纯度的磷酸。但是该方法存在以下缺点：
(1)洗涤除尘的方式可能会导致部分五氧化二磷蒸气冷凝后与粉尘一同被洗涤除尘器收集，这不仅降低了窑气中五氧化二磷蒸气的浓度，而且对洗涤除尘器收集的固体中的五氧化二磷进行回收的工艺复杂；
(2)洗涤除尘的除尘效率差，水化吸收得到的磷酸中仍具有较多的杂质。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供可获得高纯五氧化磷蒸气的生产设备及应用，以解决现有技术中难以获得高纯五氧化二磷蒸气的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了五氧化二磷蒸气的生产设备及其应用。技术方案如下：
五氧化二磷蒸气的生产设备包括：
还原氧化炉，包含磷矿的原料在所述还原氧化炉中发生还原氧化反应生成温度为700～900℃、含有五氧化二磷蒸气及粉尘的第一气体；
换热单元，所述换热单元处理所述第一气体后输出温度为365～500℃的第二气体；
高温过滤单元，所述高温过滤单元对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤10mg/Nm3的五氧化二磷蒸气。
在该技术方案中，首先通过换热单元对第一气体进行换热，一方面获得满足高温过滤单元承受条件的第二气体，另一方面回收的热量可以用于还原氧化炉中原料的预热；其次通过高温过滤单元对第二气体中的粉尘进行物理拦截，使第二气体中的五氧化二磷蒸气全部通过，从而可以获得高浓度和高纯度的五氧化二磷蒸气。制备得到的五氧化二磷蒸气既可以冷凝为高纯的五氧化二磷固体产品，也可以水化吸收为高纯的磷酸产品，应用更加广泛。可见，本发明的五氧化二磷蒸气的生产设备的结构简单，实用性强。
进一步地是，所述换热单元处理所述第一气体后输出温度为380～450℃的第二气体。
进一步地是，所述高温过滤单元对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤5mg/Nm3的五氧化二磷蒸气。
进一步地是，所述高温过滤单元的过滤介质为金属陶瓷、金属网、金属多孔膜或金属纤维毡。
进一步地是，还包括使气体逐级流动的气体牵引单元。
五氧化二磷固体的生产系统包括：
五氧化二磷蒸气的生产单元，采用上述的五氧化二磷蒸气的生产设备；
冷凝单元，所述冷凝单元使所述五氧化二磷蒸气冷凝为含有五氧化二磷固体的第三气体；
低温过滤单元，所述低温过滤单元对所述第三气体中的颗粒物进行拦截后得到五氧化二磷固体。
相较于转化为磷酸产品的去向，该技术方案中冷凝为高纯的五氧化二磷固体产品更易运输和保存，可以提升磷矿的综合利用。并且，通过冷凝单元可以使五氧化二磷蒸气以冷凝的方式与其它不凝性气体(如氟化氢)物相分离，进一步通过低温过滤单元的物理拦截方式即可得到产品纯度进一步提升的五氧化二磷固体，显然，由高纯的五氧化二磷固体再制备得到的磷酸具有明显高于直接水化吸收五氧化二磷蒸气制备得到的磷酸的纯度。
进一步地是，所述冷凝单元输出温度为100～140℃的第三气体。
进一步地是，还包括对所述低温过滤单元输出的气体进行处理的尾气处理单元。
磷酸的生产系统包括：
五氧化二磷蒸气的生产单元，采用上述的五氧化二磷蒸气的生产设备；
蒸气吸收单元，所述蒸气吸收单元利用吸收剂吸收所述五氧化二磷蒸气得到磷酸。
进一步地是，还包括对所述蒸气吸收单元输出的气体进行处理的尾气处理单元。
本发明的第二个目的在于提供可获得高纯磷酸的生产系统以及生产方法，以解决现有技术中难以获得高纯磷酸的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了高纯磷酸的生产系统以及生产方法。技术方案如下：
高纯磷酸的生产系统，包括：
还原氧化炉，包含磷矿的原料在所述还原氧化炉中发生还原氧化反应生成温度为700～900℃、含有五氧化二磷蒸气及粉尘的第一气体；
换热单元，所述换热单元处理所述第一气体后输出温度为365～500℃的第二气体；
高温过滤单元，所述高温过滤单元对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤10mg/Nm3的五氧化二磷蒸气；
冷凝单元，所述冷凝单元使所述五氧化二磷蒸气冷凝为含有五氧化二磷固体的第三气体；
低温过滤单元，所述低温过滤单元对所述第三气体中的颗粒物进行拦截后得到五氧化二磷固体；
固体吸收单元，所述固体吸收单元利用吸收剂吸收所述五氧化二磷固体得到高纯磷酸。
在该技术方案中，首先，通过高温过滤单元有效地对粉尘进行拦截得到纯度较高的五氧化二磷蒸气，然后通过冷凝单元可以使五氧化二磷蒸气以冷凝的方式与其它不凝性气体(如氟化氢)物相分离并过滤得到高纯的五氧化二磷固体，水化吸收该五氧化二磷固体可获得高纯、高浓度的磷酸。
进一步地是，所述换热单元处理所述第一气体后输出温度为380～450℃的第二气体。
进一步地是，所述高温过滤单元对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤5mg/Nm3的五氧化二磷蒸气。
进一步地是，所述高温过滤单元的过滤介质为金属陶瓷、金属网、金属多孔膜或金属纤维毡。
进一步地是，所述冷凝单元输出温度为100～140℃的第三气体。
进一步地是，还包括对所述低温过滤单元输出的气体进行处理的尾气处理单元。
进一步地是，所述尾气处理单元包括碱洗塔。
进一步地是，还包括使气体逐级流动的气体牵引单元。
进一步地是，所述原料还包括硅石和碳。
高纯磷酸的生产方法，采用上述的高纯磷酸的生产系统。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例1的五氧化二磷蒸气的生产设备的结构示意图。
图2为实施例2的五氧化二磷固体的生产系统的结构示意图。
图3为实施例3的磷酸的生产系统的结构示意图。
图4为实施例4的高纯磷酸的生产系统的结构示意图。
上述附图中的有关标记为：
100-还原氧化炉，200-换热单元，310-高温过滤单元，320-低温过滤单元，400-气体牵引单元，500-冷凝单元，610-蒸气吸收单元，620-固体吸收单元，700-尾气处理单元，800-烟囱；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
实施例1
图1为本实施例的五氧化二磷蒸气的生产设备的结构示意图。
如图1所示，五氧化二磷蒸气的生产设备包括：
还原氧化炉100，包含磷矿的原料在所述还原氧化炉100中发生还原氧化反应生成温度为700～900℃、含有五氧化二磷蒸气及粉尘的第一气体；
换热单元200，所述换热单元200处理所述第一气体后输出温度为365～500℃的第二气体，具体可以输出温度为365℃、380℃、450℃或500℃的第二气体；
高温过滤单元310，所述高温过滤单元310对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤10mg/Nm3的五氧化二磷蒸气，具体可以输出含尘量≤10mg/Nm3、≤8mg/Nm3、≤6mg/Nm3、≤5mg/Nm3、≤4mg/Nm3或≤2mg/Nm3的五氧化二磷蒸气；所述高温过滤单元310的过滤介质为能承受高温且耐腐蚀的金属多孔膜；
气体牵引单元400，采用使气体逐级流动的风机。
实施例2
图2为本实施例的五氧化二磷固体的生产系统的结构示意图。
如图2所示，五氧化二磷固体的生产系统包括：
还原氧化炉100，包含磷矿的原料在所述还原氧化炉100中发生还原氧化反应生成温度为700～900℃、含有五氧化二磷蒸气及粉尘的第一气体；
换热单元200，所述换热单元200处理所述第一气体后输出温度为365～500℃的第二气体，具体可以输出温度为365℃、380℃、450℃或500℃的第二气体；
高温过滤单元310，所述高温过滤单元310对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤10mg/Nm3的五氧化二磷蒸气，具体可以输出含尘量≤10mg/Nm3、≤8mg/Nm3、≤6mg/Nm3、≤5mg/Nm3、≤4mg/Nm3或≤2mg/Nm3的五氧化二磷蒸气；所述高温过滤单元310的过滤介质为能承受高温且耐腐蚀的金属陶瓷；
气体牵引单元400，采用使气体逐级流动的风机；
冷凝单元500，所述冷凝单元500使所述五氧化二磷蒸气冷凝为含有五氧化二磷固体的第三气体；所述冷凝单元500输出温度为100℃、110℃、120℃、130℃或140℃的第三气体；
低温过滤单元320，所述低温过滤单元320对所述第三气体中的颗粒物进行拦截后得到五氧化二磷固体；所述低温过滤单元320的过滤介质为耐腐蚀的金属多孔膜；
尾气处理单元700，所述尾气处理单元700采用碱洗塔对所述低温过滤单元320输出的气体进行洗涤以去除酸性气体，碱洗后的气体通过烟囱800排放。
实施例3
图3为本实施例的磷酸的生产系统的结构示意图。
如图3所示，磷酸的生产系统包括：
还原氧化炉100，包含磷矿的原料在所述还原氧化炉100中发生还原氧化反应生成温度为700～900℃、含有五氧化二磷蒸气及粉尘的第一气体；
换热单元200，所述换热单元200处理所述第一气体后输出温度为365～500℃的第二气体，具体可以输出温度为365℃、380℃、450℃或500℃的第二气体；
高温过滤单元310，所述高温过滤单元310对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤10mg/Nm3的五氧化二磷蒸气，具体可以输出含尘量≤10mg/Nm3、≤8mg/Nm3、≤6mg/Nm3、≤5mg/Nm3、≤4mg/Nm3或≤2mg/Nm3的五氧化二磷蒸气；所述高温过滤单元310的过滤介质为能承受高温且耐腐蚀的金属纤维毡；
气体牵引单元400，采用使气体逐级流动的风机；
蒸气吸收单元610，所述蒸气吸收单元610利用吸收剂吸收所述五氧化二磷蒸气得到磷酸；
尾气处理单元700，所述尾气处理单元700采用碱洗塔对对所述蒸气吸收单元610输出的气体进行洗涤以去除酸性气体，碱洗后的气体通过烟囱800排放。
实施例4
图4为本实施例的高纯磷酸的生产系统的结构示意图。
如图4所示，高纯磷酸的生产系统包括：
还原氧化炉100，包含磷矿的原料在所述还原氧化炉100中发生还原氧化反应生成温度为700～900℃、含有五氧化二磷蒸气及粉尘的第一气体；
换热单元200，所述换热单元200处理所述第一气体后输出温度为365～500℃的第二气体，具体可以输出温度为365℃、380℃、450℃或500℃的第二气体；
高温过滤单元310，所述高温过滤单元310对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤10mg/Nm3的五氧化二磷蒸气，具体可以输出含尘量≤10mg/Nm3、≤8mg/Nm3、≤6mg/Nm3、≤5mg/Nm3、≤4mg/Nm3或≤2mg/Nm3的五氧化二磷蒸气。所述高温过滤单元310的过滤介质为能承受高温且耐腐蚀的金属多孔膜。
冷凝单元500，所述冷凝单元500使所述五氧化二磷蒸气冷凝为含有五氧化二磷固体的第三气体；所述冷凝单元500输出温度为100℃、110℃、120℃、130℃或140℃的第三气体；
低温过滤单元320，所述低温过滤单元320对所述第三气体中的颗粒物进行拦截后得到五氧化二磷固体；所述低温过滤单元320的过滤介质为耐腐蚀的聚丙烯滤袋；
尾气处理单元700，所述尾气处理单元700采用碱洗塔对所述低温过滤单元320输出的气体进行洗涤以去除酸性气体，碱洗后的气体通过烟囱800排放；
固体吸收单元620，所述固体吸收单元620利用吸收剂吸收所述五氧化二磷固体得到高纯磷酸；
气体牵引单元400，采用使气体逐级流动的风机。
采用上述高纯磷酸的生产系统的高纯磷酸的生产方法中，还原氧化炉100内反应分为还原段与氧化段，首先，磷矿石、硅石和碳质还原剂(焦粉或煤粉)于1400～1600℃下在还原段发生还原反应，使磷矿中的磷元素被还原为磷单质蒸汽、硅酸钙和一氧化碳，然后，磷单质蒸汽进入氧化段与补充的氧气(或空气)进行氧化反应，进一步使磷单质蒸气氧化生成五氧化二磷蒸气，最终输出约700～900℃高温、含有五氧化二磷蒸汽及粉尘的第一气体。所述的还原氧化炉100可以理解为背景技术中的回转窑。
由该方法制备得到的磷酸兼具高浓度和高纯度，且工艺简单易控制，能耗低，无泥磷、磷石膏等危废产生，易实现清洁生产，磷矿资源的利用率提高。
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.高纯磷酸的生产系统，其特征在于包括：
还原氧化炉(100)，包含磷矿的原料在所述还原氧化炉(100)中发生还原氧化反应生成温度为700～900℃、含有五氧化二磷蒸气及粉尘的第一气体；
换热单元(200)，所述换热单元(200)处理所述第一气体后输出温度为365～500℃的第二气体；
高温过滤单元(310)，所述高温过滤单元(310)对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤10mg/Nm3的五氧化二磷蒸气；
冷凝单元(500)，所述冷凝单元(500)使所述五氧化二磷蒸气冷凝为含有五氧化二磷固体的第三气体；
低温过滤单元(320)，所述低温过滤单元(320)对所述第三气体中的颗粒物进行拦截后得到五氧化二磷固体；
固体吸收单元(620)，所述固体吸收单元(620)利用吸收剂吸收所述五氧化二磷固体得到高纯磷酸。
2.如权利要求1所述的高纯磷酸的生产系统，其特征在于：所述换热单元(200)处理所述第一气体后输出温度为380～450℃的第二气体。
3.如权利要求1所述的高纯磷酸的生产系统，其特征在于：所述高温过滤单元(310)对所述第二气体中的粉尘进行拦截后输出含尘量≤5mg/Nm3的五氧化二磷蒸气。
4.如权利要求1所述的高纯磷酸的生产系统，其特征在于：所述高温过滤单元(310)的过滤介质为金属陶瓷、金属网、金属多孔膜或金属纤维毡。
5.如权利要求1所述的高纯磷酸的生产系统，其特征在于：所述冷凝单元(500)输出温度为100～140℃的第三气体。
6.如权利要求1所述的高纯磷酸的生产系统，其特征在于：还包括对所述低温过滤单元(320)输出的气体进行处理的尾气处理单元(700)。
7.如权利要求6所述的高纯磷酸的生产系统，其特征在于：所述尾气处理单元(700)包括碱洗塔。
8.如权利要求1所述的高纯磷酸的生产系统，其特征在于：还包括使气体逐级流动的气体牵引单元(400)。
9.如权利要求1所述的高纯磷酸的生产系统，其特征在于：所述原料还包括硅石和碳。
10.高纯磷酸的生产方法，其特征在于：采用权利要求1-9之一所述的高纯磷酸的生产系统。
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