CN116573622A - 液磷生产系统、黄磷炉气处理系统以及磷酸生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了液磷生产系统、黄磷炉气处理系统以及磷酸生产方法。液磷生产系统，用于对黄磷电炉炉气进行处理并输出液磷，包括：加热装置，用于对炉气进行加热处理，输出加热气；加料装置，用于向加热气中输入调质粉末，输出混合气；所述调质粉末包括用于吸收加热气中的水分、酸性成分的无机氧化物粉末；过滤装置，用于对混合气进行气固分离处理，输出洁净气；冷凝装置，用于使洁净气中的磷蒸汽冷凝为液磷。本发明的液磷生产系统通过向炉气中加入调质粉末对炉气中的水分、酸性成分进行吸收，同时抑制副反应的发生，有效防止过滤介质发生糊膜、吸附或相变，从而延缓过滤介质堵塞，显著降低运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及黄磷和磷酸的技术领域，具体而言，涉及液磷生产系统、黄磷炉气处理系统以及磷酸生产方法。
背景技术
湿法制磷酸工艺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)，产品磷酸中P2O5浓度一般为25～35％。这种工艺的主要缺点：一是需要耗用大量的硫酸；二是产生大量有害废渣磷石膏(每生产一吨磷酸一般产生4～5吨磷石膏)，磷石膏中夹带的硫酸、磷酸和可溶性氟化物均溶于水，自然堆放后被雨水冲刷，对环境(土壤和水源)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；四是因产品浓度低导致磷酸运输成本高。
由于湿法制磷酸工艺存在的上述问题，目前主要使用的磷酸制法为热法制磷酸工艺和窑法磷酸工艺，这两种工艺均以磷矿、硅石和碳质还原剂为原料。
热法制磷酸工艺首先在电炉中将磷矿石中的磷以单质磷蒸气的形式还原出来和将碳质还原剂转化为CO，然后将排出电炉的以单质磷蒸气和CO为主的气体洗涤降温，使单质磷蒸气被冷却成固体与气相分离，得到产品黄磷，产品黄磷加热为液相后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。
窑法磷酸又称为KPA法，该方法在回转窑中进行，首先将磷矿石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，窑气再经洗涤除尘后被吸收为磷酸。
热法制磷酸工艺虽然不会产生大量的废渣，但是电炉排出的气体中含有大量的粉尘，磷蒸气的冷凝温度低，洗涤降温会导致单质磷蒸气冷凝后与粉尘融为一体，严重影响黄磷品质。而窑法磷酸工艺虽然节约了大量的电能，但是回转窑中存在大量的粉尘，这些粉尘严重影响磷蒸气的氧化反应，并且，虽然五氧化二磷蒸气的冷凝温度较高，但是对窑气进行洗涤降温除尘不仅同样会导致部分五氧化二磷蒸气冷凝，而且洗涤除尘效果差，洗涤后的气体中仍然具有较多的粉尘，也不能得到高纯度的磷酸。
为此，本申请的申请人提出了申请号为2020106145565、名称为高纯磷酸的生产系统以及生产方法的专利申请，通过第一过滤单元对第二气体中的粉尘进行物理拦截，获得高浓度和高纯度的磷蒸气，再对该磷蒸汽进行氧化和吸收，即可获得高纯磷酸。但是，实践中发现，炉气中存在的水分、酸性成分在通过第一过滤单元时易发生结露、吸附或相变，从而造成过滤困难。当采用热法制磷酸工艺处理磷蒸汽时，水化吸收后的尾气通常采用碱洗塔进行处理，碱液投入量大，尾气处理成本高。
发明内容
本发明的主要目的在于提供液磷生产系统、液磷处理系统、黄磷炉气处理系统和磷酸生产方法，以解决现有技术中炉气处理困难及尾气处理成本高的技术问题。
为了实现上述目的，本发明首先提供了液磷生产系统，技术方案如下：
液磷生产系统，用于对黄磷电炉炉气进行处理并输出液磷，包括：加热装置，用于对炉气进行加热处理，输出加热气；加料装置，用于向加热气中输入调质粉末，输出混合气；所述调质粉末包括用于吸收加热气中的水分、酸性成分的无机氧化物粉末；过滤装置，用于对混合气进行气固分离处理，输出洁净气；冷凝装置，用于使洁净气中的磷蒸汽冷凝为液磷。
作为上述液磷生产系统的进一步改进：所述加热装置包括一级加热器和二级加热器，所述炉气中的部分颗粒物在一级加热器中自然沉降至灰罐中。
作为上述液磷生产系统的进一步改进：炉气的温度为130～170℃；所述一级加热器将炉气加热至170～210℃；所述二级加热器将炉气加热至200～240℃。
作为上述液磷生产系统的进一步改进：所述调质粉末包括CaO粉末和SiO2粉末。
作为上述液磷生产系统的进一步改进：所述CaO粉末和SiO2粉末的质量比为(2～4)：1。
为了实现上述目的，本发明其次了液磷处理系统，技术方案如下：
液磷处理系统，包括：燃烧塔，用于使液磷氧化燃烧生成P2O5，输出第一气体；水化塔，用于使第一气体中的P2O5水化反应生成H3PO4，输出第二气体和第一酸液；吸收塔，用于吸收第二气体中的P2O5，输出第三气体和第二酸液；尾气处理组件，用于对第三气体进行处理并排放尾气；过滤组件，用于对部分第一酸液进行过滤并输出成品磷酸；回流机构，所述回流机构用于使部分第二酸液流入水化塔中作为吸收剂使用。
作为上述液磷处理系统的进一步改进：还包括压缩空气泵，所述压缩空气泵用于将液磷雾化并将雾化的液磷输入到燃烧塔中。
作为上述液磷处理系统的进一步改进：还包括二次空气泵，所述二次空气泵用于向燃烧塔内输入二次空气。
作为上述液磷处理系统的进一步改进：还包括第一换热器，所述第一换热器用于对第一酸液进行降温处理。
作为上述液磷处理系统的进一步改进：还包括第一喷淋机构，所述第一喷淋机构用于使部分第一酸液喷淋进入水化塔中作为吸收剂使用。
作为上述液磷处理系统的进一步改进：还包括第二喷淋机构，所述第二喷淋机构用于使部分第二酸液喷淋进入吸收塔中作为吸收剂使用。
作为上述液磷处理系统的进一步改进：第一气体从水化塔的上方进入，第二气体从水化塔的下方排出后再经上升管道流入吸收塔；还包括设于上升管道和吸收塔之间的文丘里管。
作为上述液磷处理系统的进一步改进：还包括第三喷淋机构，所述第三喷淋机构用于使部分第一酸液喷淋进入上升管道中作为吸收剂使用；还包括冷却水循环机构，用于使冷却水在燃烧塔和文丘里管之间的夹套内流动；上升管道管径大于吸收塔的进气管管径。
作为上述液磷处理系统的进一步改进：所述尾气处理组件包括依次对第三气体进行处理的除雾器和分离器；所述过滤组件包括板框过滤器、金属滤芯过滤器、陶瓷滤芯过滤器中的任意一种。
为了实现上述目的，本发明进一步提供了黄磷炉气处理系统，技术方案如下：
黄磷炉气处理系统，包括上述的液磷生产系统和/或液磷处理系统。
为了实现上述目的，本发明还提供了磷酸生产方法，技术方案如下：
磷酸生产方法，采用上述的黄磷炉气处理系统。
首先，本发明的液磷生产系统通过向炉气中加入调质粉末对炉气中的水分、酸性成分进行吸收，同时抑制副反应的发生，有效防止过滤介质发生糊膜、吸附或相变，从而延缓过滤介质堵塞，显著降低运行成本。其次，本发明的液磷处理系统采用吸收塔对水化吸收后的尾气进行处理并将吸收后的第二酸液作为水化塔吸收剂使用，既回收了酸资源，又减少了碱液使用，显著降低了尾气处理成本。上述的液磷生产系统和液磷处理系统具有非常简单的构造，所组成的黄磷炉气处理系统能够直接将黄磷电炉炉气转化为高纯磷酸，且能耗低，绿色环保，经济效益高，因此本发明的液磷生产系统、液磷处理系统、黄磷炉气处理系统和磷酸生产方法具备极强的实用性。
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为本发明的液磷生产系统的实施例的结构示意图。
图2为本发明的液磷处理系统的实施例的结构示意图。
上述附图中的有关标记为：
100-电炉，111-一级加热器，112-二级加热器，113-灰罐，120-加料装置，130-过滤装置，140-冷凝装置，141-受磷槽，150-引风机，210-燃烧塔，211-压缩空气泵，212-二次空气泵，213-压磷槽，220-水化塔，221-上升管道，222-文丘里管，223-第一换热器，230-吸收塔，241-除雾器，242-分离器，251-过滤组件，252-成品酸槽，260-回流机构，271-软水槽，270-第二换热器，281-第一喷淋机构，282-第二喷淋机构，283-第三喷淋机构。
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。
图1为本发明的液磷生产系统的实施例的结构示意图。
如图1所示，液磷生产系统用于对黄磷电炉100炉气进行处理并输出液磷，包括加热装置、加料装置120、过滤装置130和冷凝装置140。所述加热装置用于对炉气进行加热处理，输出加热气；所述加料装置120用于向加热气中输入调质粉末，输出混合气；所述调质粉末包括用于吸收加热气中的水分、酸性成分的无机氧化物粉末；所述过滤装置130用于对混合气进行气固分离处理，输出洁净气；所述冷凝装置140用于使洁净气中的磷蒸汽冷凝为液磷。
所述加热装置包括一级加热器111和二级加热器112，所述炉气中的部分颗粒物在一级加热器111中自然沉降至灰罐113中，这样可以减少粉尘含量，使调质粉末与炉气的反应更加充分。炉气的温度为130～170℃；所述一级加热器111将炉气加热至170～210℃；所述二级加热器112将炉气加热至200～240℃，这样可以使调质粉末与炉气的反应彻底，同时减少相变。
所述一级加热器111和二级加热器112采用电加热器或夹套式热气体加热器，所述热气体为惰性气体。所述加料装置120采用螺旋给料器或惰性气体给料装置。
所述加料装置120的加料口设于二级加热器112的气体进口附近，这样可以在气体湍流作用下使调质粉末分散得更加均匀。
黄磷电炉100溢出的炉气主要成分为CO、CO2、O2、N2、HF、P4、H2、H2S、PH3等气体及P2O5、SiO2、CaO等粉尘固体；因磷矿、硅石、还原剂等原料中带来2～5％的物料表水，炉气中会含有水蒸气H2O(g)及液态水H2O(i)，致使炉气温降中黄磷直接转化H3PO4：
2P4+H20(g)→3H3PO4+5PH3↑
逃逸的P2O5水解转化H3PO4：
P2O5+6H2O(g)→4H3PO4
电炉100实际操作中偶尔会形成负压状态，使得空气中的O2的混入，致使P2O5逃逸增加，塌料初期更会显著增加：
P4+O2→P2O5
进一步加剧了H3PO4形成，同时电炉100生产中存在H3PO4的聚合反应：
2H3PO4→H4P2O7+H2O
3H3PO4→H5P3O10+2H2O
4H3PO4→(HPO3)4+4H2O
因此，为避免炉气通过过滤装置130的过滤介质时出现糊膜及相变发生，在炉气进入过滤装置130前加注调质粉末对炉气做调质处理。
本实施例所采用的调质粉末包括CaO粉末和SiO2粉末；其中：
CaO粉末可以吸收炉气中的水分、酸性成分，包括如下反应：
CaO+2H2O→Ca(OH)2
CaO+2H3PO4→Ca(H2PO4)2+H2O
CaO+H3PO4→CaHPO4+H2O
3CaO+2H3PO4→Ca3(PO4)2+3H2O
CaO+2HF→CaF2+H2O
Ca(OH)2+H2S→CaS+2H2O
Ca(OH)2+2HF→CaF2+H2O
SiO2粉末可以与CaF2反应并促使SiF4以气体形式通过，从而不在过滤介质表面发生相变，包括如下反应：
2CaF2+3SiO2→2CaSiO3+SiF4↑
当所述CaO粉末和SiO2粉末的质量比为(2～4)：1时，能够取得最佳的调质效果。
所述过滤装置130优选采用多孔金属膜，这样可以承受较高的过滤温度。需采用循环风机对过滤装置130进行保温，这样可以进一步防止相变。
所述冷凝装置140优选为洗涤塔，通过喷淋的冷却水将洁净气中的磷蒸汽冷凝为液磷，液磷沉降下落到洗涤塔中的受磷槽141中。
图2为本发明的液磷处理系统的实施例的结构示意图。
如图2所示，液磷处理系统包括燃烧塔210、水化塔220、吸收塔230、尾气处理组件、过滤组件251、回流机构260、压缩空气泵211、二次空气泵212、第一换热器223、第一喷淋机构281、第二喷淋机构282、第三喷淋机构283、文丘里管222和冷却水循环机构。
所述燃烧塔210用于使液磷氧化燃烧生成P2O5，输出第一气体；所述压缩空气泵211用于将液磷雾化并将雾化的液磷输入到燃烧塔210中，所述压缩空气泵211利用压缩空气将液磷雾化；所述二次空气泵212用于向燃烧塔210内输入二次空气；由此，使液磷雾化后再与空气氧化燃烧生成P2O5，可以显著提升转化率。所述燃烧塔210的进料管呈Y形，具有主管和两个支管，其中一个支管作为压缩空气和液磷的入口，另一个支管作为二次空气的入口，然后再主管中混合后进入燃烧塔210中。液磷优选采用加压的方式生成压磷水，然后再送入进料管。所述的液磷优选但是不限于由上述液磷生产系统生产得到。
所述水化塔220用于使第一气体中的P2O5水化反应生成H3PO4，输出第二气体和第一酸液；所述第一喷淋机构281用于使部分第一酸液喷淋进入水化塔220中作为吸收剂使用，所述第一喷淋机构281的喷头设于水化塔220的中部和顶部；第一气体从水化塔220的上方进入，第二气体从水化塔220的下方排出后再经上升管道221流入吸收塔230，上升管道221管径大于吸收塔230的进气管径，目的是降低上升管道221内的气体流速，并使其内吸收的液磷回流至水化塔220内；所述第三喷淋机构283用于使部分第一酸液喷淋进入上升管道221中作为吸收剂使用；由此，能够显著提升水化反应程度。所述第一换热器223用于对第一酸液进行降温处理，由此，使降温后的第一酸液对水化塔220和上升管道221进行喷淋，既可以回收热量，又可以进一步提升水化反应程度。
所述文丘里管222设于上升管道221和吸收塔230之间，用于使管内气体流速加速并使气体携带的液相凝聚。
所述冷却水循环机构用于使冷却水在燃烧塔210和文丘里管222之间的夹套内流动(燃烧塔210、第一气体流动管道、水化塔220、上升管和文丘里管222均具有夹套)，由此，带走反应热，有助于提升转化率。所述冷却水循环机构包括软水槽271和第二换热器270，软水槽271中的热软水首先经第二换热器270处理得到冷却水，然后流入夹套带走反应热，最后再流回软水槽271中进行循环。
所述吸收塔230用于吸收第二气体中的P2O5，输出第三气体和第二酸液；所述第二喷淋机构282用于使部分第二酸液喷淋进入吸收塔230中作为吸收剂使用；所述回流机构260用于使部分第二酸液流入水化塔220中作为吸收剂使用；由此，将浓度较低的第二酸液重复利用，可以获得较高浓度的磷酸，并确保较高的生产效率。随着第二酸液的回流，按照一定速率向吸收塔230中输入软水作为吸收剂使用。所述吸收塔230内设有两个均布器231，第二喷淋机构282设于两个均布器231之间，由此，使进出吸收塔230的气体分布均匀，吸收更充分。
所述尾气处理组件用于对第三气体进行处理并排放尾气；优选地，所述尾气处理组件包括依次对第三气体进行处理的除雾器241和分离器242，由此，实现两级气液分离，以彻底去除第三气体带出的酸雾。
所述过滤组件251用于对部分第一酸液进行过滤，以去除系统运行中的各种固体杂质，输出高质量成品磷酸，所述过滤组件251包括板框过滤器、金属滤芯过滤器、陶瓷滤芯过滤器中的任意一种，产品磷酸储存于成品酸槽252中。
本发明的黄磷炉气处理系统的实施例为包括上述的液磷生产系统和液磷处理系统，所述一级加热器111与黄磷电炉100的出气管道连接，炉气在引风机150的作用下进入一级加热器111，受磷槽141中的液磷以加压的方式(即压磷水)送入压磷槽213中临时储存，然后再压入燃烧塔210中。
本发明的磷酸生产方法的实施例为采用上述的黄磷炉气处理系统。
采用本发明的黄磷炉气处理系统和磷酸生产方法制备得到的磷酸浓度≥85％，并且具有较高的纯度，无危废泥磷和磷石膏产生，不产生有害化学废液，尾气达标排放，运行成本低且经济效益好，能够显著提升磷矿石的经济价值，同时环保价值显著。
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.液磷生产系统，用于对黄磷电炉(100)炉气进行处理并输出液磷，其特征在于：包括：
加热装置，用于对炉气进行加热处理，输出加热气；
加料装置(120)，用于向加热气中输入调质粉末，输出混合气；所述调质粉末包括用于吸收加热气中的水分、酸性成分的无机氧化物粉末；
过滤装置(130)，用于对混合气进行气固分离处理，输出洁净气；
冷凝装置(140)，用于使洁净气中的磷蒸汽冷凝为液磷。
2.如权利要求1所述的液磷生产系统，其特征在于：所述加热装置包括一级加热器(111)和二级加热器(112)，所述炉气中的部分颗粒物在一级加热器(111)中自然沉降至灰罐(113)中。
3.如权利要求3所述的液磷生产系统，其特征在于：炉气的温度为130～170℃；所述一级加热器(111)将炉气加热至170～210℃；所述二级加热器(112)将炉气加热至200～240℃。
4.如权利要求1所述的液磷生产系统，其特征在于：所述调质粉末包括CaO粉末和SiO2粉末。
5.如权利要求4所述的液磷生产系统，其特征在于：所述CaO粉末和SiO2粉末的质量比为(2～4)：1。
6.黄磷炉气处理系统，其特征在于：包括：
权利要求1-5之一所述的液磷生产系统；
液磷处理系统，用于使液磷反应生成成品磷酸。
7.如权利要求6所述的黄磷炉气处理系统，其特征在于：所述液磷处理系统包括：
燃烧塔(210)，用于使液磷氧化燃烧生成P2O5，输出第一气体；
水化塔(220)，用于使P2O5水化反应生成H3PO4，输出第二气体和第一酸液；
吸收塔(230)，用于吸收第二气体中的P2O5，输出第三气体和第二酸液；
尾气处理组件，用于对第三气体进行处理并排放尾气；
过滤组件(251)，用于对部分第一酸液进行过滤并输出成品磷酸；
回流机构(260)，所述回流机构(260)用于使部分第二酸液流入水化塔(220)中作为吸收剂使用。
8.如权利要求7所述的黄磷炉气处理系统，其特征在于：还包括第一喷淋机构(281)，所述第一喷淋机构(281)用于使部分第一酸液喷淋进入水化塔(220)中作为吸收剂使用。
9.如权利要求7所述的黄磷炉气处理系统，其特征在于：还包括第二喷淋机构(282)，所述第二喷淋机构(282)用于使部分第二酸液喷淋进入吸收塔(230)中作为吸收剂使用。
10.磷酸生产方法，其特征在于：采用权利要求6-9之一所述的黄磷炉气处理系统。
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