黃磷生產中的能耗和節能措施

肖茜

摘要：黃磷是工業生產中的重要原料，其在電子工業、農藥、醫藥、食品和肥料等多個領域有較為廣泛的應用。但是在生產黃磷的過程中，會因為各種原因而消耗大量的能量。文章對黃磷生產中的能耗進行了分析，并探討了節能措施。

關鍵詞：黃磷生產；能耗；節能措施；工業原料；工業生產 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ126 文章編號：1009-2374（2016）25-0095-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.046

隨著我國可持續發展觀的不斷深入，國家對工業生產的能耗要求變得越來越嚴格。而黃磷的生產不僅會消耗大量的能源，生產中排出的廢物還會對環境造成嚴重的破壞，從而影響人們的正常生活。根據黃磷生產的實際情況來看，其生產過程中主要是以煤作為主要的燃料，并且在我國的工業生產中，黃磷的生產能耗是所有工業生產中最高的。由于煤在燃燒過程中還會產生大量的污染物，從而污染空氣。目前，一些黃磷生產廠家已經注意到生產過程中的能耗問題，所以逐漸開始對黃磷生產的能耗進行控制。根據黃磷生產的現狀來看，企業只有對生產能耗進行有效控制，才能取得更好的經濟效益，幫助企業在市場競爭中取得較大的優勢。

1 黃磷及其生產

黃磷為白色或淡黃色半透明固體，柔軟、冷、脆，顏色較深。暴露在空氣中，在黑暗中生產綠色磷光的白煙。在潮濕的空氣中約40℃的火，在干燥的空氣略高。白磷可直接與鹵素、硫、金屬加工、硝酸生產磷酸和氫氧化鈉或氫氧化鉀生成磷化氫和次亞磷酸鈉。應避免接觸高氯酸鉀、高錳酸鉀、過氧化氫和其他氧化物。

黃磷的生產工藝較為簡單，將磷礦石、硅石和焦炭按一定比例和粒度放入電爐里，在1000多℃的高溫下發生分解、還原反應，磷蒸汽與爐塵一起被冷卻、漂洗后得到產品，高溫爐渣則直接從電爐中排出。

黃磷是一種極重要的基礎工業原料，主要用于化工、農藥等多個領域。目前我國的總產量居世界首位，共有黃磷生產廠上百家，生產裝置主要分布在云南、貴州、四川、湖南四省，云、貴、川三省黃磷生產能力超過全國80%。由于黃磷的生產會消耗大量的能源，并對周圍環境造成極大影響，屬于高能耗、高污染的產業，所以發達國家將黃磷生產轉移到發展中國家。

2 磷礦對綜合能耗的影響

在黃磷的生產中，在生產一噸黃磷的情況下，將會用到8.5～9.5噸磷礦，而生產中用到的所有原料重量為12～14噸。對于黃磷的生產而言，其中磷礦對綜合能耗的影響主要有三個方面的內容，首先是磷礦的運輸、其次是磷礦的品位、最后是爐料的質量。

2.1 磷礦的運輸

在我國黃磷工業的起步階段，我國的東南沿海地區是黃磷的主要消費地區，這也就決定我國的黃磷生產企業集中在這些地區。而我國的磷礦主要產自于湘、鄂、云、貴、川五個省份，這樣就導致磷礦的產地與黃磷生產企業之間的距離很遠，以南京一家黃磷生產企業為例，要將磷礦從礦區運送至企業所在地，需要經過3600km的鐵路運輸，其中將1噸磷礦運送至1km的距離需要消耗0.013kg的煤，按每8.7噸磷礦生產出1噸黃磷來計算，則生產1噸黃磷需要消耗0.407噸煤。

由于黃磷的燃點極低，所以保存的時候需要將其浸沒在水中，并且用包裝桶對其進行密封處理，所以要運輸1噸磷礦實際需要運輸1.2噸的重量。如果磷礦生產企業建在磷礦所在地，則將運送至南京時每噸黃磷消耗的煤將為0.056噸，比將黃磷生產企業建在南京要少消耗0.351噸。所以將黃磷生產企業建在礦區時，能夠顯著提升企業的經濟效益，并且能讓鐵路運輸的壓力得到緩解，還能減少對環境的污染。

2.2 磷礦的品位問題

對于磷礦的生產而言，在磷礦中五氧化二磷的含量不斷升高的情況下，制磷電爐消耗的電能將會不斷降低，這樣就導致磷礦生產企業一般是使用品位較高的磷礦進行黃磷生產。這樣的生產方式下會將大量的低品位磷礦丟棄，不能讓磷礦資源得到全面利用，還會將磷礦開采過程中的能耗分攤到高品位磷礦上，從而導致磷礦的開采能耗大幅度上升。這就意味中每增加0.05噸標準煤的磷礦開采能耗，就將會讓黃磷的綜合能耗增加0.43～0.48噸標準煤。

2.3 爐料的質量

在生產黃磷的過程中，如果磷礦的化學組成經常出現較大的變化，則會導致黃磷生產的過程中不能對電爐工藝進行較好的主動控制，這樣不但會讓黃磷的質量和產量下降，還會導致生產過程中的電耗增加。根據黃磷的實際生產能耗來看，穩定性較高的磷礦比品位較高的磷礦更有利于減少能耗。在上述黃磷生產企業中，其曾經使用五氧化二磷含量波動范圍為16%的磷礦進行黃磷的生產，實際生產中很難掌握爐料的配比，從而導致爐渣中五氧化二磷的質量分數達到7%～8%，每噸黃磷的生產將會導致電爐多消耗19000kWh的電能。所以磷礦生產的過程中可以將磷礦配置為二氧化硫質量分數與氧化鈣質量分數比值為0.8，并且五氧化二磷質量分數在25%左右的原料礦或使用品質相當的磷礦代替。這樣既能讓熱法加工路線的優勢得到較好發揮，對低品位磷礦進行較好的利用，從而讓磷礦能耗和黃磷綜合能耗降低，又能讓磷礦的質量和品位得到保障，減少生產中對電能的消耗。

3 磷企業的應對措施

3.1 對新設計裝置

在設計黃磷裝置的過程中，必須要對原料預處理設計、電爐設計、短網設計、變壓器選型和廠址選擇等問題進行綜合考慮。首先，要將大型的制磷企業建立在礦區，然后再將黃磷運送至加工企業；其次，要對變壓器進行嚴格的選型，讓變壓器能夠節省更多的電能，并且要讓變壓器符合短網的使用要求；最后，要從制磷裝置綜合能耗、變壓器功率利用系數、電爐運行周期、磷礦化學組分以及磷礦物理特性等方面對綜合能耗進行考慮，從而選擇原料預處理的技術路線。

在計算制磷電爐設計的時候有很多公式可以使用，對電爐的電氣參數和幾何尺寸進行計算的時候主要有五種方法，分別是將安德烈常數作為原始計算值；以爐底功率強度作為常數；將電機電流密度和電位梯度作為常數、將熔池電阻率作為常數；將電流和電壓的比值作為常數；將電爐電壓和電流單位體積功率強度設定為

常數。

在使用以上的計算方法時，有兩個方面需要注意：首先，常數的值并不是保持不變的，如小型制磷電爐和大型的計算常數就會存在很大的區別，同時計算中的常數會隨著爐料焦比的變化而不斷變化；其次，爐料焦比會隨著焦炭和磷礦化學組分的變化而變化，從而導致爐料的理化性質會出現較大的變化，對電爐參數的選擇造成一定的影響，同時這樣還會對爐內電阻的變化造成一定影響，從而對爐內電流和熱量分配的合理性造成影響，所以很難找到能夠滿足各種條件的計算公式。

而要讓計算方法滿足要求，就需要對磷礦的物性和化學組分進行檢測，然后在生產實踐和數理統計的基礎上設計電爐本體，從而得到較好的效果。這也說明了對于制磷電爐的設計而言，焦炭和磷礦的物性數據和化學組分將是其基礎。另外，還要根據變壓器的容量，對爐蓋結構和材質、電極密封形式、外殼冷卻方式、電爐結構、電氣參數和電爐的幾何尺寸進行合理的選擇，因為這些都會對電爐電耗造成一定的影響。

3.2 已投產裝置

對于已經建成并投入實際使用的電爐而言，二次電壓和二次電流調節范圍以及電極密封形式、爐蓋結構和材質、爐殼冷卻方式和電爐的幾何尺寸和結構等都已經被確定，所以只能以此為基礎對電爐進行調節，從而讓其處于最佳的生產狀態。對于電爐內熱量分配而言電極熔池配置極為重要，只有當三根電極熔池的外圓在電極布置圓中心軸線上相交的時候，才能讓三根電極的熔池相聯并且重疊部分最小。這樣可以讓電爐熔池內熔融爐料溫度在副反應溫度之下，并且能達到磷酸鹽還原溫度以上，從而讓爐內副反應對電能消耗的影響變為最小，爐內各區域的熱量分配比例處于最佳狀態、電流流向合理并且爐內熔池電阻處于合適的范圍內。在這樣的情況下，爐內的爐渣和爐氣溫度合適，既能讓爐渣的流動性得到保障，又能讓爐渣和爐氣帶走的熱量降到最低。另外，通過這樣的方法還能將爐殼熱損失降到最低，而要使電極熔池的外圓相交于電極布置圓的中心軸線上，必須使每根電極的熔池直徑適中。

3.3 平衡測試

為了讓綜合能耗降低，制磷企業還需要進行平衡測試和能源普查，加強對計量工作的管理，對蒸汽進行合理的使用，對管線和設備進行較好的保溫處理，從而使蒸汽的利用率得到提升，同時還要盡量采用節能技術，對生產中的水進行循環利用。而要使焦炭的利用率得到提升，還需要盡量使用冶金工業篩選分下來的小顆粒

焦炭。

3.4 確保爐料焦比

對于黃磷的生產而言，單純地追求高品位的磷礦會比磷礦的質量和品位穩定耗能更多。所以在生產黃磷的過程中，需要對磷礦的品種進行嚴格的挑選，要將不同的磷礦分開放置，對其進行分析后才能開展生產活動，并且要使爐料焦比處于合理的狀態。

4 討論與建議

由于黃磷的生產涉及到很多能耗環節，所以其實際生產過程中很容易出現能耗過高的現象。隨著人們對環境保護的重視程度越來越深，減少黃磷生產過程中的能耗不僅對黃磷生產企業很重要，還對社會的環境有很大影響，所以黃磷生產企業在生產過程中要通過各種有效方式對能耗進行控制，從而不斷提升黃磷生產的經濟

效益。

參考文獻

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（責任編輯：王 波）