磷酸生產技術優化改造項目的設計探討

鄒文敏，楊培發，趙 軍，李志剛

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

技 改 節 能

磷酸生產技術優化改造項目的設計探討

鄒文敏，楊培發，趙 軍，李志剛

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

介紹了云天化國際化工股份有限公司三環分公司磷酸生產技術優化改造項目的背景，闡述了半水-二水法磷酸的具體改造流程、關鍵設備選型、成品酸指標、主要裝置性能考核、運行中關鍵問題等情況，改造后裝置投入運行，各項指標均達到預期設計目的，P2O5產能達到232t/d。

二水法；半水-二水法；磷酸；改造

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.012

云南云天化國際化工股份有限公司三環分公司磷酸生產技術優化改造項目是利用三環分公司現有萃取Ⅰ系列和萃取Ⅱ系列二水法磷酸裝置，改為半水-二水法磷酸裝置，采用的是中國五環工程有限公司新型半水-二水法磷酸設計專有技術。這是國內首套由二水法濕法磷酸技術改為半水-二水法濕法磷酸技術的裝置，也是國內第二套半水-二水濕法磷酸裝置。本文回顧了項目設計過程，并結合實際運行情況進行總結，供二水法改半水-二水法裝置類似項目和業內人士參考。

1 項目背景

云天化國際三環分公司在發展區內利用四川大學與中化重慶涪陵化工有限公司合作開發的“溶劑萃取法濕法磷酸精制技術”，建設了一套100kt/a(ω(H3PO4)=85%)濕法磷酸精制裝置。據該裝置的工藝要求，原料酸預處理是一個關鍵環節，裝置需要以低硫酸根、低含固量的濃磷酸為原料。而隨著原料礦質量的下降，現有二水法工藝制得的磷酸硫酸根含量高，含固量高。原料磷酸的質量已經嚴重影響到了工業級凈化磷酸的正常運行。

另外，三環分公司于2013年3月建成投產了30萬t/a磷酸挖潛項目，即萃取Ⅳ系列。萃取Ⅱ系列除過濾系統用來過濾萃取Ⅳ系列料漿外，其他如萃取反應系統、閃冷系統、氟吸收系統等均已停用。基于此，提出以萃取Ⅰ、Ⅱ系列裝置為依托，走半水-二水法工藝路線，優化當前精制磷酸裝置原料酸預處理工序，為精制磷酸提供優質原料磷酸。

2 設計回顧

2.1 裝置概況

三環分公司目前有4套濕法磷酸裝置，分別為萃取Ⅰ系列、Ⅱ系列、Ⅲ系列、Ⅳ系列，均為二水法工藝流程，目前總設計能力為77萬t/a，ω(P2O5)=100%。現將萃取Ⅰ、Ⅱ系列裝置情況介紹如下。

萃取I系列于1964年籌建，1973年5月開工，1982年7月建成化工投料試車，是我國第一套濕法磷酸生產裝置，采用道爾奧利弗的同心圓單槽多槳鼓風冷卻二水法工藝流程，使用翻盤式過濾機進行生產，裝置設計能力為3.5萬t/a，ω(P2O5)=100%。2005年1月，萃取I系列將礦粉生產流程改為礦漿生產流程；2005年3月，將鼓風冷卻改為強制循環低位真空冷卻；2006年4月，將翻盤式過濾機技改為轉臺式過濾機。經過多次挖潛改造，裝置設計能力提升為7萬t/a，ω(P2O5)=100%。萃取Ⅱ系列于1997年1月開工，1998年2月建成投料試車，采用四格方槽二水法流程，使用翻盤式過濾機進行生產，裝置設計能力為6萬t/a，ω(P2O5)=100%。2006年4月將翻盤式過濾機技改為轉臺式過濾機，裝置能力提升為8萬t/a，ω(P2O5)=100%。自2013年3月萃取Ⅳ系列投產后，萃取Ⅱ系列除過濾系統2臺轉臺式過濾機用來過濾萃取Ⅳ系列料漿外，其他如萃取反應系統、閃冷系統、尾氣洗滌系統等均已停用。

2.2 裝置能力

根據各工序主要設備折算，半水反應槽是能力最小的一個環節。因此，衡算產能時，以能力最小的半水反應的產能計算其他設備的能力。設計運行天數為300d，設計P2O5產能為244t/d，7.3萬t/a，ω(P2O5)=100%，考慮到本項目為改造項目，原裝置大部分設備老化嚴重，因此，在設計過程中不考慮放大改造后的半水-二水生產裝置設計產能。

2.3 設計原則

本著在滿足工藝流程的要求下，盡量利用現有裝置以減少投資的原則，先對原有設備進行核算和比較，對能滿足改造后的半水-二水工藝流程和要求的設備盡量利用，對需要進行局部改造，且能滿足改造后的半水-二水工藝流程和要求的設備進行利用，對于不能滿足改造后的半水-二水工藝流程和要求的設備，盡量在設備原來位置上進行拆除和新建，最后考慮新增一部分設備滿足改造后的半水-二水工藝流程。

2.4 改造實施過程

本技術改造采用兩步法再結晶半水-二水法濕法磷酸工藝，由以下工序組成：礦漿壓濾工序、半水反應工序、半水過濾工序、二水轉化工序、二水過濾工序、尾氣洗滌工序、氟吸收工序。

兩步法再結晶半水-二水法濕法磷酸工藝流程見圖1。

圖1 兩步法再結晶半水-二水法濕法磷酸工藝流程

2.5 工藝流程及改造方案

2.5.1 礦漿壓濾工序

半水反應生成的ω(磷酸)高達38%～45%，且石膏值低，石膏中結晶水和游離水含量亦低，因此在采用干磷礦粉生產時，從系統水平衡分析，半水物料反應中磷石膏洗滌水用量僅為4.0m3/t(P2O5)，相比二水法工藝的磷石膏洗滌水量為5.7m3/t(P2O5)[1]，會導致系統水不平衡。因此，受水平衡影響，相比于二水法磷酸工藝，半水-二水法磷酸工藝不能采用礦漿進料，并且對進入半水反應的磷礦含水率有嚴格限制，否則會導致系統水不平衡。一般認為，進入半水反應的磷礦含水率最大不應該超過15%，因此，目前半水-二水法工藝分為干礦進料和陶瓷壓濾機壓濾進料兩種情況。

對于用二水法磷酸生產的成熟磷肥企業，大部分是配合二水法磷酸工藝的濕礦進料。目前，三環分公司磷酸裝置采用的也是濕磨礦，礦漿含固量為55%～60%，所以，本項目考慮采用陶瓷壓濾機過濾，整個礦漿壓濾工序為新建工序。

本項目所用磷礦的組成分析見表1和表2。

表1 本項目所用磷礦組分分析

表2 本項目所用磷礦粒度分析

由于陶瓷壓濾機之前的壓濾磷礦漿業績較少，為保證項目的可靠性，將本項目所用磷礦送到陶瓷過濾機廠家做壓濾實驗。試驗結果表明，壓濾機的料漿濃度含固量在53%～55%之間時效果較好，含固量超過60%，其效果變差且要求進陶瓷壓濾機的礦漿粒度為200目～300目≥65%，因此進陶瓷壓濾機前的磷礦漿需要采用旋流分離器進行分級，最終根據項目實際情況，本項目配備4臺陶瓷壓濾機，每臺陶瓷壓濾機上方配備1臺旋流分離器，分級后的磷礦和經陶瓷壓濾機壓濾出的濾液送到老廠二水法磷酸裝置的磷礦漿濃密工序。礦漿壓濾工序主要設備見表3。

表3 礦漿壓濾工序主要設備

在項目現場實地勘察和測量時，從陶瓷壓濾機皮帶到溶解槽之間相距150m，原計劃用皮帶輸送干礦的方案行不通，考慮增設1臺預混槽用于將返酸和干礦預混調漿成約33%含固量的料漿后，通過泵輸送到溶解槽。

2.5.2 半水反應工序

結合三環分公司現有場地和裝置，半水反應系統擬采用2個溶解槽、1個結晶槽、1個熟化槽串聯組成。半水反應中的溶解槽和結晶槽利用三環萃取Ⅱ系列反應槽和消化槽主體，在設計時對內部襯里和局部管口進行改造，以適應本項目需要。對比二水工藝反應槽，半水-二水工藝的半水反應槽操作溫度高約20℃，介質ω(P2O5)高約15%，腐蝕性增強；介質密度高約13%，結晶固體顆粒密度高約18%，磨蝕性也增強。因此，原來三環萃取Ⅱ系列反應槽和消化槽攪拌器不能滿足要求，在設計時考慮更換。

為維持結晶槽液位，延長反應時間，需在結晶槽之后新建1個熟化槽，并相應配備攪拌器。半水閃冷流程采用高溫差閃冷流程，傳統半水-二水工藝中，由于半水料漿溫度高，酸濃大，對過濾機材質要求高，且對濾布腐蝕嚴重，需經常更換。此外，在過濾酸輸送過程中，由于散熱降溫，易析出固體導致管道堵塞，需經常清理，所以開車率不高。本項目取消萃取Ⅱ系列低位閃冷器，在其所在方位設置一裙座式高位閃冷器放在7.00平面上，在閃冷器和消化槽之間增設過濾給料槽，降低閃冷循環料漿量，增大閃冷料漿溫差，從過濾給料槽輸送閃冷降溫后的料漿經給料槽后泵至過濾機，多余的閃冷料漿自流回結晶槽。高位閃冷工藝中設計將90℃料漿冷卻至75℃，因此，輸送到過濾機的料漿溫度僅為75℃。在此溫度下，過濾機的選材類同于常規的二水法工藝。為保證高位閃冷大氣腿高度的要求，本項目考慮將半水過濾給料槽放置在0.00平面，同時新增1臺半水料漿回流泵，將料漿從半水過濾給料槽送回結晶槽。三環老廠萃取Ⅱ系列反應槽(溶解槽)槽型方位圖見圖2。

圖2 三環老廠萃取Ⅱ系列反應槽(溶解槽)槽型方位圖

閃冷氟吸收可延用老廠氟洗滌設備。但由于半水料漿酸濃和閃蒸溫度的變化，原有真空泵已不再適應，設計時重新選型1臺真空泵。

2.5.3 半水過濾工序

半水-二水裝置的萃取操作溫度高，鈣、鉀、鈉形成的鹽類雜質在過濾過程中由于受真空作用引起的驟冷效應，導致溫度突然冷卻，在過濾機設備和管道中析出形成結垢物，堵塞設備管道現象較為突出。每次開車7d左右就要進行工藝清理檢修工作。因此，半水過濾機的選型主要考慮方便工藝檢修和設備維護這兩個因素。

半水過濾機可選用帶式過濾機、轉臺過濾機及翻盤過濾機。這3種過濾機在國內外都可以找到成功使用的案例，均適用于半水反應流程，并且均可以選擇國產的過濾機。P2O5過濾強度設計在4.4t/(m2·d)，因此有效過濾面積在65m2。考慮到利舊原則以減少投資，設計中采用老廠萃取I系列68m2轉臺過濾機F211B(原用于二水法磷酸裝置)為本項目的半水過濾機。老廠萃取I系列68m2轉臺過濾機，需做部分改造以適用于半水流程。首先，將老廠萃取I系列過濾工序過濾機三洗流程改為一洗，將轉臺過濾機F211下面設置貯存濾液的4格方槽，改為2格分別用于濾液區和一洗區，拆除二洗區和三洗區對應的泵P213A和P214A。部分過濾酸和全部一洗液混配返酸，通過密度控制酸濃至33% P2O5左右，以此來解決由于酸濃變化帶來的裝置運行波動的問題。其次，由于半水流程中將來自二水過濾的返酸用作濾盤的沖渣水，后進入轉化槽，水量需嚴格控制，否則將破壞系統水平衡，設計中考慮采用三環老廠來的池水作為濾布再生水后進入全廠池水系統。水平衡圖見圖3。

圖3 水平衡圖

此外，三環老廠2臺過濾機共用的1臺石膏再漿槽作為本項目的二水石膏再漿槽，因此，在設計時考慮新建1套石膏再漿系統，將半水過濾的半水石膏再漿后送到二水轉化槽。

2.5.4 二水轉化工序

設計中經過核算和比較，二水轉化槽復用三環萃取I系列圓形反應槽，圓形反應槽外筒作為二水石膏轉化的轉化槽，圓形反應槽內筒作為二水石膏轉化的過料槽，二水石膏轉化閃冷工序利用三環萃取I系列低位閃冷設備。

2.5.5 二水過濾工序

轉臺過濾機復用三環萃取I系列轉臺過濾機F211A，過濾真空利用三環萃取I系列真空設備。

由于三環老廠過濾Ⅰ系列和過濾Ⅱ系列的4臺過濾機共用1臺濾布洗水槽，其配備的4臺濾布洗水泵分別對應4臺過濾機。本技改項目利用I系列2臺過濾機，半水過濾工序利用轉臺過濾機F211B，二水過濾工序復用轉臺過濾機F211A。二水過濾的濾餅洗水來自用蒸汽加熱后的干凈的工藝水，因此，需新建二水濾餅洗水槽和二水濾餅洗水泵。

2.5.6 尾氣洗滌工序

設計時考慮將半水反應的尾氣單獨設一個洗滌系統；半水過濾、二水過濾、二水轉化的尾氣合用一個尾氣洗滌系統。半水過濾、二水過濾和二水轉化尾氣的洗滌系統利用老廠Ⅰ系列2個氟吸收塔洗滌；半水反應尾氣利用老廠Ⅱ系列氟吸收塔洗滌。

經初步核算，磷礦中ω(F)為2.83%，ω(Na2O)及ω(K2O)為0.65%，從半水反應槽中溢出的ω(F)為3%左右，從半水反應槽抽出的尾氣量為25 000m3/h，F的含量不到1 500mg/L，而現在萃取Ⅱ系列尾氣洗滌處理能力為35 000m3/h，能滿足要求。

3 運行指標

裝置投入運行后，經過短期工藝調整，各項指標達到了預期設計目的，P2O5產能達到232t/d。

3.1 成品酸及二水磷石膏組成

成品酸及二水磷石膏組成分別見表4、表5、表6。

表4 原料磷礦設計指標及實際指標，ω/%

表5 成品酸設計指標

表6 二水石膏指標(以干基計)

4 實際運行中的幾個關鍵問題

4.1 干礦輸送

從前文可知，在項目現場實地勘察和測量時，從陶瓷壓濾機皮帶到溶解槽之間相距150m，原計劃用皮帶輸送壓濾后的干礦，因受布置影響，考慮增設1臺預混槽用于將返酸和干礦預混調漿成約33%含固量的料漿后，通過泵輸送到溶解槽。在化工投料試車開始后，因料漿輸送困難影響了投礦量，裝置經常被迫降低負荷。但在進反應槽投礦穩定時，裝置運行良好。

4.2 半水過濾機運行

在裝置運行過程中，半水過濾機螺旋有帶料，通過改進濾布洗水槽，將原來用于沖渣斗的二水過濾機返酸用于沖洗半水過濾機螺旋、沖渣及濾布再生后進入轉化槽。

5 結語

近年來，隨著磷礦資源的過度開發和消耗，磷礦資源貧化進程加快，磷礦質量下降，濕法磷酸質量也隨之變差，直接影響到優質磷酸二銨產量，不能滿足市場需求，同時還影響磷酸的精制和深加工，不利于產品鏈的延伸和產業升級。

半水-二水法磷酸工藝在磷酸質量、磷收率、綜合能耗以及磷石膏質量等4個方面遠優于二水法磷酸工藝。將二水濕法磷酸工藝改為半水-二水法濕法磷酸工藝是工藝發展的一條創新新路。在現有二水法磷酸工藝的基礎上，投入合理的投資，在基本不影響現有生產運行的情況下，進行半水-二水法磷酸工藝的技術創新和技術改造，完成產業升級，實現濕法磷酸產業“調結構、轉方向”的目標。

[1]化學工業部建設協調司.磷酸磷銨重鈣技術與設計手冊[M].北京：化學工業出版社，1997.

修改稿日期：2017-07-05

Optimization and Reconstruction Project of Phosphoric Acid Production Technology

ZOU Wen-min，YANG Pei-fa，ZHAO Jun，LI Zhi-gang

(Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223，China)

This paper discusses the background of optimization and reconstruction project of phosphoric acid production technology by Sanhuan Branch of YTH international chemical Co，Ltd.It introduces detailed reconstruction process，crucial equipment selection，product acid specifications，main plant performance test，and the key issue during operation of the hemi-dihydrate process.If all the reforms are finished and each index hits the target，the performance of P2O5will reach 232t/d.

dihydrate process；hemi-dihydrate process；phosphoric acid；reconstruction

鄒文敏(1986年—)，男，湖北仙桃人，2010年畢業于武漢工程大學化學工程專業，碩士，工程師，現主要從事磷化工工藝設計工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.012

TQ126.35

B

1004-8901(2017)04-0044-05