電爐法黃磷生產中爐渣熱能利用

陳萬初，丁大祥，李 坤

（貴州省甕安縣甕福黃磷有限公司，貴州 甕安 550400）

近年來，我國黃磷工業的技術水平不斷提高，單臺黃磷電爐的生產能力逐步增大［1］。黃磷生產過程中產生的高溫熔融態爐渣排出磷爐后，目前采用水淬冷卻工藝處理，即通過急冷，高溫爐渣因內部應力而崩裂成小顆粒渣子分散在渣池里，以便于爐渣的裝運、堆存處理。爐渣在水淬處理時會產生大量水蒸氣，對黃磷裝置的設備、建筑和環境帶來一定的影響，同時爐渣的熱能無法有效利用；生產用水量大，爐渣在后續利用過程中需要烘干處理，能耗和人工成本較高。為此，筆者提出運用風淬冷卻工藝解決黃磷爐渣熱能利用及水淬渣帶來的系列問題。

1 電爐法黃磷生產工藝

原料磷礦石、硅石分別被送入圓筒式干燥機，將w（H2O）降到1.5%以下。磷礦石、白煤、硅石按一定質量配比混合組成爐料，進入磷爐內加熱到1 300～1 500℃使磷礦石中的磷酸鹽被碳還原為單質磷。整個反應過程在密閉微正壓磷爐內完成，磷爐內部溫度呈梯級分布，爐渣溫度可達1 400℃，而爐料上層和爐氣溫度要求高于黃磷的升華溫度180℃。爐料從爐頂加入，相繼經過預熱、軟化、富焦、熔融等區域，爐渣以熔融態從爐底部排出，還原反應放出的黃磷蒸汽與生成的其他氣體匯集成磷爐氣經除塵、冷凝后送至黃磷精制裝置即可得到黃磷產品。爐渣中含有大量的活性氧化硅和活性氧化鋁，遇水和堿性物質Ca（OH）2，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣［2］。

2 爐渣風淬冷卻工藝

磷爐排出的高溫爐渣先經過一次冷卻，冷卻風采用二次冷卻的二段冷卻風，出口風溫控制在600～900℃，然后爐渣進入二次冷卻。進入二次冷卻時物料為半熔融態，物料溫度為800～1 100℃，二次冷卻分兩段進行，一段冷卻風出口溫度控制在600～900℃，同一次冷卻熱風一起送去鍋爐生產蒸汽，二段冷卻風出口溫度控制在200～400℃，二次冷卻出口物料溫度為65～100℃，經冷卻后的爐渣去下游［3］。風萃冷卻排渣工藝流程見圖1。

圖1 風萃冷卻排渣工藝流程

3 爐渣熱能利用分析

爐渣進入風淬冷卻系統時溫度為913℃，出風淬冷卻系統時溫度為65～100℃，每噸爐渣回收利用熱能為67.4萬kJ，爐渣攜帶熱量為153.6萬kJ，熱能回收利用率達到44%。生產黃磷產品1 t產生爐渣10 t，可利用熱能為674萬kJ。

3.1 熱能用于烘干黃磷生產原料

爐渣經風淬冷卻工藝回收的熱能可用于磷礦石和硅石的干燥，其熱能轉換率為65%。烘干后磷礦石和硅石原料中w（H2O）由4%降至1%。生產黃磷1 t消耗磷礦石11.0 t、硅石1.8 t，烘干時進口、出口原料溫度分別以15、65℃計，出口熱風溫度以165℃計。則生產黃磷1 t烘干原料需蒸發的水量為：

磷礦石和硅石中水分汽化潛熱：

0.4×1 000×2 257 kJ=902 800 kJ。

磷礦石和硅石中水分吸收熱量：

［0.5×1 000×4.2×（65-15）+0.4×1 000×2.0×（165-65）］kJ=185 000 kJ。

磷礦石和硅石加熱到65℃需要的熱量：

（10.56×0.8+1.73×1.09）×1 000×（65-15）kJ=516 685 kJ。

生產每噸黃磷所用原料烘干需要提供的熱量為（902 800+185 000+516 685）kJ/65%=2 468 438.46 kJ，折算為標準煤約為84.33kg。

爐渣熱能用于烘干黃磷生產原料時，生產每噸黃磷可節約標準煤84.33 kg。

3.2 熱能用于超微粉制備工藝

貴州省甕安縣甕福黃磷有限公司配套建有10萬t/a的爐渣超微粉裝置，以爐渣為原料生產0.038 mm（400目）超微粉，用于化肥和建筑材料生產。若磷爐裝置采用水淬冷卻工藝，爐渣w（H2O）將大于10%，需進行烘干處理，將w（H2O）降至1%。

生產黃磷1 t產生爐渣10 t，有2.2 t用于生產超微粉。烘干時進口、出口物料溫度分別以15、65℃計，出口熱風溫度以165℃計。2.2 t爐渣烘干需蒸發的水量：

爐渣中水分汽化潛熱：

（0.2×1 000×2 257）kJ=451 400 kJ。

爐渣中水分吸收熱量：

［0.2×1000×4.2×（65-15）+0.2×1000×2.0×（165-65）］kJ=86 200 kJ。

爐渣加熱到65℃需要的熱量：

［1.98×1 000×0.88×（65-15）］kJ=87 120 kJ。

烘干爐渣所需提供的熱量：（451 400+86 200+87 120 kJ/65%=961 107.69 kJ，折標準煤約32.84 kg。

改用風淬冷卻工藝后，用于生產超微粉的爐渣無須烘干，節約標準煤32.84 kg。

3.3 風淬冷卻工藝優勢

風淬冷卻工藝與水淬冷卻工藝指標比較見表1。由表1可知，風淬冷卻工藝可節約水資源和能耗，且環保效益好。

表1 水淬冷卻工藝與風淬冷卻工藝對比

4 結論

黃磷爐渣采用風淬冷卻工藝排渣，節約了水資源，能耗和人工成本相對降低，大大降低了黃磷生產成本，對于下游生產工藝的影響也比較小；環保方面，能有效控制煙氣排放。黃磷爐渣風淬冷卻工藝在黃磷生產中有很好的應用前景。