磷酸二銨優等品總養分平穩度控制優化

李維紅，陳德高，張洪緒，廖國剛，鄭 映

（甕福（集團）有限責任公司甕福化工公司，貴州 福泉 550501）

甕福（集團）有限責任公司（簡稱公司）馬場坪磷化工集中區，通過產品結構調整，揚長補短，充分發揮濕法凈化磷酸、無水氟化氫、新能源等產品優勢，成功實現轉型升級，逐步走上高質量發展的軌道。但與此同時，又面臨新的問題：在發展高端化工產品過程中，萃余酸、氨氮物質等副產物又需傳統磷銨裝置消化。磷銨裝置面對新的挑戰，如何在用戶、經銷商、生產廠家均高度重視磷銨產品外觀和內在質量的環境下生產磷酸二銨（DAP）優等品［1］，實現總養分平穩控制，關乎產品質量和經濟效益。

1 DAP優等品總養分平穩度控制的評價指標

1.1 總養分區間

確定DAP 產品合理的總養分區間，既能滿足客戶的質量需要又能使工廠效益最大化。根據長期生產端、市場端、用戶端的統計數據可知，在符合DAP 國家標準（GB 10205—2009） 的前提下，DAP 產品富裕總養分質量分數≤0.3%是恰當的，也就是將DAP 優等品總養分質量分數控制在64.0%～64.3%。

1.2 標準偏差

為了能更精準反映每月DAP 優等品出庫產品總養分平穩度，公司選用總體標準偏差進行評價，把每月全部出庫批次產品總養分分析數據列為一個數據集，計算總體標準偏差值，獲得總養分平穩度信息。

2 DAP優等品總養分平穩度控制的干擾因素

2.1 原料組成多樣化

生產磷酸二銨的主要原料是濃磷酸、液氨，為微調總養分會經常性用到硫酸。為充分利用磷資源，濕法凈化磷酸裝置萃取后的萃余磷酸也為DAP裝置常態化使用的一種原料。硫煤磷化工耦合已成為互相影響的體系，硫黃制硫酸、合成氨、新能源等裝置副產的硫酸銨溶液也成為DAP的原料。各種因素的疊加，使DAP裝置生產原料變得多樣化，DAP優等品總養分平穩度控制變得困難。

2.2 工藝指標控制不穩定

主要表現在管反配酸密度、濃度，洗液n（N）/n（P）等重要工藝操作指標大起大落，使得生產狀態連續穩定性變差。生產班組為追求高產量短時間取出產品過多引起體系進出物料不平衡，或生產過程中添加養分含量不等，或不均勻地添加返料，都會導致產品養分波動大，平穩度變差。

2.3 頻繁轉產，間隔開車消化萃余酸

磷銨市場近幾年都較為低迷，公司馬場坪工廠2 套600 kt/a DAP 裝置根據客戶需求實行訂單式生產。近3年市場訂單情況表明，磷銨需求表現為小訂單且品種規格多樣化。頻繁轉產，也導致花料、過渡料增多。為保障P2O5價值最大化，很多時候需用1 套DAP裝置間隔性開停車消化萃余酸，這也產生大量過渡料。前述兩種情況的過渡料返回生產系統重新造粒，導致產品總養分平穩度也隨之波動。

2.4 散庫抓配料區空間小

散庫是連接生產裝置和成品袋庫的緩沖庫房，其功能是用于堆放合格料和轉產的過渡料，完成不同養分合格料的抓配，使進入市場的產品總養分標準偏差值最小、富裕養分更少。在物流不暢時還可起到緩儲產品的作用，期間抓翻產品還可降低水分、減少結垢風險。公司馬場坪工廠的DAP 散庫由5 個區組成，總面積約7 000 m2，一區用于檢修設備，五區用于堆放地腳料，只有二區、三區、四區用于堆放合格料和過渡料，整個庫房可使用的有效面積為6 000 m2，緩沖單一規格品種DAP是有富裕的，當2 套裝置各生產1 種產品時，散庫穩定養分的抓配料功能就弱化了，產品平穩度也隨之變化。

3 DAP優等品總養分平穩度控制的優化措施及效果

3.1 構建操作控制模型，數字化生產

公司馬場坪工廠DAP 裝置生產w（總養分）64%的DAP時，使用的原料具有多樣化的特征。生產操作中萃余酸質量波動、洗液密度或量發生改變、硫酸中斷等情況都會造成產品養分的波動。特別是夜班原料指標變化時，產品養分波動更為明顯。為及時發現問題，防范生產過程控制結果與質檢分析值偏差，裝置構建了64%DAP總養分測算控制模型指導生產。以實際生產為例，隨機抽取1組生產數據按數學模型測算，計算用數據見表1、表2。

表1 濃磷酸質量分析數據 %

表2 64 %DAP總養分測算時配酸槽的進料量 m3/h

尾氣洗液中可轉化為產品的填料質量：（6×1.18×20.12%）t=1.42 t。其中20.12%為洗液燒干后得到的固相物質量分數。

尾氣洗液中可轉化為產品的填料中的純磷酸量：（1.42×35.1%×1.38）t=0.69 t。式中35.1%為分析得到的洗液中P2O5的質量分數，1.38為P2O5與純磷酸的轉換系數（下同）。

尾氣洗液中可轉化為產品的填料中氨含量：（1.42×35.1%×34/71）t=0.24 t，式中，34/71為P2O5與NH3的轉換系數。

濃磷酸中純磷酸質量：（30×1.609×46.28%×1.38）t=30.83 t。

濃磷酸中純磷酸引入氨質量：（30×1.609×46.28%×1.8×17/71×95%）t=9.15 t。式中，1.8為中和度，17/71 為氨與純磷酸分子量之比，95%為氨酸反應過程中的氨收率。

濃磷酸中硫酸根引入氨質量：（30×1.609×3.18%×17/49）t=0.53 t。式中，17/49為硫酸銨中氨酸分子量之比。

濃磷酸中雜質質量：（30×1.609×（3.18%+1.69%+1.18%+0.38%+1.21%+0.52%+0.48%））t=4.17 t。

濃磷酸反應后生成的固相物質量：（30.83+9.15+0.53+4.17）t=44.68 t

萃余酸中純磷酸質量：（9×1.704×46.56%×1.38）t=9.85 t。

萃余酸中純磷酸引入氨質量：（9×1.704×46.56%×1.8×17/71）t=3.08 t。

萃余酸中硫酸根引入氨質量：（9×1.704×0.58%×17/49）t=0.03 t。

萃余酸中雜質質量：9×1.704×（0.58%+4.40%+1.29%+0.76%+3.01%+1.30%+1.03%）t=1.90 t。

萃余酸反應后生成的固相物質量：（9.85+3.08+0.03+1.90）t=14.86 t。

硫酸添加質量：（0.8×1.83×98%）t=1.43 t。式中98%為硫酸質量分數。

硫酸添加引入氨質量：（1.43×17/49）t=0.50 t。

硫酸反應后生成的固相物質量：（1.43+0.50）t=1.93 t。

經過以上計算，得到產品填料量：（1.42+44.68+14.86+1.93）t=62.89 t。

實際生產的產品含一定水，w（H2O）按1.8%計，得到產品量為：（62.89+62.89×1.8%）t=64.02 t。

產品中N 質量分數：（0.24+9.15+0.53+3.08+0.03+0.50）×（14/17）/64.02=17.40%。

產品中P2O5質量分數：（0.69+30.83+9.85）×0.724/64.02% = 46.79%。式中，0.724 為磷酸換算為P2O5的系數。

產品w（總養分）：17.40%+46.79% = 64.19%。

數學模型測算總養分應用后，生產操作控制變得方便，下線進入散庫64%DAP 優等品一次合格率從86%提升到了91%。

3.2 用濃磷酸淤漿作為總養分的調節劑

任何措施的改善效果都有上限，使用配套措施共同優化，可以起到互補的作用。生產過程出現短時段養分波動，可采取添加少量的濃磷酸淤漿作為養分補充調節措施。濃磷酸淤漿是固含量稍高的濃磷酸，在生產咖啡色產品而養分又有富裕時，這樣做對工廠是有利的。公司馬場坪工廠磷銨裝置為此增建了1套專用的濃磷酸淤漿添加設施，包括50 m3淤漿緩沖槽、攪拌器、泵、泵出口管線及添加淤漿自動控制儀表系統。

3.3 優化轉產模式，減少轉產過渡料

頻繁轉產、間隔開停車消化萃余酸已成為不可逆轉的實際情況，優化生產組織模式是見效快的方式。（1）深色轉產淺色或淺色轉產深色產品，采取放空造粒機、干燥機內物料，用散庫同規格的產品作為計劃生產產品的轉產循環母料，減少過渡花料。（2）計劃轉產后，需及時清理皮帶自動取樣機中的疤塊，防范轉產前的疤塊影響轉產后的樣品分析結果。（3）對于間隔開停車消化萃余酸，屬同規格產品再生產，可采取開車前取干燥機中樣品分析總養分，為開車后穩定控制養分提供參考依據，防范產品養分大起大落。（4）實施《非計劃停車管理考核辦法》，以噴漿流量斷流為非計劃停車的判斷標準，解決崗位人員主觀錯誤引起的停、開車養分波動。

3.4 設置配料專區，精準抓配料

在散庫庫存低、區位中堆放的產品能正常翻堆又不影響出庫時，將散庫區域由大分小，如：2大區-1 小區北，2 大區-1 小區中，2 大區-1 小區南，依次在2大區、3大區、4大區中設置配料專區，根據分堆的不同養分產品精準計算配料，符合富裕總養分質量分數≤0.3個百分點時，才出庫。反之，在散庫庫存高、區位緊張、出庫慢的情況下，通過調整產品計劃或暫停裝置生產，將散庫區域改劃分為大區使用，設置配料專區抓配料。

3.5 優化措施實施后產生的效果

優化措施實施前統計2021年6月64%DAP全部出庫產品22個批次w（總養分）（見表3），計算得到總體樣本標準偏差為0.242 235，w（總養分）均值為64.36%。

表3 2021年6月64 %DAP全部出庫產品總養分 %

優化措施實施后統計2021 年11 月64%DAP 全部出庫產品10 個批次總養分（見表4），計算得到總體樣本標準偏差為0.03，w（總養分）均值為64.29%，完全符合富裕總養分質量分數≤0.3%，產品w（總養分）在64.0%～64.3%的控制期望。

表4 2021年11月64 %DAP全部出庫產品總養分 %

4 結語

公司馬場坪工廠2×600 kt/a磷酸二銨裝置通過采取構建操作控制模型，數字化生產等多項優化措施后，轉產過渡料從之前的每月3 701 t降到500 t，DAP 總養分區間、總體標準偏差達到了預期的效果，既滿足了客戶對產品的內在質量要求，又為公司降本增效發揮了重要作用。