用于從窯法磷酸工藝的出窯煙氣中制磷酸的改進型設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種從含P煙氣中制取磷酸的設備，尤其涉及一種從窯法磷酸工藝(KPA)的出窯煙氣中制取磷酸的設備。
【背景技術】
[0002]目前世界上工業(yè)生產(chǎn)磷酸的方法主要有兩種。(I)濕法制磷酸:即利用硫酸分解磷礦石得到稀磷酸和以CaSO4.ηΗ20為主體的固體廢渣(簡稱磷石膏)，將稀磷酸濃縮得到含磷酸54%左右的濕法磷酸。這種工藝的主要缺點:一是要耗用大量的硫酸；二是廢渣磷石膏無法得到有效的利用，其中夾帶的硫酸、磷酸和可溶性氟化物均溶于水，自然堆放后被雨水沖刷，容易對環(huán)境造成嚴重污染；三是產(chǎn)品磷酸的雜質(zhì)含量較高，一般只用于生產(chǎn)肥料；四是為保證產(chǎn)品的經(jīng)濟性，必須使用高品位磷礦。(2)熱法制磷酸:即首先將將磷礦石、硅石、碳質(zhì)固體還原劑置于一臺礦熱電爐中，用電短路形成電弧的能量，將爐內(nèi)溫度加熱到13000C以上，將磷礦石中的磷以P4B式還原出來，同時碳質(zhì)固體還原劑被轉(zhuǎn)化為CO，將排出礦熱爐的PjPCO為主的氣體用水洗滌降溫，P4被冷卻成固體與氣相分離，得到產(chǎn)品黃磷，含CO的廢氣在煙囪出口點火燃燒后排入大氣；將得到的P4加熱到80°C左右，使其變?yōu)橐合啵瑢⑵湓谒信c通入的空氣發(fā)生氧化燃燒反應，得到磷酸酐P2O5，再用水吸收得到磷酸。熱法制磷酸的主要缺點:一是要耗費大量的電能；二是排出礦熱爐后分離了 P4的氣體還夾帶有大量的氟化物(以SiFdP HF存在)和少量未沉淀的氣體P 4，這將對大氣環(huán)境造成嚴重污染；三是含大量CO的氣體直接燃燒排空，能源浪費很大；四是為了保證生產(chǎn)的經(jīng)濟性，同樣需要使用高品位磷礦石。
[0003]為了克服電能緊張、硫鐵礦資源不足和高品位磷礦石逐年減少對磷酸生產(chǎn)的影響，八十年代初美國Occidental Research Corporat1n (ORC)提出采用KPA法，即用回轉(zhuǎn)窖生產(chǎn)磷酸的方法(簡稱窖法磷酸工藝)(參見Frederic Ledar and Won C.Park等，NewProcess for Technical-Grade Phosphoric Acid，Ind.Eng.Chem.Process Des.Devl985,24，688-697)，并進行了 0.84m(內(nèi))Χ9.14m回轉(zhuǎn)窯中試裝置的中間試驗(參見US4389384號美國專利文獻)。該方法是將磷礦石、硅石和碳質(zhì)還原劑(焦粉或煤粉)細磨到50%?85%- 325目，配加1%的膨潤土造球，經(jīng)鏈式干燥機干燥預熱后送入窯頭燃燒天然氣的回轉(zhuǎn)窯中，球團在窯內(nèi)還原，控制最高固體溫度為1400°C?1500°C，調(diào)整球團Ca0/Si02摩爾比為0.26?0.55，使球團恪點高于球團中磷礦石的碳熱還原溫度，磷以磷蒸氣的形式從球團中還原揮發(fā)出來，然后在窯的中部空間被通入的空氣氧化成五氧化二磷，氧化放出來的熱反過來又供給還原反應，最后將含有五氧化二磷的窯氣水化吸收即制得磷酸。
[0004]上述的窯法磷酸工藝思路顯示了一種良好的工業(yè)應用前景，因其原理是利用磷礦的碳熱還原形成P4氣體，將磷礦石中的磷轉(zhuǎn)移到回轉(zhuǎn)窯的氣相當中，并利用氣固分離原理使磷與料球中的其余固體物質(zhì)很好的進行分離，轉(zhuǎn)移到回轉(zhuǎn)窯氣相中的P4氣體可與回轉(zhuǎn)窯氣相中的氧發(fā)生氧化放熱反應生成P2O5,放出的熱則供給料球中磷礦石的碳熱還原(吸熱反應)，最后將出回轉(zhuǎn)窯的含P2O5的窯氣水化吸收，可獲得潔凈度遠高于濕法磷酸的工業(yè)磷酸。由于回轉(zhuǎn)窯維持磷礦碳熱還原溫度使用的是初級能源，同時磷礦碳熱還原產(chǎn)生的可燃物質(zhì)匕與CO在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部即可進行燃燒放熱反應，補充提供給維持回轉(zhuǎn)窯磷礦碳熱還原溫度所需能量，這與傳統(tǒng)的熱法制磷酸工藝相比，其能耗得到大幅度降低。
[0005]然而，我們的研宄表明，上述的窯法磷酸工藝在規(guī)?；墓I(yè)應用及實踐中很難實現(xiàn)，其主要缺陷在于:
[0006]1、回轉(zhuǎn)窖是窖體以一定速度(0.5r/min?3r/min)運轉(zhuǎn)的設備，其優(yōu)點是可以連續(xù)對送入窯內(nèi)的固體物料進行機械翻轉(zhuǎn)、混合，保證窯內(nèi)固體物料各處受熱的均勻性，但反過來窯內(nèi)固體物料亦須承受物料運動的機械摩擦力，如果物料強度小于受到的機械摩擦力將很容易被破壞。美國ORC公司提出的KPA工藝基本原理是將磷礦石、硅石和碳質(zhì)還原劑(焦粉或煤粉)細磨到50%?85% — 325目后制成球團，這三種物質(zhì)必須緊密地共聚一體，才能在混合物中0&0/5102摩爾比為0.26?0.55的條件下，實現(xiàn)混合物料在磷礦石的碳熱還原溫度下不熔化，同時，磷礦的碳還原才能得以順利進行。但工藝使用的物料球團中配入了還原劑碳，碳在大于350°C溫度下會與空氣中的氧發(fā)生快速的氧化反應轉(zhuǎn)變成CO2，如果采用傳統(tǒng)冶金工業(yè)球團在鏈篦機上高溫固結的方法(多900°C )，則球團中的還原碳會被全部氧化，入回轉(zhuǎn)窯球團則流失了還原劑，磷的碳熱還原反應自然也無法進行，導致工藝失敗。如果僅通過添加膨潤土作球團粘結劑在300°C以下進行干燥脫水，則球團抗壓強度僅為1KN/個球左右，落下強度< I次/米；因為膨潤土的作用機理主要是利用其物質(zhì)結構中的層間水來調(diào)節(jié)球團干燥過程中的水分釋放速率，提高球團在干燥過程中的爆裂溫度，其本身對提高球團強度并無顯著作用。將這種球團送入回轉(zhuǎn)窯后、且在回轉(zhuǎn)窯溫度值達到900°C溫度前，由于承受不住回轉(zhuǎn)窯內(nèi)料球運動所受到的機械摩擦力，入窯的球團將大量粉化，粉化后組成球團的磷礦粉、硅石粉和碳質(zhì)還原劑等將分離，粉化后的磷礦粉由于不能與碳質(zhì)還原劑緊密接觸，將導致磷不能被還原。更為嚴重的是，磷礦粉一旦與硅石粉分開，其熔點將急劇降低到1250°C以下，這種粉狀磷礦通過回轉(zhuǎn)窯的高溫還原區(qū)(料層溫度為1300°C左右)時，將全部由固相變成液相，進而粘附在回轉(zhuǎn)窯窯襯上形成回轉(zhuǎn)窯的高溫結圈，阻礙物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的正常運動，使加入回轉(zhuǎn)窯的大部分物料從回轉(zhuǎn)窯加料端溢出回轉(zhuǎn)窯，無法實現(xiàn)磷的高溫還原，導致工藝失敗?？梢姡捎谌敫G原料存在固有缺陷，至今未見上述的KPA技術進行過任何工業(yè)化、規(guī)?；蛏虡I(yè)化的應用。
[0007]2、對于上述配碳磷礦球團的KPA工藝而言，在回轉(zhuǎn)窖內(nèi)料層下部的固體料層區(qū)屬于還原帶，料層上部則是回轉(zhuǎn)窯的氣流區(qū)，屬于氧化帶，進料球團從回轉(zhuǎn)窯窯尾加入，依靠其自身重力和回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)的摩擦力從回轉(zhuǎn)窯的窯頭區(qū)排出，回轉(zhuǎn)窯燃燒燃料的燒嘴安裝在回轉(zhuǎn)窯窯頭，產(chǎn)生的燃燒煙氣則由窯尾的風機引出，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)維持微負壓，氣流與物料的運動方向相反。由于在回轉(zhuǎn)窯的還原帶(固體料層區(qū))和氧化帶(回轉(zhuǎn)窯固體料層上部的氣流區(qū))無機械隔離區(qū)，因此，暴露在固體料層區(qū)表面的料球?qū)⑴c氧化帶氣流中的02、0)2發(fā)生對流傳質(zhì)；這一方面會使料球中的還原劑碳在料球被氣流傳熱加熱到磷礦石碳還原溫度前被部分氧化掉，致使料球在回轉(zhuǎn)窯還原帶由于碳質(zhì)還原劑的缺乏，而得不到充分還原；更為嚴重的是，在回轉(zhuǎn)窯高溫區(qū)暴露于料層表面的料球，會與窯氣中已經(jīng)還原生成的P2O5發(fā)生進一步的化學反應，生成偏磷酸鈣、磷酸鈣及其他的偏磷酸鹽或磷酸鹽，進而導致已被還原到氣相中的磷又重新返回料球，并在料球表面形成一層富含P2O5的白殼，殼層厚度一般在300 ym?1000 μ??，殼層中P2O5含量可高達30%以上；這樣會致使料球轉(zhuǎn)移到氣相中的P2O5不超過60%，造成磷礦中P2O5的收率偏低，進而造成礦產(chǎn)資源的浪費及磷酸生產(chǎn)成本的大幅度上升，使上述的KPA工藝喪失商業(yè)應用和工業(yè)推廣價值。有研宄人員寄望通過料層中揮發(fā)出的氣體來隔離回轉(zhuǎn)窯中的還原帶與氧化帶，但在內(nèi)徑2m的回轉(zhuǎn)窯中進行的工業(yè)試驗表明，球團表面出現(xiàn)富含P2O5的白殼現(xiàn)象仍是不可避免的。
[0008]鑒于上述提及的技術缺陷，按照ORC公司所提出的KPA工藝來生產(chǎn)磷酸，這在規(guī)模化的工業(yè)應用及實踐中還存在很大困難。
[0009]Joseph A.Megy對KPA工藝提出過一些改進的技術方法(參見US7910080B號美國專利文獻)，即在維持KPA基本工藝方法不變的前提下，通過在回轉(zhuǎn)窯筒體的窯頭泄料端設置擋料圈以提高回轉(zhuǎn)窯的固體物料填充率，與此同時，通過增大回轉(zhuǎn)窯的直徑以減少回轉(zhuǎn)窯內(nèi)料層的表面積-體積比，降低料層物料暴露在固體料層表面的幾率，以縮短料球中還原劑碳被回轉(zhuǎn)窯窯氣中的O2氧化的時間，減少料球到達回轉(zhuǎn)窯還原帶前的還原劑碳的燒損，同時減少回轉(zhuǎn)窯高溫區(qū)中料球表面磷酸鹽或偏磷酸鹽的生成。另外，該工藝還通過在入回轉(zhuǎn)窯的物料中加入部分石油焦，以希望利用石油焦中揮發(fā)分受熱揮發(fā)產(chǎn)生的還原性氣體，使其覆蓋在料層與回轉(zhuǎn)窯氣流氧化區(qū)之間，以進一步阻止回轉(zhuǎn)窯氣流中02、P2O5與料球反應的幾率，以保證工藝的