本发明属于磷化工技术领域，具体涉及一种利用SO2气体和磷矿浆反应生产磷酸的方法及装置。
背景技术：
通常所说的“湿法磷酸”实际上是指硫酸法制磷酸，即用硫酸分解磷矿得到的磷酸。采用硫酸法制磷酸的特点是：先让硫磺在焚硫炉内反应生成SO2气体，再经转化塔在五氧化二钒的催化作用下转化为SO3气体后，经吸收塔充分反应吸收后生成硫酸，硫酸在萃取槽与矿浆反应后进入真空过滤机过滤得到磷酸。转化塔中的钒触媒是一种有色金属氧化物，微溶于水，人体接触后对呼吸系统、心血管系统、神经系统、肠胃系统、皮肤等造成损害，严重者可发生支气管肺炎，喘息性支气管炎等，它也对周边环境的污染很大，转化塔中钒触媒是需要定期更换的，在更换过程中不仅装置要停车，还要消耗巨大的人力和物力，因此传统的湿法磷酸生产方法不仅工艺流程长、污染大、成本也较高。
技术实现要素：
本发明的目的提供一种利用SO2气体和磷矿浆反应生产磷酸的方法及装置，达到用最低的成本生产最优质的磷酸，且能减少环境污染。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种利用SO2气体和磷矿浆反应生产磷酸的方法，包括以下步骤：
将含SO2的气体与磷矿浆进行多级气液逆向接触反应后，得到含磷酸的混合浆料，然后加入硫酸进行进一步反应，使得料浆中P2O5含量在1%～30%时，将浆料进行过滤即可得到磷酸。
所述含SO2的气体中SO2质量浓度控制在1%～15%。
所述含SO2的气体与磷矿浆进行三级气液逆向接触反应，SO2的气体依次经一级逆向接触、二级逆向接触和三级逆向接触，最后脱除氟化物后进行放空；磷矿浆依次经三级逆向接触、二级逆向接触和一级逆向接触，然后进行降温及加入硫酸进一步反应，最后过滤得到磷酸。
其中一级逆向接触时控制反应温度为80～85℃；二级逆向接触时触时控制反应温度为30～80℃，三级逆向接触时触时控制反应温度为20～50℃。
所述含SO2的气体的制备步骤为：采用硫磺经快速熔硫，再与空气经焚硫反应生成含SO2的混合气体，最后经热回收降温至50℃～100℃。
所述磷矿浆中P2O5含量控制在20～40%，矿浆质量浓度1～70%，矿浆细度：小于等于100um。
一种利用SO2气体和磷矿浆反应生产磷酸的装置，包括依次连接的一级反应塔、二级反应塔、三级反应塔及氟吸收塔，各反应塔对应设置有循环反应槽，即一级循环反应槽、二级循环反应槽和三级循环反应槽，SO2气体进入口位于各级反应塔的下方，出口位于顶部，磷矿浆的进口位于各级反应塔的顶部，出口位于底部；各级反应塔与其对应的循环反应槽构成闭合回路，相邻循环反应槽之间通过管道连通。
所述的一级循环反应槽与一级反应塔的闭合回路上还设有闪蒸室，闪蒸室还连接有大气冷凝器。
所述的装置还包括氟硅酸槽，其与氟吸收塔构成循环的闭合回路。
所述的装置还包括依次连接的熔硫槽、焚硫炉、余热锅炉、低温锅炉和换热器，换热器与一级反应塔连接。
本发明具有以下有益效果：
1、本工艺采用的是SO2气体直接与磷矿浆反应，不经过转化吸收、萃取等工序，缩短了工艺流程，除去了对环境污染较大的转化SO3气体工段，不仅减少了环境污染，还大幅度降低了生产成本。
2、本工艺无转化塔、无触媒，不需要定期更换触媒，减少了换触媒时对环境的污染且节约了人工和装置成本。该生产工艺装置简单，操作方便，工艺条件易于控制，产品质量好。
附图说明
图1是本发明提供的装置结构示意图；
其中，1为焚硫炉，2为余热锅炉，4为换热器，5为一级反应塔，6为一级循环反应槽，7为二级反应塔，8为二级循环反应槽，9为三级反应塔，10为三级循环反应槽，11为闪蒸室，12为大气冷凝器，13为氟吸收塔，14为氟硅酸槽。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
本发明涉及的反应方程式为：
SO2 + H2O = H2SO3
H2SO3 +5 Ca5F(PO4)3 + 5/2H2O = 5CaSO3·1/2H2O+ H3PO4 + HF↑
2CaSO3 + O2 + 2H2O = 2CaSO4·2H2O
4HF + SiO2 = SiF4↑ + 2H2O
3SiF4 + 4H2O = 2H2SiF6 + H4SiO4
其通过将固体硫磺经快速熔硫槽转化为液硫后通过硫磺泵打入焚硫炉内与主风机鼓入的空气反应生成含SO2的气体混合物，再经过余热锅炉、低温锅炉、换热器降温后的含SO2的气体可参与反应。其首先进入一级反应塔与一级循环反应槽里的磷矿浆进行气液逆向反应，反应后的气体进入二级反应塔与二级循环反应槽里的矿浆进一步逆向反应后，尾气与三级循环反应槽中的磷矿浆经三级反应塔，充分反应脱除硫化物后进入氟吸收塔与氟硅酸槽中的低浓度氟硅酸或水充分反应脱除氟化物后放空，三级循环反应槽中的磷矿浆中磷酸浓度上升至一定程度后通过三级循环泵过料至二级循环反应槽，二级循环反应槽中磷酸浓度上升至一定程度后经二级循环泵过料至一级循环反应槽，一级循环反应槽中反应合格的料浆则送去过滤机过滤即可得到磷酸。
优选，所述的焚硫炉的炉膛温度控制在700℃～1000℃。
所述的余热锅炉的出口温度控制在400℃～450℃，出口气体中SO2浓度控制在1%～15wt%。优选5%～15wt%。
所述的低温锅炉与换热器连接，换热器的出口温度控制在50℃～100℃。优选80℃～100℃。
进一步地，一级反应塔与一级循环反应槽通过管道和一级循环泵连接，SO2气体从一级反应塔的下部引入，矿浆通过一级循环泵从一级反应塔的顶部喷入，气液两相逆向接触，反应合格后的料浆通过料浆泵送至真空过滤机，反应温度控制在80～85℃。
进一步地，二级反应塔与二级循环反应槽通过管道和二级循环泵连接，气体从二级反应塔的下部引入，矿浆通过二级循环泵从二级反应塔的顶部喷入，气液两相逆向接触反应，反应温度控制在30～80℃。优选50-80℃。
进一步地，三级脱硫塔与三级循环反应槽通过管道和三级循环泵连接，气体从三级脱硫塔的下部引入，磷矿浆通过三级循环泵从三级脱硫塔的顶部喷入，气液两相逆向接触反应，反应温度控制在20～50℃。
进一步地，氟吸收塔与氟硅酸槽通过管道和氟硅酸循环泵连接，气体从氟吸收塔的下部引入，水通过氟硅酸循环泵从氟吸收塔的顶部喷入，气液两相逆向接触反应，当氟硅酸槽中氟硅酸比重达到1.08-1.12 g/ml时即可取出。
进一步地，余热锅炉用水是经过除氧器加热后的除盐水，从余热锅炉出来的蒸汽为3.5 MPa中压蒸汽，直接并入中压蒸汽管网，供后工段使用。
进一步地，低温锅炉用水是经除氧器加热后的除盐水，经过换热器升温后再进入低温锅炉，产生的蒸汽为0.5 MPa低压蒸汽，直接并入低压蒸汽管网，供后工段使用。
进一步地，一级反应塔上连接有闪蒸室，闪蒸室上连接有大气冷凝器，大气冷凝器上连接有真空泵，反应时通过闪蒸室来快速降低料浆温度，一级循环反应槽分为A、B两区，经闪蒸室降温后的料浆先经一级反应塔进入B区，再溢流至A区，在A区补入适量的硫酸，反应合格的料浆送至过滤工段，料浆中P2O5含量控制在1%～30wt%，优选18～25wt%；A区SO3含量控制在1～4wt%，B区SO3含量控制在0～1wt%，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4g/ml～1.6g/ml，真空度控制在-0.02～-0.06 MPa。
进一步地，二级循环反应槽过料至一级循环反应槽的料浆中P2O5重量含量控制在1%～20%，优选3-20%，SO3重量含量控制在0～0.1%，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4 g/ml～1.6 g/ml。
进一步地，磷矿浆通过矿浆泵直接打入三级循环反应槽，三级循环反应槽中的磷矿浆与含硫和氟化物的气体反应生成的磷酸达到一定浓度后的料浆通过三级循环泵过料至二级循环反应槽。原料磷矿浆中P2O5重量含量控制在20～40%，矿浆质量浓度1～70%，优选50～60%；矿浆细度：小于等于100um。料浆中P2O5含量控制在0～5%，气相SO2含量控制在0.01%以下，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4 g/ml～1.6 g/ml。
实施1 ：固体硫磺经快速熔硫槽变成液体硫磺，再通过硫磺泵打入焚硫炉内与主风机鼓入的空气在焚硫炉内充分反应，控制反应温度1000℃，生成SO2质量浓度为10%的混合气体经过余热锅炉，降温至450℃，再经低温锅炉、换热器降温至100℃后从下部进入一级反应塔与一级循环反应槽中的磷矿浆进行气液逆流反应，反应后的料浆进入闪蒸室，控制真空度-0.05Mpa，降温至85℃，气体再从二级反应塔下部进入与二级循环反应槽中的料浆进行逆流反应，控制反应温度70℃，反应后的料浆通过二级循环泵过料至一级循环反应槽中，反应后的尾气进入三级脱硫塔与三级循环反应槽中的矿浆逆流反应脱除硫化物后进入氟吸收塔除去氟化物后放空，一级循环反应槽中A区反应合格的料浆通过料浆泵送至过滤工段，过滤分离即可得到磷酸。一级循环反应槽中的料浆中P2O5含量控制在18%～25%，SO3含量控制在1%～4%，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4g/ml～1.6g/ml。二级循环反应槽向一级循环反应槽过料的料浆中P2O5含量控制在3%～20%，SO3含量控制在0～3%，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4g/ml～1.6g/ml。三级循环槽向二级循环反应槽过料的料浆中 P2O5含量控制在0～5%，气相SO2含量控制在0.01%以下，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4 g/ml～1.6 g/ml。
得到的磷酸的浓度22.8%（P2O5）。
实施2 ：固体硫磺经快速熔硫槽变成液体硫磺，再通过硫磺泵打入焚硫炉内与主风机鼓入的空气在焚硫炉充分反应，控制反应温度900℃，生成SO2浓度为15%的混合气体经过余热锅炉，降温至400℃，再经低温锅炉、换热器降温至80℃后从下部进入一级反应塔与一级循环反应槽中的磷矿浆进行气液逆流反应，反应后的料浆进入闪蒸室，控制真空度-0.05Mpa，降温至85℃，气体再从二级反应塔下部进入与二级循环反应槽中的料浆进行逆流反应，控制反应温度70℃，反应后的料浆通过二级循环泵过料至一级循环反应槽中，反应后的尾气进入三级脱硫塔与三级循环反应槽中的矿浆逆流反应脱除硫化物后进入氟吸收塔除去氟化物后放空，一级循环反应槽中A区反应合格的料浆通过料浆泵送至过滤工段，过滤分离即可得到磷酸。一级循环反应槽中的料浆中P2O5含量控制在18%～25%，SO3含量控制在1%～4%，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4g/ml～1.6g/ml。二级循环反应槽向一级循环反应槽过料的料浆中P2O5含量控制在3%～20%，SO3含量控制在0～3%，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4g/ml～1.6g/ml。三级循环槽向二级循环反应槽过料的料浆中 P2O5含量控制在0～5%，气相SO2含量控制在0.01%以下，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4 g/ml～1.6 g/ml。
得到的磷酸的浓度23.5%（P2O5）。
实施3 ：固体硫磺经快速熔硫槽变成液体硫磺，再通过硫磺泵打入焚硫炉内与主风机鼓入的空气在焚硫炉充分反应，控制反应温度1000℃，生成SO2浓度为15%的混合气体经过余热锅炉，降温至450℃，再经低温锅炉、换热器降温至100℃后从下部进入一级反应塔与一级循环反应槽中的磷矿浆进行气液逆流反应，反应后的料浆进入闪蒸室，控制真空度-0.06Mpa，降温至80℃，气体再从二级反应塔下部进入与二级循环反应槽中的料浆进行逆流反应，控制反应温度70℃，反应后的料浆通过二级循环泵过料至一级循环反应槽中，反应后的尾气进入三级脱硫塔与三级循环反应槽中的矿浆逆流反应脱除硫化物后进入氟吸收塔除去氟化物后放空，一级循环反应槽中A区反应合格的料浆通过料浆泵送至过滤工段，过滤分离即可得到磷酸。一级循环反应槽中的料浆中P2O5含量控制在18%～25%，SO3含量控制在1%～4%，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4g/ml～1.6g/ml。二级循环反应槽向一级循环反应槽过料的料浆中P2O5含量控制在3%～20%，SO3含量控制在0～3%，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4g/ml～1.6g/ml。三级循环槽向二级循环反应槽过料的料浆中 P2O5含量控制在0～5%，气相SO2含量控制在0.01%以下，液固比控制在2～4，料浆比重控制在1.4 g/ml～1.6 g/ml。
得到的磷酸的浓度23.3%（P2O5）。
以上实施案例中，原料磷矿浆中P2O5含量控制在20～30%，MgO含量控制在0.8～1.8%，矿浆浓度50～60%，矿浆细度：小于等于100um。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。