一种湿块矿配加焦粒型磷酸制备系统及方法与流程

本发明属于磷化工技术领域，具体涉及一种湿块矿配加焦粒型磷酸制备系统及方法。

背景技术：

磷酸的工业化生产方法主要有以下几种：(1)湿法磷酸：用硫酸分解磷矿石制取磷酸，该方法需要大量优质磷矿石和硫酸，同时产生大量磷石膏废渣。(2)热法磷酸：用电炉法生产黄磷，然后燃烧吸收制取磷酸，该方法需要大量电能和中高品位磷矿块矿。(3)新的窑法磷酸工艺：生产优质磷酸的一个很好的思路，就是能将磷矿还原及氧化结起来，将氧化热传给还原物料层，从而减少或生产过程能耗，该工艺技术攻关的关键是既要将磷的还原和氧化反应这两个气氛要求不同的区域有效的隔离又不妨碍相互之间的传热和传质，目前窑法磷酸研究采用主要设备为隧道窑和回转窑。中国专利CN200610018780.8的文献公开了一种通过在磷尾矿中加入硅石粉、焦碳粉(或煤矸石粉)、高岭土粉按混匀，加水，陈腐，用真空挤出机或压砖机生产线成型，烘干后浸釉，装窑车入隧道窑。经预热、升温后得到磷蒸气和一氧化碳，再经过水化塔吸得到浓磷酸，砖块经过换热冷却后作为承重砖产品，本发明利用矿山和选矿废渣制酸，制砖，是三废利用项目；中国专利CN93111447.0的文献公开了一种将磷矿石、硅石、碳质还原剂加粘结剂制成双层复合球团，控制内层球团CaO/SiO＜0.6或＞6.5l，使球团熔点高于磷矿的碳热还原温度，外层球团为含碳物料，用以保护内层球团中的碳在火焰炉内不过早氧化，同时作为燃料提供给维持火焰炉温度的能量。但现有窑法磷酸工艺还原与氧化气氛难以控制，磷矿还原率低，随着磷矿资源的日益枯竭、贫化，生产成本越来越高，因此，如何开发出一种能够拓宽原料利用条件、降低耗能、提高产品附加值的制备磷酸的系统及方法成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种湿块矿配加焦粒型磷酸制备系统及方法。该系统利用磷矿、还原煤、焦粒和硅石为原料通过改善转底炉内加热方式及炉内气氛，在不影响产品指标的前提下减少了转底炉炉前的压球及原料烘干工艺，缩短了工艺流程，降低了设备投资，具有处理流程短、设备投资低、设备作业率高、能耗低、应用范围广泛等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提出了一种湿块矿配加焦粒型磷酸制备系统。根据本发明的实施例，该系统包括：原料处理装置、预热、还原及氧化装置、除尘装置和水化装置，其中：所述原料处理装置，由依次连接的破碎装置、筛分装置和混合装置组成，具有磷矿入口，还原煤入口，硅石入口、焦粒入口及混合物料出口，用于将磷矿、还原煤、硅石及焦粒经破碎、筛分后按比例配料混匀，以便得到混合物料；所述预热、还原及氧化装置为改造后的转底炉，包括：依次相邻的进料区、干燥管预热区、侧壁烧嘴还原区、炉顶氧化区和出料区，其中，所述干燥管预热区与所述侧壁烧嘴还原区之间设有隔墙，所述侧壁烧嘴还原区与所述出料区之间设有挡墙，所述隔墙和挡墙均由所述转底炉的顶壁向下延伸，并与所述转底炉的布料环形炉底保持一定间隔；其中，所述干燥管设置在所述干燥管预热区的炉墙侧壁上，用于对所述干燥管预热区进行加热；所述侧壁烧嘴还原区炉壁内侧设有多个烧嘴，用于对所述侧壁烧嘴还原区进行烧嘴方式加热；所述进料区设有混合物料入口，所述出料区设有炉渣出口，所述干燥管预热区炉壁上设有含P₂O₅烟气出口，所述混合物料入口与所述原料处理装置的混合物料出口相连，用于将混合物料陆续布入转底炉内经预热、还原反应、氧化反应后以便得到含P₂O₅烟气；所述除尘装置包括：含P₂O₅烟气入口、含P₂O₅净化气出口及粉尘出口，所述含P₂O₅烟气入口与所述预热、还原及氧化装置的含P₂O₅烟气出口相连，用于将含P₂O₅烟气经所述除尘装置处理后，得到含P₂O₅净化气；所述水化装置包括：含P₂O₅净化气入口、磷酸出口，所述含P₂O₅净化气入口与所述除尘装置的含P₂O₅净化气出口相连，用于将含P₂O₅净化气经水化吸收后，得到磷酸。

发明人发现，根据本发明实施例的该系统，混合物料中的不良杂质如物理水、碳酸盐、结晶水、砷等影响磷酸生产成本与生产效率，经预热处理后可有效去除磷矿中的不良杂质，且混合物料可不经烘干直接入炉减少设备投资；并且采用配加焦粒，提高混合物中碳含量，在还原反应初期部分碳氧化可消除物料区多余氧，由于碳过剩氧化成还原性气体CO，快速实现物料区还原性气氛，减少磷矿混合料内碳烧损，提高磷矿还原率，拓宽原料利用条件，可使用中低品位磷矿；此外在转底炉内增设干燥管预热区，该干燥管设置于炉墙侧壁，采用热辐射方式预热原料，与传统转底炉均采用炉墙侧壁烧嘴加热的方式相比，有效解决了物料入炉初期因粉料多导致烧嘴堵塞的问题，减少了转底炉炉前的压球及原料烘干工艺，缩短了工艺流程，降低了设备投资，具有处理流程短、设备投资低、设备作业率高、能耗低、应用范围广泛等优点。

根据本发明的实施例，所述预热、还原及氧化装置的水平截面为圆环形，所述干燥管预热区圆环夹角为30°-100°。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用前面所述的系统制备磷酸的方法。根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：（1）原料处理：将磷矿湿块、还原煤、硅石及焦粒经破碎、筛分后按比例配料混匀,得到混合物料；（2）预热、还原和氧化处理：将混合物料向预热还原和氧化装置内布料，随着所述预热还原和氧化装置炉底的运转，所述混合物料依次在干燥管预热区内进行干燥、预热处理，再经所述侧壁烧嘴还原和氧化区内进行还原和氧化反应，反应结束后得到含P₂O₅烟气；（3）除尘和水化处理：将产生的含P₂O₅烟气经除尘、水化吸收，得到高浓度磷酸产品，冷却后的炉渣可用作水泥生产原料。

根据本发明的实施例，磷矿湿块100重量份，还原煤15-30重量份，硅石20-50重量份，焦粒5-10重量份。

根据本发明的实施例，所述预热、还原及氧化装置的干燥管预热区温度为500℃-900℃，时间为20-40min；所述还原区采用侧壁烧嘴加热方式，还原温度为1150℃-1350℃，时间为20-50min。

本发明至少具有以下有益效果：

1.与传统转底炉均采用炉墙侧壁烧嘴加热的方式相比，本发明的转底炉内增设干燥管预热区，有效解决了物料入炉初期因粉料多导致烧嘴堵塞的问题。

2. 本发明通过配加焦粒，提高磷矿还原率，利用中低品位的磷矿，拓宽原料利用条件，同时实现磷矿还原、氧化反应在同一炉内进行，氧化反应产生的热量可辐射补给还原过程中的所需热量，有效减少外界供给能耗，降低生产能耗。

3.本发明无需采用烘干、造球工序，采用湿块料直接送入转底炉处理，缩短了工艺流程，降低了设备投资、生产成本及生产能耗。

4.采用配加焦粒，提高混合物中碳含量，在还原反应初期部分碳氧化可消除物料区多余氧，由于碳过剩氧化成还原性气体CO，快速实现物料区还原性气氛，减少磷矿混合料内碳烧损，提高了磷矿还原率，拓宽了原料利用条件，可使用中低品位磷矿。

5.本发明转底炉采用蓄热式燃烧技术，使用劣质或低品质燃料，降低了燃料成本，可在国内和缺少天然气和优质燃料的地区推广。

附图说明

图1 为本发明改造转底炉的示意图。

图2 为本发明制备磷酸的方法流程图。

图3 为本发明制备磷酸的系统简易图。

其中，进料区1，干燥管预热区2，侧壁烧嘴还原区3，出料区4，烟道5，隔墙6，挡墙7，干燥管8，烧嘴9，，原料处理装置S100，磷矿入口101，还原煤入口102，硅石入口103，焦粒入口104，混合物料出口105，预热、还原及氧化装置S200，混合物料入口201，含P₂O₅烟气出口202，炉渣出口203，除尘装置S300，含P₂O₅烟气入口301，含P₂O₅净化气出口302，粉尘出口303，水化装置S400，含P₂O₅净化气入口401，磷酸出口402。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出了一种湿块矿配加焦粒型磷酸制备系统。根据本发明的实施例，图1 为本发明改造转底炉的示意图，图3 为本发明制备磷酸的系统简易图，参照图1和图3所示，该系统包括：原料处理装置S100、预热、还原及氧化装置S200、除尘装置S300和水化装置S400，其中：所述原料处理装置具有磷矿入口101，还原煤入口102，硅石入口103、焦粒入口104及混合物料出口105，用于将将磷矿、还原煤、硅石及焦粒经破碎、筛分后按比例配料混匀，以便得到混合物料；所述预热、还原及氧化装置包括：依次相邻的进料区1、干燥管预热区2、侧壁烧嘴还原区3和出料区4，其中，所述干燥管预热区与所述侧壁烧嘴还原区之间设有隔墙6，所述侧壁烧嘴还原区与所述出料区之间设有7挡墙，所述隔墙和挡墙均由所述转底炉的顶壁向下延伸，并与所述转底炉的布料环形炉底保持一定间隔；其中，所述干燥管设8置在所述干燥管预热区的炉墙侧壁上，用于对所述干燥管预热区进行加热；所述侧壁烧嘴还原区炉壁内侧设有多个烧嘴9，用于对所述侧壁烧嘴还原区进行烧嘴方式加热；所述进料区设有混合物料入口201，所述出料区设有炉渣出口203，所述干燥管预热区炉壁上设有含P₂O₅烟气出口202，所述混合物料入口与所述原料处理装置的混合物料出口相连，用于将混合物料陆续布入转底炉内经预热、还原反应、氧化反应后以便得到含P₂O₅烟气。

发明人发现，根据本发明实施例的该系统，混合物料中的不良杂质如物理水、碳酸盐、结晶水、砷等影响磷酸生产成本与生产效率，经预热处理后可有效去除磷矿中的不良杂质，且混合物料可不经烘干直接入炉减少设备投资；并且采用配加焦粒，提高混合物中碳含量，在还原反应初期部分碳氧化可消除物料区多余氧，由于碳过剩氧化成还原性气体CO，快速实现物料区还原性气氛，减少磷矿混合料内碳烧损，提高磷矿还原率，拓宽原料利用条件，可使用中低品位磷矿；此外在转底炉内增设干燥管预热区，该干燥管设置于炉墙侧壁，采用热辐射方式预热原料，与传统转底炉均采用炉墙侧壁烧嘴加热的方式相比，有效解决了物料入炉初期因粉料多导致烧嘴堵塞的问题，减少了转底炉炉前的压球及原料烘干工艺，缩短了工艺流程，降低了设备投资，具有处理流程短、设备投资低、设备作业率高、能耗低、应用范围广泛等优点。

根据本发明的实施例，所述原料处理装置，由依次连接的破碎装置、筛分装置和混合装置组成。

根据本发明的实施例，所述破碎装置的具体种类不受限制，只要能够达到将块状物料破碎成合适粒度的作用即可，可以为金属破碎装置，石头破碎装置，木材破碎装置或塑料破碎装置，根据本发明的一些实施例，本发明优选为金属破碎装置或石头破碎装置。

根据本发明的实施例，所述筛分装置的具体种类和方法不受限制，只要能够起到用带孔的筛面把粒度大小不同的混合物料分成各种粒度级别的作用即可，可以为旋动筛或振荡筛、独立筛分、辅助筛分或脱水筛分，根据本发明的一些实施例，本发明优选为旋动筛或辅助筛分。

根据本发明的实施例，所述预热、还原及氧化装置为改造后的转底炉，其中所述转底炉的型号不受限制，可以为蓄热式或者非蓄热式转底炉，根据本发明的一些实施例，本发明优选为蓄热式转底炉。

根据本发明的实施例，所述预热、还原及氧化装置的水平截面的具体形状不受限制，本发明优选为圆环形，所述干燥管预热区圆环夹角优选为30°-100°。本发明转底炉干燥管预热区圆环夹角不应小于30°，若圆环夹角小于30°，则物料在预热区留存时间太短，会导致磷矿水分脱除不完全，剩余水分在还原区脱除影响物料区还原性，降低有价金属的还原率，但当转底炉预热区圆环夹角过大将影响还原区物料的还原效果，所以控制预热区圆环夹角不大于100°。

根据本发明的实施例，所述干燥管预热区与所述侧壁烧嘴还原区之间设有的隔墙的具体材质不受限制，只要能够起到分隔的作用即可，可以为耐火砖或耐火打结料等，根据本发明的一些实施例，本发明优选为耐火砖。

根据本发明的实施例，所述侧壁烧嘴还原区与所述出料区之间设有的挡墙的具体材质不受限制，只要能够起到阻挡的作用即可，可以为耐火砖或耐火打结料等，根据本发明的一些实施例，本发明优选为耐火砖。

根据本发明的实施例，所述侧壁烧嘴还原区设有多个烧嘴的具体种类和形状不受限制，只要能够用于对所述侧壁烧嘴还原区进行烧嘴方式加热即可。

根据本发明的实施例，所述干燥管的具体形状不受限制，可以为U形，W形或P形，根据本发明的一些实施例，本发明优选为U形。

根据本发明的实施例，参照图3所示，所述除尘装置包括：含P₂O₅烟气入口301、含P₂O₅净化气出口302及粉尘出口303，所述含P₂O₅烟气入口与所述预热、还原及氧化装置的含P₂O₅烟气出口相连，用于将含P₂O₅烟气经所述除尘装置处理后，得到含P₂O₅净化气。

根据本发明的实施例，参照图3所示，所述水化装置包括：含P₂O₅净化气入口401、磷酸出口402，所述含P₂O₅净化气入口与所述除尘装置的含P₂O₅净化气出口相连，用于将含P₂O₅净化气经水化吸收后，得到磷酸。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用前面所述的系统制备磷酸的方法。图2 为本发明制备磷酸的方法流程图，参照图2所示，该方法可以包括以下步骤：

（1）原料处理：将磷矿湿块、还原煤、硅石及焦粒经破碎、筛分后按比例配料混匀，得到混合物料。

根据本发明的实施例，磷矿湿块100重量份，还原煤15-30重量份，硅石20-50重量份，焦粒5-10重量份。

根据本发明的实施例，所述原料处理装置，由依次连接的破碎装置、筛分装置和混合装置组成，所述原料处理装置具有磷矿入口101，还原煤入口102，硅石入口103、焦粒入口104及混合物料出口105，用于将将磷矿、还原煤、硅石及焦粒经破碎、筛分后按比例配料混匀，以便得到混合物料。

原料中控制配入合适的硅石量使得氟磷酸钙与碳反应还原生成的CaO立即与加入的SiO₂反应生成硅酸钙，从而有效降低氟磷酸钙的还原温度，使得还原反应在较低的温度下也能进行，此外，配入SiO₂可使原料熔点高于原料中磷矿石的碳热还原温度，从而降低了能耗，确保生产顺行。

采用配加焦粒，提高混合物中碳含量，在还原反应初期部分碳氧化可消除物料区多余氧，由于碳过剩氧化成还原性气体CO，快速实现物料区还原性气氛，减少磷矿混合料内碳烧损，提高磷矿还原率，拓宽原料利用条件，可使用中低品位磷矿。

（2）预热、还原和氧化处理：将混合物料向预热还原和氧化装置内布料，随着所述预热还原和氧化装置炉底的运转，所述混合物料依次在干燥管预热区内进行干燥、预热处理，再经所述侧壁烧嘴还原和氧化区内进行还原和氧化反应，反应结束后得到含P₂O₅烟气。

根据本发明的实施例，所述预热、还原及氧化装置的干燥管预热区温度为500℃-900℃，时间为20-40min；所述还原区采用侧壁烧嘴加热方式，还原温度为1150℃-1350℃，时间为20-50min。

根据本发明的实施例，所述预热、还原及氧化装置包括：依次相邻的进料区1、干燥管预热区2、侧壁烧嘴还原区3和出料区4，所述进料区设有混合物料入口201，所述出料区设有炉渣出口203，所述干燥管预热区炉壁上设有含P₂O₅烟气出口202，所述混合物料入口与所述原料处理装置的混合物料出口相连，用于将混合物料陆续布入转底炉内经预热、还原反应、氧化反应后以便得到含P₂O₅烟气。

混合物料在物料还原区发生还原反应产生磷蒸气,通过控制空燃比使炉子顶部呈弱氧化气氛，又不破坏物料区的还原性气氛，还原区所得磷蒸气在炉顶氧化区发生氧化反应，实现磷矿还原、氧化反应在同一炉内进行，氧化反应产生的热量可辐射补给还原过程中的所需热量，降低因调整空燃比而带来的炉温波动，有效减少外界供给能耗，降低生产能耗。

（3）除尘和水化处理：将产生的含P₂O₅烟气经除尘、水化吸收，得到高浓度磷酸产品，冷却后的炉渣可用作水泥生产原料。

根据本发明的实施例，参照图3所示，所述除尘装置包括：含P₂O₅烟气入口301、含P₂O₅净化气出口302及粉尘出口303，所述含P₂O₅烟气入口与所述预热、还原及氧化装置的含P₂O₅烟气出口相连，用于将含P₂O₅烟气经所述除尘装置处理后，得到含P₂O₅净化气。

根据本发明的实施例，参照图3所示，所述水化装置包括：含P₂O₅净化气入口401、磷酸出口402，所述含P₂O₅净化气入口与所述除尘装置的含P₂O₅净化气出口相连，用于将含P₂O₅净化气经水化吸收后，得到磷酸。

实施例1：

将磷矿湿块：还原煤：硅石：焦粒按照配比为：100：15：20：5进行混匀，所得混合物料连续布入转底炉内，预热区温度500℃，时间40分钟，还原温度1150℃，时间50分钟，预热区的圆环夹角为30°，炉内磷矿发生还原、氧化反应后所产生的含P₂O₅烟气经烟道排出后，经净化、水化后最终得到酸浓度85%的磷酸产品，从排料口排出的高温炉渣经过空气换热装置预热空气后可作为助燃空气使用，冷却后的炉渣可用作水泥生产原料。

实施例2：

将磷矿湿块：还原煤：硅石：焦粒按照配比为：100：20：35：8进行混匀，所得混合物料连续布入转底炉内，预热温度600℃，时间30分钟，还原温度1250℃，时间40分钟，预热区的圆环夹角为60°，炉内磷矿发生还原、氧化反应后所产生的含P₂O₅烟气经烟道排出后，经净化、水化后最终得到酸浓度88%的磷酸产品，从排料口排出的高温炉渣经过空气换热装置预热空气后可作为助燃空气使用，冷却后的炉渣可用作水泥生产原料。

实施例3：

将磷矿湿块：还原煤：硅石：焦粒按照配比为：100：30：50：10进行混匀，所得混合物料连续布入转底炉内，预热温度900℃，时间20分钟，还原温度1350℃，时间20分钟，预热区的圆环夹角为100°，炉内磷矿发生还原、氧化反应后所产生的含P₂O₅烟气经烟道排出后，经净化、水化后最终得到酸浓度89%的磷酸产品，从排料口排出的高温炉渣经过空气换热装置预热空气后可作为助燃空气使用，冷却后的炉渣可用作水泥生产原料。

发明人发现，根据本发明实施例的该系统，混合物料中的不良杂质如物理水、碳酸盐、结晶水、砷等影响磷酸生产成本与生产效率，经预热处理后可有效去除磷矿中的不良杂质，且混合物料可不经烘干直接入炉减少设备投资；并且采用配加焦粒，提高混合物中碳含量，在还原反应初期部分碳氧化可消除物料区多余氧，由于碳过剩氧化成还原性气体CO，快速实现物料区还原性气氛，减少磷矿混合料内碳烧损，提高磷矿还原率，拓宽原料利用条件，可使用中低品位磷矿；此外在转底炉内增设干燥管预热区，该干燥管设置于炉墙侧壁，采用热辐射方式预热原料，与传统转底炉均采用炉墙侧壁烧嘴加热的方式相比，有效解决了物料入炉初期因粉料多导致烧嘴堵塞的问题，减少了转底炉炉前的压球及原料烘干工艺，缩短了工艺流程，降低了设备投资，具有处理流程短、设备投资低、设备作业率高、能耗低、应用范围广泛等优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是点连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。